УСТРОЙСТВО ГРОЗОЗАЩИТЫ И ЛИНИЯ ЭЛЕКТРОПЕРЕДАЧИ С УСТРОЙСТВОМ ГРОЗОЗАЩИТЫ Российский патент 2005 года по МПК H02H9/06 

Область техники

Настоящее изобретение относится к области высоковольтной техники, а более конкретно к устройствам грозозащиты и к линиям электропередачи, снабженным устройствами грозозащиты (называемыми далее также грозозащитными устройствами).

Уровень техники

Для защиты различных объектов (в том числе электротехнических, таких как подстанции или подходы к линиям электропередач) от прямых ударов молнии путем отвода тока молнии в землю используются молниеотводы, состоящие из молниеприемника, возвышающегося над защищаемым объектом, заземлителя и токоотвода, соединяющего молниеприемник с заземлителем ("Техника высоких напряжений". Под общей ред. Д.В.Разевига. Изд. 2-е, перераб. и доп.М., “Энергия”, 1976, стр.263). Поскольку молниеотвод связан с землей, его потенциал сохраняется равным нулю по мере приближения к нему канала молнии. Из-за того, что территория, защищаемая молниеотводом, ограничена, эти устройства непригодны для защиты таких протяженных объектов, как линии электропередачи (ЛЭП).

Известные высоковольтные ЛЭП, как правило, включают в себя, по меньшей мере, один силовой провод, закрепленный на опорах посредством элементов изоляции (изоляторов). Линия может содержать несколько проводов, например, если она выполнена многофазной. Опоры выполняются, как правило, заземленными, но встречаются и линии электропередачи с незаземленными опорами. В состав ЛЭП входят также грозозащитные устройства, т.е. устройства для ограничения перенапряжений, возникающих в линии при попадании в нее молнии.

Наиболее распространенным средством грозозащиты ЛЭП является грозозащитный трос, который подвешивается на стойке опоры над силовыми проводами. В случае удара молнии в линию электропередачи канал молнии попадает на грозозащитный трос, и ток молнии через тело опоры (при проводящей, например, металлической стойке опоры) стекает на землю ("Техника высоких напряжений". Под общей ред. Д.В.Разевига. Изд. 2-е, перераб. и доп.М., “Энергия”, 1976, стр.263).

В случае отсутствия грозозащитного троса в качестве грозозащитных устройств применяют также ограничители перенапряжений нелинейные (ОПН) и искровые разрядники различного типа (например, стержневые или трубчатые). Все искровые разрядники содержат те или иные средства формирования искрового промежутка, через который при перенапряжении происходит развитие защитного искрового перекрытия, и контактные токопроводящие элементы для электрического соединения разрядника с соответствующими частями защищаемой ЛЭП.В наиболее простых стержневых разрядниках средства формирования искрового промежутка выполнены в виде двух металлических стержней, установленных в непосредственной близости от изоляторов, или гирлянд изоляторов, или других защищаемых элементов линии. Для образования искрового промежутка металлические стержни устанавливаются на некотором расстоянии друг от друга. При возникновении перенапряжения в случае попадания молнии в линию электропередачи разряд проходит через искровой промежуток разрядника, предохраняя тем самым изолятор от разрушения. Однако при срабатывании стержневого разрядника искровое перекрытие между стержнями переходит в силовую дугу промышленной частоты, что приводит к необходимости отключения линии ("Техника высоких напряжений". Под общей ред. Д.В.Разевига. Изд. 2-е, перераб. и доп.М., “Энергия”, 1976, стр.284).

Известна также линия электропередачи с грозозащитным устройством, выполненным на основе длинноискрового разрядника (РДИ). Средства формирования искрового промежутка такого разрядника обеспечивают при грозовом перенапряжении возникновение скользящего разряда, через который происходит развитие защитного искрового перекрытия. Длина перекрытия этого разрядника весьма велика, поэтому после грозового перекрытия по поверхности разрядника силовая дуга не устанавливается и линия продолжает работу без отключения (патент РФ №2096882).

Хотя технические решения, описанные в названном патенте и являющиеся наиболее близкими к заявляемой группе изобретений, обеспечивают значительно более высокую эффективность грозозащиты, они все же обладают существенным недостатком. Он заключается в том, что при воздействии импульсов грозовых перенапряжений с крутым фронтом не обеспечивается координированная работа разрядника с защищаемой изоляцией, т.е. срабатывание разрядника с некоторым минимальным опережением относительно момента удара молнии. Соответственно, линия недостаточно грозоупорна, а значит недостаточно надежна.

Раскрытие изобретения

Задачей, на решение которой направлено настоящее изобретение, является разработка конструктивно простого и надежного грозозащитного устройства, а также создание, с его использованием, линии электропередачи, обладающей повышенной надежностью при умеренной стоимости в строительстве и эксплуатации.

Техническим результатом является обеспечение срабатывания грозозащитного устройства с заданным опережением относительно момента удара молнии непосредственно в защищаемый электротехнический объект или вблизи от него.

Поставленная задача решена созданием группы изобретений, относящихся к грозозащитному устройству и к линии электропередачи, снабженной подобным грозозащитным устройством.

В базовом варианте выполнения грозозащитное устройство для защиты электротехнического объекта от ударов молнии построено на основе искрового разрядника, который содержит средства формирования искрового промежутка, через который при перенапряжении происходит развитие защитного искрового перекрытия, и контактные токопроводящие элементы. При этом разрядник снабжен контактными средствами для электрического соединения одного из указанных средств формирования или контактных токопроводящих элементов с антенной, конструкция и размеры которой выбраны из условия наведения на разряднике, при приближении к защищаемому объекту канала молнии, соответствующего потенциала. Потенциал, наводимый антенной на разряднике, должен быть равен или превышать потенциал срабатывания разрядника к моменту, опережающему момент, когда канал молнии соприкоснется с элементами защищаемого объекта, на время, по меньшей мере, вдвое превышающее длительность срабатывания разрядника.

Для решения широкого круга задач грозозащиты, особенно применительно к ЛЭП, предпочтительным типом разрядника, используемого в грозозащитном устройстве по изобретению, является длинноискровой разрядник (РДИ). Средства формирования в этом разряднике выполнены в виде отрезка кабеля, вдоль поверхности которого при перенапряжении развивается скользящий разряд, и, по меньшей мере, одного электрода, установленного поверх изоляции кабеля в его средней части. Желательно также, чтобы на поверхности участка кабеля между указанным электродом и одним из концов кабеля было нанесено полупроводящее или ребристое покрытие.

