УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЗАЩИТЫ ОТ ПЕРЕНАПРЯЖЕНИЙ Российский патент 2010 года по МПК H02H9/06 

Изобретение относится к высоковольтной технике, а именно к устройствам для защиты электроустановок от грозовых и внутренних перенапряжений, и может быть использовано преимущественно в ограничителях перенапряжений нелинейных (ОПН), содержащих колонку последовательно соединенных нелинейных резисторов (варисторов) с высоким коэффициентом нелинейности.

В настоящее время является актуальным разработка ОПН со сниженным уровнем ограничения перенапряжения. Это связано с тем, что состояние высоковольтного энергетического оборудования в Российской Федерации характеризуется высокой степенью его изношенности. В частности, уровни электрической прочности изоляции силовых трансформаторов на многих подстанциях снижены на 10-20%. Поскольку современное состояние экономики и электротехнической промышленности не позволяет в массовом порядке проводить ремонты и замены высоковольтного оборудования электрических станций и подстанций, то применение защитных аппаратов со сниженным уровнем ограничения перенапряжений является вполне актуальной проблемой.

Известны конструкции устройств для защиты от перенапряжений, в которых достигается снижение уровня остающегося напряжения за счет включения параллельно части нелинейных резисторов искровых промежутков (см., например, патент №2009596, 1992.04.30, патентообладатели Бронников В.И., Паин А.А., Сметанин В.Н.).

Данное устройство содержит подключенные между защищаемым объектом и землей соединенные последовательно нелинейные резисторы, а также искровые промежутки, шунтирующие часть нелинейных резисторов. При этом параллельно части нелинейных резисторов подключены пары последовательно включенных искровых промежутков, параллельно одному из которых в каждой паре включены последовательно соединенные резистор и цепочка из параллельно соединенных друг с другом коммутатора и конденсатора, общая точка которых соединена через другое сопротивление с нелинейным резистором, причем отношение сопротивлений нелинейных резисторов пропорционально отношению пробивных напряжений шунтирующих их искровых промежутков.

В данном устройстве при различных видах перенапряжений обеспечиваются различные режимы работы. При воздействии длительных перенапряжений с малыми токами искровые промежутки не пробиваются, при этом в электрическую цепь протекания тока включены все последовательно соединенные нелинейные резисторы. В режиме протекания больших импульсных токов при коммутационных или грозовых перенапряжениях искровые промежутки пробиваются и часть нелинейных резисторов шунтируется ими. При этом указанная часть резисторов оказывается не включенной в электрическую цепь протекания тока, вследствие чего остающееся напряжение уменьшается пропорционально числу отключенных резисторов.

Недостатком данного решения является недостаточно эффективное использование входящих в его состав нелинейных резисторов, поскольку не во всех режимах работы устройства используется вся совокупность нелинейных резисторов.

Наиболее близкой к заявленному, взятой за прототип, является конструкция устройства для защиты от перенапряжений, содержащая подключенную между защищаемым объектом и землей колонку высоконелинейных варисторов, а также коммутаторы, шунтирующие часть высоконелинейных варисторов. Шунтирование части варисторов при перенапряжениях позволяет обеспечить более глубокое ограничение грозовых и внутренних перенапряжений, например ОПНИ-500 У 1 (А.И.Афанасьев, И.М.Богатенков, Н.И.Фейзуллаев. Аппараты для ограничения перенапряжений в высоковольтных сетях: Учебное пособие. СПб.: Изд-во СПбГТУ, 2000, с.103, рис.3.14д, рис.3.17д.). Данное устройство состоит из двух рядом стоящих конструкций, представляющих собой фарфоровые покрышки - основной конструкции и искровой приставки. Внутри основной конструкции помещена колонка последовательно соединенных варисторов, часть которых через высоковольтный вывод на боковой поверхности и перемычку соединена с искровой приставкой, внутри которой помещены последовательно соединенные коммутаторы в виде искровых промежутков. При воздействии рабочего напряжения через варисторы протекает малый ток, падения напряжения на нижней части колонки варисторов недостаточно для пробоя искровых промежутков элемента. При этом в последовательную электрическую цепь протекания тока включены все варисторы. В режиме протекания больших токов, при грозовых и внутренних перенапряжениях, падение напряжения на нижней части колонки варисторов резко возрастает. Искровые промежутки пробиваются и шунтируют нижнюю часть колонки варисторов. При этом большой ток в режиме перенапряжения течет через верхнюю часть колонки варисторов, перемычку и пробившиеся искровые промежутки на землю, минуя варисторы нижней части колонки, вследствие чего остающееся напряжение уменьшается пропорционально числу отключенных варисторов.

