ИМПУЛЬСНЫЙ ИСКРОВОЙ ГРОЗОВОЙ РАЗРЯДНИК ДЛЯ ЛИНИИ ЭЛЕКТРОПЕРЕДАЧИ Российский патент 1998 года по МПК H01T4/00 

Область техники.

Изобретение относится к области высоковольтной техники, а более точно - к импульсным искровым грозовым разрядникам для защиты элементов линий электропередачи и высоковольтных установок путем ограничения перенапряжений на защищаемых элементах. С помощью таких разрядников могут защищаться, например, изоляторы, изоляционные промежутки и другие элементы.

Уровень техники.

Известно устройство для ограничения перенапряжений в виде вентильного разрядника серии РВС, состоящего из одного или нескольких, в зависимости от класса напряжений, последовательно соединенных стандартных элементов. Каждый из этих элементов содержит диски нелинейных резисторов с искровыми промежутками между ними, при этом каждый комплект нелинейных резисторов размещен в герметичном фарфоровом чехле (см. Техника высоких напряжений. Под ред. Разевига Д. В. , М., Энергия, 1976, с. 300). При перенапряжении сопротивления нелинейных резисторов резко падает и таким образом осуществляется ограничение перенапряжения. Такой разрядник обладает высокой надежностью, однако сложность конструкции и его значительная стоимость ограничивают применение таких разрядников.

Известно устройство для ограничения перенапряжений в виде трубчатого разрядника серии РТВ, представляющего собой винипластовую трубку, заглушенную с одного конца металлической крышкой, являющейся одним из концевых электродов, и с другим электродом, расположенным на противоположном открытом конце. На первом из указанных концевом электроде закреплен дополнительный внутренний стержневой электрод, располагающийся внутри трубки и образующий внутри трубки искровой промежуток. Трубка разрядника отделена от силового провода дополнительным искровым промежутком (см. Техника высоких напряжений. Под ред. Разевига Д.В., М., Энергия, 1976, с. 289). Это устройство является наиболее близким к заявляемому и принято в качестве прототипа. При возникновении импульса грозового перенапряжения оба промежутка пробиваются, и импульсный ток отводится в землю. После окончания импульса через разрядник продолжает проходить сопровождающий ток, и искровой разряд переходит в дуговой. Под действием высокой температуры канала дуги переменного тока в трубке происходит интенсивное выделение газа и давление сильно увеличивается. Газы, устремляясь к открытому концу трубки, создают продольное дутье, в результате чего дуга гасится при первом же прохождении тока через нулевое значение. Этот разрядник менее надежен в эксплуатации, чем указанный выше вентильный разрядник, а сам трубчатый разрядник имеет узкий диапазон отключаемых токов, и при этом его работа сопровождается выхлопом сильно ионизированного генерируемого газа, что в случае попадания в зону выхлопа разрядника проводов смежных фаз или заземленных конструкций может инициировать перекрытие воздушной изоляции.

Задача изобретения.

Задачей настоящего изобретения является создание импульсного искрового грозового разрядника, надежно и наиболее простым способом защищающего элементы линий электропередачи и высоковольтных установок от грозовых перенапряжений, и обладающего низкой стоимостью.

Техническим результатом, который может быть получен при использовании изобретения, является простота конструкции и технологичность в изготовлении, легкость установки его на линии электропередачи или высоковольтной установке, высокая надежность защиты ее элементов от разрядных перекрытий, переходящих в силовую дугу.

Сущность изобретения.