В качестве альтернативы, вместо длинноискрового разрядника, в устройстве по изобретению могут быть использованы вентильный разрядник или цепочка из двух или более вентильных разрядников. В последнем случае контактные средства целесообразно установить в средней части указанной цепочки.

Предлагаемое грозозащитное устройство для защиты электротехнического объекта от ударов молнии может быть выполнено на основе любого варианта описанного искрового разрядника. Устройство предпочтительно содержит также контактные средства, выполненные с возможностью подключения антенны одним из своих концов к указанному электроду или к жиле кабеля. Главным отличительным признаком устройства по изобретению является то, что оно дополнительно снабжено антенной, электрически соединенной с одним из средств формирования искрового промежутка или с одним из контактных токопроводящих элементов разрядника.

Конструкция и размеры антенны, а также форма ее соединения с разрядником выбраны из условия наведения на разряднике, при приближении к защищаемому объекту канала молнии, потенциала, равного или превышающего потенциал срабатывания разрядника к моменту, опережающему момент, когда канал молнии соприкоснется с элементами защищаемого объекта, на время, по меньшей мере, вдвое превышающее длительность срабатывания разрядника.

Длительность срабатывания РДИ в типичном случае составляет 10 мкс. Соответственно, момент достижения заданного потенциала, наводимого антенной, должен опережать момент, когда канал молнии соприкоснется с элементами защищаемого объекта, не менее, чем на 30 мкс.

При этом данное устройство должно быть снабжено крепежными средствами для механического прикрепления к защищаемому электротехническому объекту и антенной, электрически соединенной с одним из средств формирования искрового промежутка или с одним из контактных токопроводящих элементов разрядника.

Для решения большинства практических задач длину антенны целесообразно выбирать в интервале от 1 до 20 м. Выбор конкретного значения длины антенны должен производиться с учетом особенностей конкретного случая ее использования. В типичном случае эта длина приближенно может быть определена из следующего соотношения:

где l - длина антенны, м;

U_p - напряжение срабатывания разрядника, кВ;

R - сопротивление утечки, кОм (R<500);

Н - высота нижнего конца канала молнии над землей в момент срабатывания разрядника, м;

α, n - безразмерные параметры, находящиеся в обратной зависимости от расчетного расстояния между местом удара молнии и разрядником, причем параметр α выбирается в интервале от 180 до 6,5, а параметр n – в интервале от 1,4 до 0,8.

Применительно к задаче грозозащиты оборудования подстанций расчетное расстояние для определения длины антенны выбирается в интервале от 0 до 50 м, а значение параметров α и n выбираются соответственно равными 180 и 1,4. Применительно к защите ЛЭП расчетное расстояние превышает указанное значение и составляет около сотни метров. В этом случае значения параметров α и n выбираются соответственно равными 6,5 и 0,8.

Высота Н нижнего конца канала молнии над землей в момент срабатывания разрядника определяется в зависимости от желаемого опережения t момента срабатывания разрядника относительно момента соприкосновения канала молнии с защищаемым объектом. С учетом минимального времени срабатывания реальных разрядников, используемых для грозозащиты ЛЭП (которое составляет около 10 мкс), значение t предпочтительно выбрать не менее 30 мкс, предпочтительно не менее 30...50 мкс. Для обеспечения максимально надежной защиты это значение может быть существенно увеличено, вплоть до 1000 мкс. С учетом того, что на высотах более 50 м канал молнии продвигается примерно со средней скоростью 0,3 м/мкс, значение H для использования в формуле (1) может быть определено из соотношения t≈(30...50)+(Н-50)/0,3. Из этого соотношения следует, что для большинства реальных ситуаций значения Н (м) будут лежать в интервале 50≤H≤300.

Предлагаемая линия электропередачи содержит, по меньшей мере, один провод, находящийся под электрическим потенциалом, по меньшей мере, одну опору, несущую указанный провод, по меньшей мере, один элемент изоляции указанного провода от опоры и/или других элементов линии, находящихся под электрическим потенциалом, отличным от потенциала указанного провода, а также, по меньшей мере, одно грозозащитное устройство на основе искрового разрядника для защиты, по меньшей мере, одного указанного элемента изоляции от грозовых перенапряжений. Главной особенностью линии электропередачи по изобретению является использование в нем грозозащитного устройства по изобретению, в любом из его возможных вариантов осуществления.

Так, могут быть использованы различные модификации грозозащитного устройства, основанные на различных вариантах выполнения длинноискрового разрядника по изобретению. Например, контактные средства длинноискрового разрядника могут быть выполнены с возможностью подключения антенны одним из своих концов к электроду или к жиле кабеля разрядника. При этом на поверхности участка кабеля между электродом и одним из концов кабеля может быть нанесено полупроводящее или ребристое покрытие для предотвращения перекрытия между этим концом кабеля и электродом.

Помимо первого электрода, искровой разрядник может быть снабжен вторым электродом, также установленным поверх изоляции кабеля в его средней части и смещенным относительно первого электрода в направлении одного из концов кабеля. В данном варианте второй электрод связан через искровой разрядный промежуток с проводом линии электропередачи, а антенна электрически соединена с первым электродом. При этом на поверхности участка кабеля между указанным вторым электродом и ближайшим к нему концом кабеля нанесено полупроводящее или ребристое покрытие.

Подобные варианты разрядников могут быть рекомендованы, например, когда концы проводящей жилы кабеля присоединены, по меньшей мере, к одной заземленной конструкции, а указанный первый электрод связан с указанным проводом линии электропередачи по изобретению через искровой разрядный промежуток. В данном варианте линии антенна предпочтительно выполнена в виде отрезка провода и электрически соединена одним из своих концов с первым электродом. В частности, верхний конец жилы кабеля может быть прикреплен к телу опоры линии электропередачи, а нижний конец - к отдельно стоящему, заглубленному в землю электроду. В последнем случае в качестве жилы кабеля целесообразно использовать металлическую оттяжку, имеющую высокую механическую прочность. Тогда в качестве электрода, заглубленного в землю, служит анкер оттяжки.

В альтернативном варианте построения линии концы проводящей жилы кабеля изолированы от заземленных конструкций. В данном варианте первый электрод также связан через искровой разрядный промежуток с проводом линии электропередачи, а антенна электрически соединена одним из своих концов с жилой указанного кабеля.

Согласно другому варианту концы проводящей жилы кабеля присоединены к проводу линии электропередачи, тогда как антенна электрически соединена одним из своих концов с первым электродом, а другим своим концом связана с опорой через искровой разрядный промежуток.

Предусмотрен также вариант, в котором искровой разрядник выполнен с использованием участка изолированного провода линии электропередачи, вдоль поверхности которого при перенапряжении развивается скользящий разряд. В данном варианте искровой разрядник содержит также узел крепления указанного провода линии к изолятору, прокусывающий зажим, установленный на поверхности указанного изолированного провода и подключенный к жиле этого провода на некотором расстоянии от узла крепления, а также электрод, установленный поверх изоляции указанного участка изолированного провода в его средней части между прокусывающим зажимом и узлом крепления и электрически соединенный с одним из концов антенны.

Для обеспечения грозозащиты ЛЭП, содержащей, по меньшей мере, два провода, находящихся под различными электрическими потенциалами, изобретение предусматривает использование грозозащитного устройства, имеющего два длинно-искровых разрядника, выполненных на едином отрезке кабеля и взаимно смещенных по его длине. Один разрядник служит для защиты от перекрытия изоляции одного провода линии, а другой разрядник - для защиты другого провода.

В целях повышения эффективности работы антенны путем повышения наводимого ею потенциала линия электропередачи предпочтительно содержит установленный на вершине опоры опорный изолятор, подсоединенный к антенне и несущий металлический стержень, подключенный к антенне и направленный вверх.

При оснащении грозозащитным устройством по изобретению ЛЭП, уже снабженной грозозащитным тросом, в качестве антенны можно использовать этот трос при условии, что он изолирован от опор при помощи изоляторов.

В том случае, если опора ЛЭП содержит, по меньшей мере, один металлический элемент, изолированный от земли и от других элементов линии электропередачи, антенна может быть подсоединена к указанному металлическому элементу. Тем самым будет достигнуто существенное увеличение эффективной длины антенной системы, т.е. повышение надежности грозозащиты ЛЭП.

Краткое описание чертежей

Заявляемое изобретение иллюстрируется чертежами, на которых:

фиг.1 - схема, поясняющая взаимодействие разрядника с каналом молнии;

фиг.2 - схема ЛЭП с разрядником, расположенным на стойке опоры;

фиг.3 - схема ЛЭП с разрядником, выполненным на оттяжке опоры;

фиг.4 - вид сбоку ЛЭП с двумя разрядниками, выполненными на едином отрезке кабеля;

фиг.5 - схема ЛЭП с разрядником, установленным на проводе, и с грозозащитным тросом в качестве антенны;

фиг.6 - схема ЛЭП с разрядником, установленным на грозозащитном тросе, служащем одновременно и антенной;

фиг.7 - схема ЛЭП среднего класса напряжения с изолированным проводом, используемым также для грозозащиты линии;

фиг.8 - схема защиты оборудования подстанции вентильным разрядником с антенной.

Осуществление изобретения

На фиг.1 показана схема, поясняющая принцип работы грозозащитного устройства по изобретению.

От грозового облака 1 по направлению к земле со скоростью V_к развивается канал 2 молнии, окруженный объемным зарядом 3. Грозозащитное устройство по изобретению, обеспечивающее защиту не изображенного на фиг.1 электротехнического объекта (например, линии электропередачи или подстанции), выполнено на основе искрового разрядника. В представленном на фиг.1 варианте разрядник относится к типу длинноискровых разрядников (РДИ). Соответственно, средства формирования искрового промежутка, образующие основу данного РДИ, включают в себя электрод 5, установленный на поверхности отрезка 7 кабеля в его средней части. Кабель состоит из металлической жилы 8, покрытой слоем изоляции 9. Искровой разрядник по изобретению содержит также антенну 4, выполненную предпочтительно в виде отрезка провода и электрически подключенную своим нижним концом (с помощью не изображенных на чертеже контактных средств, входящих в состав разрядника) к электроду 5. Между антенной 4 и каналом 2 молнии имеется частичная емкость С_ка, через которую под действием высокого потенциала канала молнии U_к между каналом 2 молнии и антенной 4 протекает ток смещения i_см. Поскольку антенна 4 электрически связана с электродом 5, указанный ток протекает далее через емкостное сопротивление между электродом 5 и жилой 8 кабеля и создает на нем напряжение U_а.

По мере приближения канала 2 молнии к земле, переменная емкость С_ка и соответственно ток смещения i_см и напряжение U_а быстро увеличиваются. Поскольку конструкция и размеры антенны выбраны из условия наведения на РДИ, при приближении канала молнии, потенциала, равного или превышающего потенциал срабатывания разрядника, в определенный момент, когда высота нижнего конца канала молнии над землей уменьшится до 50-300 м, значение U_a превысит напряжение срабатывания разрядника. В результате под действием напряжения U_а в РДИ формируется и развивается разряд 6 (в данном случае скользящий разряд), локализованный на поверхности отрезка 7 кабеля и перекрывающий этот отрезок. Опережение t момента срабатывания разрядника относительно момента соприкосновения канала молнии с защищаемым объектом будет определяться скоростью движения канала молнии на малых высотах, в том числе вблизи антенны. При указанных выше значениях Н значение t находится в пределах 30-1000 мкс, т.е. оно может быть выбрано существенно превышающим время срабатывания разрядника любого пригодного типа.