Импульсный искровой грозовой разрядник, который решает задачу настоящего изобретения, включает в себя продолговатое тело из твердого диэлектрика, на концах которого размещены концевые электроды для подключения разрядника к элементам электропередачи, а внутри указанного продолговатого тела разрядника размещен стержневой электрод, при этом согласно изобретению указанный стержневой электрод расположен вдоль всего указанного тела разрядника и соединен с обоими концевыми электродами, образуя единый основной электрод, а на наружной поверхности указанного тела разрядника в средней его части размещен второй основной электрод. Для эффективной защиты элемента электропередачи с помощью такого разрядника длины пути искрового перекрытия по поверхности продолговатого тела из диэлектрика между двумя основными электродами разрядника должна быть больше, чем длина пути искрового перекрытия защищаемого элемента электропередачи, например, изолятора. Поэтому расстояние между вторым основным электродом и каждым из концевых электродов определяется из выражения
0,06 U^0,75 < L < 0,5 U^0,75,
где
L - расстояние между вторым основным электродом и каждым из концевых электродов, м;
U - номинальное напряжение разрядника, кВ.

Для повышения удобства монтажа разрядника на линии электропередачи указанное тело разрядника и указанный стержневой электрод могут быть выполнены изогнутыми в форме петли, а концевые электроды соединены между собой перемычкой.

Указанное тело разрядника может быть выполнено с переменным сечением, увеличивающимся от концевых электродов к средней части тела.

В этом случае напряженность электрического поля в теле диэлектрика распределена более равномерно по длине изоляционного тела. Поэтому импульсная прочность меду поверхностью изоляционного тела разрядника и его внутренним стержневым электродом увеличивается и тем самым обеспечивается его более надежная работа.

Защита от грозовых перенапряжений при использовании описанного разрядника, основана на следующем принципе.

При попадании молнии в линию электропередачи происходит импульсное перекрытие ближайшего изолятора или изоляционного промежутка. При перенапряжении после того, как произошло импульсное перекрытие изоляции, возможно либо дальнейшее развитие электрического разряда с переходом в силовую дугу рабочего напряжения, что означает короткое замыкание линии, либо восстановление электрической прочности изоляции после протекания тока молнии через канал разряда и опору в землю и продолжение нормального режима работы линии без ее отключения.

Вероятность возникновения силовой дуги главным образом зависит от номинального напряжения линии U_ном и длины пути перекрытия L. При заданном номинальном напряжении U_ном вероятность установления силовой дуги P_д приблизительно обратно пропорциональна длине перекрытия L:
P_д = 1/L.

За счет увеличения L (например в 2 раза) возможно во столько же уменьшить вероятность возникновения дуги и соответственно сократить количество отключений линии (для данного примера так же в 2 раза).

Авторам изобретения удалось найти техническую возможность создания достаточно длинного пути искрового перекрытия за счет использования эффекта поверхностного разряда по поверхности диэлектрика. Этот технический прием - увеличение длины пути искрового перекрытия за счет создания длинного поверхностного разряда по поверхности диэлектрического тела - может быть использован в линии электропередачи с импульсным искровым грозовым разрядником. Для этого разрядник должен быть выполнен в виде разрядника с поверхностным разрядом и иметь соответствующие соотношения параметров.

Длина пути искрового перекрытия по поверхности импульсного грозового разрядника должна быть больше, чем длина пути искрового перекрытия защищаемого элемента линии.

Минимальная длина пути перекрытия L_форм, обеспечивающая достаточное повышение надежности защиты, может быть вычислена по формуле:
L_форм = 0,06 U^0,75, м,
где
U - номинальное напряжение линии, кВ.

В таблице приведены опубликованные в литературе максимальные из используемых в настоящее время длин изоляции I_из.

Как видно из таблицы, длина пути искрового перекрытия, определенная по вышеуказанной формуле, по меньшей мере на 20 - 70% больше, чем максимальные длины обычной изоляции.

Достижение желаемого результата повышения надежности защиты от коротких замыканий в электропередаче можно объяснить следующим образом.

В импульсном искровом грозовом разряднике согласно настоящему изобретению стержневой электрод, размещенный по всей длине продолговатого тела из диэлектрика, инициирует прохождение разряда по всей длине поверхности изоляционного тела разрядника, и импульсная электрическая прочность этого искрового промежутка оказывается меньшей, чем у защищаемого элемента линии электропередачи, в частности, изолятора или изоляционного промежутка. При этом благодаря достаточно большой длине искрового промежутка разрядника, а следовательно, и пути прохождения скользящего разряда, предотвращается возникновение силовой дуги после прохождения импульсного тока молнии. Чем больше длина пути искрового перекрытия разрядника, тем меньше вероятность возникновения силовой дуги и меньше число отключений линии.