На фиг.2 показана конструктивная схема линии электропередачи (ЛЭП) с грозозащитным устройством по изобретению на основе РДИ по фиг.1, расположенным на стойке одной из опор или единственной опоры 11 линии. Отрезок 7 кабеля при помощи контактных токопроводящих элементов в форме металлических кронштейнов крепится своими концами к опоре 11. Таким образом, кронштейны выполняют также функцию крепежных средств грозозащитного устройства. В средней части отрезка 7 кабеля поверх изоляционного слоя 9 установлен электрод 5. На конце траверсы опоры 11 смонтирован опорный изолятор 13, на котором укреплен электрод 15, образующий, вместе с силовым проводом 10 линии, искровой разрядный промежуток. Провод 10, находящийся под повышенным электрическим потенциалом, подвешен на траверсе опоры 11 посредством изолятора 12 или гирлянды изоляторов. На вершине опоры 11 может быть установлен опорный изолятор 13, на котором вертикально укреплен направленный вверх стержень 14. Антенна 4 натягивается от электрода 5 на отрезке 7 кабеля к электроду 15 искрового разрядного промежутка и далее к металлическому стержню 14. Наличие данного стержня способствует повышению потенциала, наводимого на антенной системе, включающей в себя собственно антенну 4, стержень 14 и электрод 5, при приближении канала 2 молнии (см. фиг.1) к линии. Тем самым гарантируется, что еще до окончательного удара молнии в линию канал скользящего разряда 6 перекрывает весь отрезок 7 кабеля, подключив таким образом антенную систему 5, 4, 14 к опоре 11 через длинный канал разряда 6.

При ударе молнии в опору 11, а более точно в стержень 14, который возвышается над опорой 11, по каналу разряда 6 и далее через тело опоры 11 в землю протекает ток молнии. Если ток молнии небольшой или значение сопротивления заземления низкое, то обратного перекрытия не происходит, и линия продолжает свою работу, испытав незначительное, неопасное для изоляции грозовое перенапряжение. При больших значениях сопротивления заземления опоры 11 возможно обратное перекрытие с опоры 11 на провод 10. В этом случае в представленном на фиг.2 варианте произойдет перекрытие искрового воздушного промежутка между электродом 15 и проводом 10. Таким образом, провод 10 подключается к опоре 11 через весьма длинный канал перекрытия вдоль отрезка 7 кабеля, а также канал разряда 6 (т.е. канал перекрытия искрового воздушного промежутка между электродом 15 и проводом 10).

Аналогично развиваются процессы и при ударе молнии в провод 10. Еще до соприкосновения канала молнии с проводом 10 отрезок 7 кабеля перекрывается каналом скользящего разряда 6. После касания каналом 2 молнии (см. фиг.1) провода 10 происходит перекрытие искрового промежутка с провода 10 линии на электрод 15.

Таким образом, и в том, и в другом случае опора 11 и провод 10 линии электропередачи оказываются связанными через длинный канал разряда 6, образующего искровое перекрытие, и к гирлянде изоляторов 12 линии оказывается приложенным только напряжение, равное падению напряжения в цепи разрядника, состоящей из антенны 4 и канала разряда 6. Этого напряжения недостаточно для перекрытия гирлянды 12 изоляторов, и она не перекрывается. После прохождения тока грозового перенапряжения через канал перекрытия разрядника протекает сопровождающий ток промышленной частоты. В момент перехода тока через ноль дуга гаснет, и линия продолжает бесперебойную работу без отключения.

На фиг.3 показан вариант исполнения линии электропередачи, в котором в качестве жилы кабеля используется металлическая оттяжка. Эта оттяжка своим верхним концом прикреплена к телу опоры 11, а нижним - к анкеру 16, который одновременно является и отдельно стоящим, заглубленным в землю электродом-заземлителем. В этом варианте исполнения металлическая жила 8 отрезка 7 кабеля выполнена из стального троса для обеспечения необходимой высокой механической прочности. Принцип работы и, соответственно, порядок определения параметров грозозащитного устройства в этом варианте аналогичен варианту по фиг.2. Вариант выполнения грозозащитного устройства по фиг.3, по сравнению с вариантом по фиг.2, обладает более низкой стоимостью, поскольку в нем функции жилы кабеля разрядника и механической оттяжки совмещены. Однако он пригоден лишь для вновь проектируемых и строящихся ЛЭП, в то время, как вариант по фиг.2 пригоден также и для линий, уже находящихся в эксплуатации.

В альтернативном варианте выполнения длинноискрового разрядника, показанного на фиг.2 или 3, он может быть снабжен вторым электродом, установленным поверх изоляции кабеля в его средней части и смещенным относительно первого электрода 5 в направлении одного из концов отрезка 7 кабеля. В этом случае антенна 4 с помощью соответствующих контактных средств электрически соединена с одним из этих двух электродов (например, с электродом 5), а электрод 15 - со вторым (не изображенным) электродом. При этом между указанным вторым электродом и соответствующим ему концом кабеля рекомендуется нанести полупроводящее или ребристое покрытие.

На фиг.4 показан вариант исполнения линии электропередачи по изобретению, которая содержит, по меньшей мере, два провода 10, соответствующих, например, двум фазам линии электропередачи. В данном варианте грозозащитное устройство ЛЭП снабжено двумя разрядниками, выполненными на едином отрезке 7 кабеля, причем жила 8 кабеля изолирована от опоры 11 и от земли при помощи изоляторов 13 и соединена (посредством не изображенных на фиг.4 контактных средств) с антенной 4 и через нее - со стержнем 14. Таким образом, в этом варианте исполнения антенная система образована собственно антенной 4, стержнем 14, а также весьма длинным отрезком жилы 8 отрезка 7 кабеля, что существенно увеличивает ее размер и соответственно эффективность.

Каждый разрядник снабжен электродом 5, установленным поверх изоляции отрезка 7 кабеля. На опоре 11 смонтированы два опорных изолятора 13 (по одному для каждого провода 10, т.е. для каждой фазы). На каждом изоляторе 13 укреплен электрод 15 разрядника, образующий, вместе с силовым проводом 10, искровой разрядный промежуток и электрически соединенный проводником 18 с соответствующим электродом 5. Таким образом, разрядник, выполненный на верхней части кабеля, защищает от грозовых перенапряжений верхнюю фазу ЛЭП, а разрядник на нижней части кабеля служит для защиты нижней фазы. Для устранения возможности перекрытия между электродами 5 между ними на поверхности изоляционного слоя 9 отрезка 7 кабеля нанесено ребристое покрытие 17.

Принцип действия этого варианта грозозащитного устройства заключается в следующем. При приближении канала молнии к линии электропередачи на антенной системе 14, 4, 8 наводится высокий потенциал. Поскольку емкости электродов 5 обоих разрядников относительно жилы 8 достаточно велики по сравнению с их емкостями на землю, на электродах 5 также возникает высокий потенциал. Потенциал проводов 10 верхней и нижней фаз практически равен нулю. Поскольку электроды 15 искровых промежутков связаны с электродами 5, между электродами 15 и проводами 10 возникает высокое напряжение. При достижении напряжения определенной величины искровые промежутки между электродами 15 и проводами 10 пробиваются и электроды 5 на поверхности кабеля оказываются подключенными через каналы разряда 6 к соответствующим проводам 10 ЛЭП. Поскольку провода 10 имеют практически нулевой потенциал, электроды 5 также принимают нулевой потенциал, и между ними и жилой 8 отрезка кабеля 7 возникает высокое напряжение. Под действием этого напряжения вдоль отрезка 7 кабеля развиваются каналы скользящего разряда 6, которые своевременно перекрывают верхнюю и нижнюю части кабеля.

При соприкосновении канала молнии со стержнем 14 или с одним из проводов 10 каналом разряда 6 перекрывается изолятор 13, при помощи которого отрезок 7 кабеля крепится к анкеру-заземлителю 16. В случае удара молнии в стержень 14 ток молнии протекает по стержню 14, по антенне 4, по жиле 8 кабеля, по каналу разряда 6 и через заземлитель 16 в землю. При этом провода 10 линии также оказываются подключенными к земле через каналы разряда 6, обеспечивающие перекрытие искровых воздушных промежутков между проводами 10 и электродами 15, проводники 18, электроды 5 и каналы разрядов 6 по поверхности отрезка 7 кабеля и изолятора 13.

Аналогично протекают процессы в случае удара молнии в один из проводов 10 ЛЭП. И в том, и в другом случае после окончания протекания тока грозового перенапряжения по каналам разряда протекают сопровождающие токи промышленной частоты. Однако благодаря большой суммарной длине каналов разряда 6, соединяющих провода 10 с землей, при первом переходе тока промышленной частоты через ноль дуга гаснет, и линия продолжает работу без отключения.

На фиг.5 показана схема ЛЭП с разрядником, установленным на проводе, и с грозозащитным тросом в качестве антенны. Отрезок 7 кабеля своими концами крепится к проводу 10 ЛЭП. На поверхности изоляции 9 отрезка 7 кабеля установлен электрод 5, к которому одним своим концом через соответствующие контактные средства подключена антенна 4. Другим своим концом антенна 4 через натяжной изолятор 13 прикреплена к вершине опоры 11. Для повышения эффективности антенны 4 она может дополнительно присоединяться к грозозащитному тросу 20, который изолирован от опоры 11 при помощи изолятора 13. На том конце изолятора 13, к которому крепится антенна 4, установлен электрод 15. Этот электрод обеспечивает формирование искрового разрядного промежутка между антенной 4 и опорой 11. Для сокращения общей длины отрезка 7 кабеля, а также для того, чтобы в нормальном рабочем режиме напряжение промышленной частоты было приложено к изолятору 13, а не к изоляции 9 кабеля, на поверхность отрезка 7 кабеля между электродом 5 и одним из концов отрезка кабеля может быть нанесено полупроводящее покрытие 19.

При приближении канала молнии к линии на антенне 4 и на подключенном к ней электроде 5 наводится высокий потенциал. В результате между электродом 5 и жилой 8 отрезка 7 кабеля возникает высокое напряжение, под действием которого по поверхности кабеля развивается скользящий разряд 6. При наличии полупроводящего покрытия 19 разряд развивается только в сторону, свободную от полупроводящего покрытия 19. После перекрытия каналом 6 отрезка 7 кабеля при дальнейшем приближении канала молнии к линии и, соответственно, при дальнейшем нарастании напряжения на антенне 4 и связанном с ней электроде 15 происходит перекрытие искрового воздушного промежутка между электродом 15 и опорой 11. Таким образом, провод 10 линии оказывается связанным с опорой 11 через длинный канал разряда 6. Далее процессы развиваются так же, как в рассмотренных ранее вариантах.

Данный вариант обладает наименьшей стоимостью из рассмотренных вариантов, поскольку при прочих равных условиях для его реализации требуется лишь один натяжной полимерный изолятор 13, а не опорные изоляторы, как в вариантах по фиг.2-4. Однако недостатком этого варианта по сравнению с вариантами, представленными на фиг.2-4, можно считать более высокую трудоемкость в установке разрядника на линию, поскольку в этом варианте требуется монтировать разрядник на провод ЛЭП, что более сложно, чем установка разрядника на опору.

Целесообразность применения того или иного варианта зависит от конкретных условий и возможностей энергосистем.

На фиг.6 приведена схема линии электропередачи с разрядником в виде отрезка 7 кабеля, установленным на грозозащитном тросе 20, служащем одновременно и в качестве антенны 4. Грозозащитные тросы 4, 20 натянуты между двух опор 11 при помощи натяжных изоляторов 13. Изоляторы 13 шунтированы искровыми промежутками, образованными электродами 15, соединенными с тросом 20, и опорой 11. Отрезок 7 кабеля включен в рассечку троса 20. Таким образом, жила 8 кабеля является частью грозозащитного троса 20. В средней части отрезка 7 кабеля поверх его изоляции 9 установлен электрод 5, который проводящим спуском 23 подключен к проводу 10 линии. Для уменьшения величины напряжения промышленной частоты в случае загрязнения и увлажнения изоляторов 13 на участок кабеля от электрода 5 до правого конца отрезка 7 кабеля нанесено полупроводящее покрытие 19. Покрытие 19 имеет общее сопротивление, существенно меньшее, чем суммарное сопротивление загрязненных и увлажненных изоляторов. Поэтому практически все напряжение промышленной частоты оказывается приложенным к изоляторам 13, а не к изоляции 9.

При приближении молнии к линии на антенне наводится высокий потенциал и между электродом 5 и жилой 8 кабеля возникает высокое напряжение. Под действием этого напряжения развивается канал скользящего разряда 6, который перекрывает отрезок 7 кабеля. При дальнейшем увеличении потенциала антенны, т.е. тросов 4, 20, происходит перекрытие воздушного промежутка между электродом 15 и опорой 11, так что защищаемые изоляторы 12 и воздушный промежуток между проводом 10 и тросом 20 оказываются шунтированными каналами разряда 6 (т.е. скользящего разряда и разряда через искровой промежуток) и не перекрываются. После прохождения тока грозового перенапряжения на землю каналы разряда 6 гаснут, и линия продолжает бесперебойную работу без отключения.