Перечень фигур чертежей.

Сущность настоящего изобретения будет более понятна из последующего описания примеров его реализации, иллюстрируемых прилагаемыми чертежами, на которых изображено:
на фиг. 1 - схема искрового грозового разрядника;
на фиг. 2 - схема установки разрядника на линии электропередачи;
на фиг. 3 - схема установки разрядника, изогнутого в форме петли, на линии электропередачи;
на фиг. 4 - схема разрядника, в котором диэлектрическое тело выполнено с переменным сечением.

Примеры конкретного выполнения.

На фиг. 1 показан искровой грозовой разрядник, содержащий продолговатое тело 1, выполненное из твердого диэлектрика, на концах которого расположены концевые электроды, обозначенные как 2.1 и 2.2. Внутри этого тела от одного конца до другого проходит стержневой электрод 3, электрически соединенный с концевыми электродами 2.1 и 2.2, и образующий вместе с ними единый первый основной электрод. В средней части продолговатого тела 1 на его поверхности расположен второй основной электрод 4.

Разрядник работает следующим образом.

Разрядник одним или двумя концевыми электродами 2.1, 2.2 подключается к элементу электропередачи, находящемуся под одним потенциалом (например, к опоре), а вторым основным электродом 4 разрядник подключается непосредственно, или через искровой воздушный промежуток к другому элементу электропередачи, находящемуся под другим потенциалом, (например к проводу ЛЭП) электрически параллельно защищаемому элементу электропередачи (например, изолятору).

Возникающее перенапряжение приложено между основными электродами разрядника. Поскольку стержневой электрод 3 соединен с концевыми электродами 2.1, 2.2, указанное перенапряжение приложено также между электродами 3 и 4 к диэлектрическому телу 1. Наличие стержневого электрода 3 резко усиливает напряженность поля вблизи электрода 4. Наибольшая напряженность поля достигается на краю электрода 4 за счет проявления краевого эффекта. Вследствие этого при относительно низких значениях воздействующего перенапряжения в воздухе вблизи кромки электрода 4 образуется канал скользящего разряда 5, который подпитываясь емкостным током, замыкающимся на электроде 3, скользит в сторону концевого электрода, например 2.1. При перенапряжениях, ненамного превышающих напряжение срабатывания разрядника, канал разряда 5 образуется обычно в одну из сторон концевого электрода 2.1 или 2.2. При значительных перенапряжениях канал разряда 5 развивается в обе стороны, т.е. к концевым электродам 2.1 и 2.2, как это показано на Фиг. 1.

Как известно, разрядные напряжения скользящего разряда весьма низкие, т. е. при относительно небольшой величине воздействующего импульса перенапряжения перерывается весьма большой путь по поверхности диэлектрика. Параметры разрядника выбираются таким образом, чтобы он срабатывал при меньшем напряжении, чем разрядное напряжение защищаемого элемента, а длина пути перекрытия разрядника была значительно больше длины пути перекрытия защищаемого элемента. За счет увеличения длины перекрытия исключается установление силовой дуги промышленной частоты и отпадает необходимость отключения электропередачи.

На фиг. 2 показана схема установки заявляемого разрядника на линии электропередачи, например 10 кВ.

Разрядник при помощи узла крепления 6 укреплен на опоре 7 таким образом, что второй основной электрод 4 образует с проводом 8 ЛЭП искровой разрядный промежуток S. Разрядник установлен электрически параллельно защищаемому элементу линии, в данном случае изолятору 9.