Рассмотренный вариант исполнения наиболее целесообразен для грозозащиты весьма длинных (порядка 1-2 км) переходов ЛЭП через реки. В этом случае обычные разрядники или ОПН, установленные на анкерных опорах пролета перехода, не успевают защитить воздушный промежуток между тросом и проводом в пролете от перекрытия вследствие относительно большого времени пробега электромагнитных волн от места удара молнии в трос к опоре, где установлен разрядник или ОПН, и обратно от опоры до места удара.

Для наиболее эффективной работы антенны ее целесообразно располагать выше других заземленных элементов линии электропередачи. При этом ее необходимая длина минимальна. Однако в некоторых случаях, по конструктивным соображениям, антенна может быть расположена и ниже, чем заземленные элементы ЛЭП. Для достижения необходимо высокого наведенного потенциала на ней в этом случае длина антенны должна быть существенно увеличена. Тем не менее, увеличение длины антенны в указанном случае может быть оправдано достижением значительных конструктивных преимуществ. В качестве примера на фиг.7 приведена схема ЛЭП среднего класса напряжения с изолированным проводом, используемым также в составе грозозащитного устройства по изобретению. Изолированный провод 10 прикреплен при помощи узла 22 крепления к изолятору 12, установленному на проводящей опоре 11. На некотором расстоянии от изолятора установлен прокусывающий зажим 21, который прокусывает изоляцию 9 провода 10 и подключается к жиле 8 провода. В средней части участка провода между прокусывающим зажимом 21 и узлом 22 крепления провода на поверхности изоляции 9 изолированного провода 10 установлен электрод 5. К нему одним из своих концов подключена антенна 4. Другим своим концом антенна 4 через натяжной изолятор 13 присоединена к опоре 11. В этом варианте сам изолированный провод 10 линии играет роль кабеля разрядника.

Так же, как в рассмотренных ранее вариантах, при приближении канала молнии к линии на антенне 4 возникает высокий потенциал, а между электродом 5 и жилой 8 - высокое напряжение, под действием которого с электрода 5 в обе стороны развиваются каналы скользящего разряда 6. Слева от электрода 5 канал разряда 6 замыкается на узле крепления, а справа от электрода 5 - на прокусывающем зажиме 21. Таким образом, между узлом 22 крепления и прокусывающим зажимом 21 устанавливается проводящая связь через левый участок канала разряда 6, электрод 5 и правый участок канала разряда 6. При дальнейшем повышении напряжения на антенне 4, а значит и на узле 22 крепления, который связан с антенной через канал разряда 6, происходит перекрытие изолятора 12. Таким образом, жила 8 изолированного провода оказывается связанной с опорой и далее с землей через весьма длинный канал разряда 6 (канал перекрытия), по которому протекает ток грозового перенапряжения. После прохождения грозового перенапряжения канал разряда гаснет и линия продолжает работу без отключения.

Как видно, в этом варианте исполнения антенна 4 расположена ниже проводов, находящихся под нулевым потенциалом. Расчеты (принципы проведения которых будут описаны далее) показывают, что необходимый потенциал для срабатывания разрядника на антенне достигается при ее длине 5 м, в то время, как при расположении антенны над проводами такой же потенциал достигается при длине антенны 1,5 м. Но во втором случае для размещения антенны потребуется дополнительная стойка, укрепленная на опоре, так что в целом это решение может оказаться более дорогим.

На фиг.8 показана схема защиты оборудования 27 подстанции грозозащитным устройством на основе вентильного разрядника с антенной. Вентильный разрядник (ВР) состоит из искровых промежутков 24 и из включенных с ними последовательно нелинейных резисторов 25. Искровые промежутки 24 и резисторы 25 заключены в изоляционный (фарфоровый) корпус 26. В настоящее время ВР являются основным средством защиты оборудования 27 от грозовых перенапряжений. Для классов напряжения 110 кВ и выше ВР собираются в виде последовательно соединенных модулей, как это показано на фиг.8 (см. также "Техника высоких напряжений". Под общей ред. Д.В.Разевига. Изд. 2-е, перераб. и доп.М., “Энергия”, 1976, стр.301). Наличие искровых промежутков, отделяющих рабочее нелинейное сопротивление разрядника от сети, не позволяет обеспечить глубокое ограничение перенапряжений, т.к. разрядные напряжения искровых промежутков возрастают при воздействии импульсов напряжения с крутым фронтом.

В случае выполнения грозозащитного устройства по изобретению с антенной 4, подключенной, через соответствующие контактные средства, к средней части цепочки модулей ВР, при приближении канала молнии к подстанции искровые промежутки, по меньшей мере, половины модулей ВР перекрываются каналами разряда 6 еще до удара молнии в ЛЭП. Таким образом, вольт-секундная характеристика ВР с антенной существенно улучшается.

Аналогичным образом грозозащитное устройство по изобретению может быть построено с использованием цепочки модулей простых стержневых разрядников, к средней части которой подключена антенна.

Напряжение, наводимое на разряднике по изобретению благодаря подключенной к нему антенне, зависит, в основном, от длины антенны, ее расположения, сопротивления R утечки поддерживающих антенну загрязненных и увлажненных изоляторов и от места удара молнии (непосредственно вблизи антенны или на удалении от нее). В каждый конкретный момент времени напряжение на разряднике зависит также от высоты головки канала молнии над землей, т.е. от расстояния между этим каналом и антенной. Поскольку скорость продвижения канала молнии известна (она составляет, в среднем, 3·10⁵ м/с), потенциал антенны однозначно связан с остающимся интервалом времени до момента соприкосновения канала молнии с линией электропередачи. Очевидно, что чем ближе момент соприкосновения канала молнии с каким-либо компонентом ЛЭП или антенной системы, тем больше величина наведенного на антенне потенциала.

Выполненные расчеты показали, что при расположении антенны над проводами ЛЭП минимально необходимая длина антенны, обеспечивающая своевременное опережающее срабатывание искрового разрядника, может быть приближенно определена из следующего соотношения:

где l - длина антенны, м;

U_p - напряжение срабатывания разрядника, кВ;

R - сопротивление утечки, кОм; (R<500);

Н - высота нижнего конца канала молнии над землей, м.