Стержневой электрод 3 имеет потенциал опоры. Благодаря большой емкости между стержневым электродом 3 и основным электродом 4 он имеет практически тот же потенциал что и стержень 3, т.е. он приблизительно имеет потенциал опоры 7. Таким образом перенапряжение между проводом 8 и опорой 7 будет также приложено между проводом 8 и электродом 4. При достаточно большой величине перенапряжения искровой промежуток S пробьется и перенапряжение между электродом 4 и стержнем 3 будет приложено к изоляции 1. Под действием приложенного перенапряжения с электрода 4 вдоль поверхности изоляции 1 развивается скользящий разряд 5 в одну или обе стороны разрядника до тех пор пока он не замкнется на концевых электродах 2.1, 2.2, гальванически связанных с опорой 7.

Благодаря большой длине перекрытия по поверхности разрядника L, общая длина перекрытия L+S оказывается весьма велика и импульсное перекрытие не переходит в силовую дугу промышленной частоты.

Проведенные исследования показали, что при диаметре продолговатого тела из полиэтилена 1,7 см, внутри которого установлен стержневой электрод диаметром 0,9 см, при S = 5 см и L = 75 см при воздействии грозового импульса отрицательной полярности 50% разрядное напряжение разрядника составляет U_50% = 105 кВ, а защищаемого изолятора - U_50% = 130 кВ. При общей длине грозового перекрытия L+S = 75+5= 80 см средняя напряженность электрического поля на канале разряда от напряжения промышленной частоты составит При такой низкой величине напряженности электрического поля силовая дуга не образуется и линия продолжает бесперебойную работу без отключения.

Аналогичным образом функционируют искровые грозовые разрядники, описанные в приведенных ниже примерах.

В разряднике, изображенном на фиг. 3, в отличие от описанного выше примера, изоляционное тело 1 и стержневой электрод 3 изогнуты в вид е петли, а концевые электроды 2.1 и 2.2 соединены между собой перемычкой 10.

На фиг. 4 изображена другая модификация, в которой тело 1 разрядника имеет переменное сечение.

Заявляемое изобретение является промышленно применимым во всех областях высоковольтной техники, связанных с электропередачей. Конструкция разрядника предусматривает возможность его изготовления как в мелкосерийном, так и в массовом производстве, поскольку она является высокотехнологичной. Благодаря простоте монтажа разрядника, он может быть установлен как на строящихся, так и на действующих высоковольтных установках или линиях электропередачи.

Разрядник содержит продолговатое тело из твердого диэлектрика, на концах которого размещены концевые электроды, один из которых соединен со стержневыи электродом, размещенным внутри указанного тела на всю его длину и соединен с обоими концевыми электродами, образуя единый основной электрод. На наружной поверхности указанного тела в средней его части размещен второй основной электрод. Указанные тело разрядника и стержневой электрод могут быть выполнены изогнутыми в форме петли, а концевые электроды соединены между собой перемычкой. Тело разрядника может быть выполнено с переменным сечением, увеличивающимся от концевых электродов к средней части тела. Техническим результатом является простота конструкции и технологичность в изготовлении, повышение надежности защиты. 2 з.п. ф-лы, 1 табл., 4 ил.

1. Импульсный искровой грозовой разрядник, включающий продолговатое тело из твердого диэлектрика, на концах которого размещены концевые электроды, один из которых соединен со стержневым электродом, размещенным внутри указанного тела разрядника, отличающийся тем, что стержневой электрод расположен вдоль всего указанного тела разрядника и соединен с обоими концевыми электродами, образуя единый первый основной электрод, а на наружной поверхности указанного тела разрядника в средней его части размещен дополнительно введенный второй основной электрод, причем расстояние между вторым указанным основным электродом и каждым из концевых электродов определяется соотношением
0,06 U^0,75 < L < 0,5 U^0,75,
где L - расстояние между вторым основным электродом и каждым из концевых электродов, м
U - номинальное напряжение разрядника, кВ. 2. Разрядник по п.1, отличающийся тем, что указанное тело разрядника и стержневой электрод выполнены изогнутыми в форме петли, а концевые электроды соединены между собой перемычкой. 3. Разрядник по п.1, отличающийся тем, что указанное тело разрядника выполнено с переменным сечением, увеличивающимся от концевых электродов к средней части тела.