α, n - безразмерные параметры.

Расчеты выполнены при изменении высоты Н нижнего конца молнии над землей в момент срабатывания разрядника в пределах 300-50 м. Известно, что при таких высотах канал молнии продвигается примерно со средней скоростью 0,3 м/мкс. При дальнейшем приближении канала молнии к линии скорость канала возрастает, и, кроме того, с линии возникают встречные лидеры, которые проходят свою часть пути и встречаются с нисходящим лидером. Приближенно время, необходимое для перекрытия конечного участка между каналом молнии и линией, можно оценить в 30...50 мкс. Таким образом, опережение t момента срабатывания разрядника относительно момента соприкосновения молнии с защищаемым объектом можно оценить по формуле

Из соотношения (2), задавая значение t с учетом конкретных условий и требуемой надежности грозозащиты можно определить значение Н для подстановки в формулу (1). Как уже указывалось, минимальное опережение, с учетом конечной длительности срабатывания разрядника, составляет 30-50 мкс (что соответствует Н=50 м).

Параметры α, n находятся в обратной зависимости от расчетного расстояния между местом удара молнии и разрядником, т.е. уменьшаются (плавно или дискретно) с увеличением этого расстояния.

Выбор характера изменения и конкретных значений этих параметров среди других факторов определяется типом защищаемого объекта. Грозозащитные устройства по изобретению могут быть установлены как на подстанции для защиты подстанционного оборудования, так и на линии электропередачи. В первом случае следует учитывать только опасность удара молнии в подстанцию, т.е. в непосредственной близости от разрядника. Во втором случае необходимо учитывать также, что удар молнии может произойти в пролете ЛЭП, т.е. на значительном расстоянии от разрядника. В упрощенном варианте расчетов применительно к первому случаю значения параметров α, n могут быть выбраны соответственно максимальными, а применительно ко второму - минимальными.

С учетом различных переменных и трудно поддающихся учету факторов (например, наличия на компонентах ЛЭП и/или грозозащитного устройства каких-либо загрязнений, влияющих на их электрические параметры) значение t опережения срабатывания разрядника может быть увеличено вплоть до 1000 мкс. Такое увеличение, естественно, будет означать увеличение значения Н и, как это следует из формулы (1), увеличение длины антенны. Очевидно, что уменьшение периода опережения повышает требования к быстродействию искрового разрядника, а его увеличение приводит к его конструктивному усложнению, например к увеличению длины антенны.

Значения минимально необходимой длины антенны для разных номинальных классов напряжения защищаемого объекта, рассчитанные по формуле (1), приведены в Таблице. Результаты расчетов приведены для случая, когда антенна расположена выше других заземленных элементов защищаемого объекта. Рассмотрены варианты установки грозозащитных устройств с антенной как на подстанции (в этом случае минимально необходимая длина антенны обозначается как l_под), так и на ЛЭП (в этом случае минимально необходимая длина антенны обозначается как I_лин). Значения коэффициентов в этих двух случаях принимались соответственно равными α_под=180; n_под=1,4 и α_лин=6,5; n_лин=0,8.

Расчеты проведены для различных номинальных значений электрического потенциала, под которым находится защищаемый объект, т.е. для разных классов напряжения, при значении опережения момента срабатывания разрядника, равном 170 мкс, и сопротивлении утечки R=300 кОм. При этом приведенные данные относятся к случаям использования в грозозащитном устройстве как РДИ типа, показанного на фиг.1, 2, так и вентильного разрядника типа, представленного на фиг.8.

Таблица.
Расчетные значения длины антенныU_ном, кBU_вp, кВl_под., мl_изол, мU_50%,кВU_рди, кВl_лин., мl_макс=l_пр., м390,10,160502,530б170,20,1590803,95010280,30,17102904,47020650,70,21201004.990351051,10,42401507,41201102652,81,27202009,82001503703,91,59002009,82502205155,42120025012,33003307007,43180030014,7400500120012,75300040019,6450750150015,87420050024,5500

В таблице использованы следующие обозначения:

U_ном - номинальное напряжение, действующее значение;

U_вp - напряжение срабатывания вентильного разрядника;

l_под - минимально необходимая длина антенны для установки на подстанционном разряднике;

l_лин - минимально необходимая длина антенны для установки на ЛЭП;

U_50%, - 50%-ное разрядное напряжение линейной изоляции при воздействии грозового импульса;

U_рди - разрядное напряжение длинноискрового разрядника, предназначенного для защиты линейной изоляции,

I_np. - длина пролета ЛЭП;

l_макс - реально максимальная длина антенны.

Из результатов расчетов видно, что, в зависимости от типа и характеристик защищаемого объекта (прежде всего от его класса напряжения), минимально необходимая длина антенны варьируется в очень широких пределах (0,1-24,5 м). Однако с учетом конструктивных соображений и сокращения количества типоразмеров антенн рекомендуемый предпочтительный диапазон значений длины антенны целесообразно выбрать соответствующим 1-20 м.

В качестве примера рассмотрим вариант исполнения грозозащиты ЛЭП 35 кВ с использованием длинноискрового разрядника (РДИ). Для исключения перехода импульсного разряда по поверхности РДИ в силовую дугу тока промышленной частоты длина перекрытия должна быть около 5 м (Г.В.Подпоркин, В.Е.Пильщиков, А.Д.Сиваев, "Грозозащита воздушных линий 10 кВ длинноискровыми разрядниками модульного типа", “Электричество”, 2002 г, №4, стр.8-15).

Гирлянда ЛЭП 35 кВ из трех изоляторов имеет длину порядка 0,4 м. Примерно такую же длину изоляционной части имеют полимерные подвесные линейные изоляторы. Импульсное разрядное напряжение линейной изоляции и в том, и в другом случае составляет приблизительно 240-300 кВ. Импульсное разрядное напряжение скользящего разряда по поверхности кабеля с длиной пути перекрытия L=5 м равно примерно 150 кВ. Таким образом, при установке грозозащитного устройства по изобретению на основе РДИ с длиной перекрытия 5 м и с антенной длиной 7,4 м параллельно изолятору (с длиной перекрытия 0,4 м) при воздействии стандартного импульса напряжения 1,2/30 мкс обеспечивается своевременное срабатывание РДИ (предотвращающее перекрытие изолятора). Другими словами, обеспечивается координированная работа разрядника с защищаемой изоляцией.

Расчеты, выполненные по формуле (1), как для случая удара молнии в опору, так и для случая удара молнии в провод, показывают, что в варианте по фиг.2 при длине антенны l=7,4 м и сопротивлении утечки изоляторов R=300 кОм напряжение на разряднике превышает 150 кВ уже при высоте молнии над землей 50 м, т.е. за 30-50 мкс до того, как канал молнии соприкоснется с линией электропередачи. Соответственно разрядник перекроется еще до непосредственного контакта канала молнии с линией электропередачи, поскольку для его срабатывания требуется около 10 мкс.

Приведенные в настоящем описании изобретения варианты и модификации выполнения грозозащитного устройства и используемого в нем искрового разрядника, а также линии электропередачи, содержащей грозозащитное устройство по изобретению, даны лишь для пояснения их конструкции и принципов работы. Специалистам в данной области техники должно быть понятно, что возможны и другие варианты, а также модификации представленных вариантов, которые также охватываются формулой изобретения. Например, в состав антенной системы могут входить элементы опоры линии электропередачи, изолированные от земли и других элементов электропередачи, находящихся под напряжением, например металлическая траверса опоры на изоляционных стойках. Линия электропередачи по изобретению может иметь множество грозозащитных устройств (по одному на каждую опору или на каждый провод, в случае многофазной линии). При этом в состав грозозащитных устройств одной линии электропередачи могут входить искровые разрядники различных типов, включенные по различным схемам, только некоторые из которых приведены в данном описании и на прилагаемых чертежах.

Настоящее изобретение относится к области высоковольтной техники, а более конкретно к устройствам грозозащиты и к линиям электропередачи, снабженным устройствами грозозащиты. Устройство грозозащиты содержит антенну, электрически соединенную с искровым разрядником, который может быть выполнен на основе одного или нескольких разрядников известного типа (стержневого или вентильного разрядника, но предпочтительно длинно-искрового). Конструкция и размеры антенны, а также форма ее соединения с разрядником выбираются из условия наведения на разряднике, при приближении к защищаемому объекту канала молнии, потенциала, равного или превышающего потенциал срабатывания разрядника, до того, как канал молнии соприкоснется с элементами защищаемого объекта. Антенна может быть выполнена в виде отрезка провода с длиной, зависящей от класса напряжения защищаемой линии, расчетного расстояния от места удара молнии до разрядника и других факторов, предпочтительно длина антенны выбирается в диапазоне 1-20 м. Для повышения эффективности ее работы верхний конец антенны может быть подсоединен к опорному изолятору, установленному на вершине опоры и снабженному направленным вверх металлическим стержнем. Альтернативно, в качестве антенны могут быть использованы металлическая оттяжка опоры, изолированная от других элементов электропередачи металлическая траверса или грозозащитный трос. Изобретение обеспечивает срабатывание грозозащитного устройства с заданным опережением относительно момента удара молнии в объект. 2 н. и 29 з.п. ф-лы, 1 табл., 8 ил.

1. Грозозащитное устройство для защиты электротехнического объекта от ударов молнии, выполненное на основе искрового разрядника, содержащее средства формирования искрового промежутка, через который при перенапряжении происходит развитие защитного искрового перекрытия, и контактные токопроводящие элементы, причем устройство снабжено крепежными средствами для механического прикрепления к указанному электротехническому объекту, отличающееся тем, что устройство дополнительно снабжено антенной, электрически соединенной с одним из средств формирования искрового промежутка или с одним из контактных токопроводящих элементов разрядника, при этом конструкция и размеры антенны, а также форма ее соединения с разрядником выбраны из условия наведения на разряднике, при приближении к защищаемому объекту канала молнии, потенциала, равного или превышающего потенциал срабатывания разрядника к моменту, опережающему момент, когда канал молнии соприкоснется с элементами защищаемого объекта, на время, по меньшей мере, вдвое превышающее длительность срабатывания разрядника.2. Грозозащитное устройство по п.1, отличающееся тем, что в качестве разрядника выбран длинно-искровой разрядник.3. Грозозащитное устройство по п.2, отличающееся тем, что указанные средства формирования в разряднике выполнены в виде отрезка кабеля, вдоль поверхности которого при перенапряжении развивается скользящий разряд, и, по меньшей мере, одного, первого электрода, установленного поверх изоляции кабеля в его средней части.4. Грозозащитное устройство по п.3, отличающееся тем, что содержит контактные средства, выполненные с возможностью подключения антенны одним из своих концов к указанному электроду или к жиле кабеля.5. Грозозащитное устройство по п.3, отличающееся тем, что в разряднике на поверхности участка кабеля между указанным электродом и одним из концов кабеля нанесено полупроводящее или ребристое покрытие.6. Грозозащитное устройство по п.5, отличающееся тем, что разрядник дополнительно снабжен вторым электродом, установленным поверх изоляции кабеля в его средней части.7. Грозозащитное устройство по п.6, отличающееся тем, что в разряднике на поверхности участка кабеля между указанным вторым электродом и ближайшим к нему концом кабеля нанесено полупроводящее или ребристое покрытие.8. Грозозащитное устройство по п.1, отличающееся тем, что в качестве разрядника выбран вентильный разрядник.9. Грозозащитное устройство по п.1, отличающееся тем, что разрядник представляет собой цепочку из, по меньшей мере, двух вентильных разрядников, причем в средней части указанной цепочки установлены контактные средства для электрического соединения с антенной.10. Грозозащитное устройство по любому из пп.1-9, отличающееся тем, что длина антенны выбрана в интервале от 1 до 20 м.11. Грозозащитное устройство по любому из пп.1-9, отличающееся тем, что длина антенны выбрана из соотношения

где l - длина антенны, м;

U_p - напряжение срабатывания разрядника, кВ;

R - сопротивление утечки, кОм (R<500);

Н - высота нижнего конца канала молнии над землей, (50≤Н≤300) в момент срабатывания разрядника, м;

α, n - безразмерные параметры, находящиеся в обратной зависимости от расчетного расстояния между местом удара молнии и разрядником, причем параметр α выбирается в интервале от 180 до 6,5, а параметр n - в интервале от 1,4 до 0,8.