Недостатками данной конструкции являются, во-первых, значительные габаритные размеры, обусловленные наличием отдельно стоящей искровой приставки, и необходимость выполнения высоковольтного вывода на боковой поверхности основной конструкции.

Во-вторых, наиболее существенным недостатком является значительное ухудшение распределения напряженности электрического поля вдоль колонки варисторов из-за наличия дополнительных паразитных емкостей между варисторами основной конструкции и искровыми промежутками приставки, расположенной в зоне высоковольтного электрического поля основной конструкции. В результате на группе варисторов, расположенной в зоне наибольшей напряженности электрического поля, наводится дополнительное напряжение, в сумме превышающее наибольшее длительно допустимое напряжение, т.е. нарушается режим «напряжение-время», что приводит к увеличению тепловой нагрузки данной группы варисторов, и в результате сокращается срок службы всего аппарата. Как показывают расчеты по методике [Электрические аппараты высокого напряжения: Учебное пособие для вузов. Г.Н.Александров, В.В.Борисов, В.Л.Иванов и др. Под ред. Г.Н.Александрова. Л.: Энергоатомиздат, 1989 г. 344 с. Демьяненко К.Б., Сергеев А.С. Исследование стабильности высоконелинейных оксидно-цинковых резисторов при воздействии длительно приложенного напряжения промышленной частоты. Электротехника. 1984 г. №9. С.25-28], увеличение тепловой нагрузки и, как следствие, увеличение температуры данной группы варисторов по сравнению с окружающей средой, например, в 2 раза (с 20°С до 40°С) приводит к сокращению срока службы аппарата более чем в 4 раза. Анализ распределения напряженности электрического поля проводился в программе COMSOL Multiphysics v3.4 и показал, что неравномерность распределения напряженности электрического поля вдоль колонки варисторов с искровой приставкой доходит до 30%, что превышает допустимые значения, т.к. по ГОСТ Р 52725-2007 неравномерность распределения напряженности электрического поля должна быть не более 15%. Ухудшение распределения напряженности электрического поля по колонке варисторов основного элемента в процессе длительной эксплуатации под рабочим напряжением приводит к ухудшению изоляции и к снижению уровня защитных характеристик ограничителя. В этом случае существует реальная угроза выхода из строя трансформатора, замена которого является дорогостоящей и сложной операцией, поскольку стоимость одного трансформатора может достигать нескольких тысяч евро, и, соответственно, к уменьшению срока службы ограничителя.

Задачей заявляемого изобретения являются повышение надежности работы устройства, увеличение срока службы и сокращение габаритных размеров.

Поставленная цель достигается за счет того, что в известном устройстве для защиты от перенапряжений, содержащем колонку последовательно соединенных высоконелинейных варисторов, а также коммутаторы, шунтирующие часть высоконелинейных варисторов, зашунтированная часть высоконелинейных варисторов конструктивно разделена на отдельные блоки, состоящие из варистора, коммутатора, изолирующей шайбы и электрических соединений, обеспечивающих шунтирование варистора коммутатором и последовательное соединение всех блоков, при этом все блоки установлены в одну колонку с незашунтированной частью высоконелинейных варисторов, установленную в изоляционном корпусе.

Достижение указанных технических результатов обеспечивается за счет того, что разбиение зашунтированной части конструкции на блоки высоконелинейных варисторов и коммутаторов с электрическими соединениями и изолирующими шайбами обеспечивает достижение максимального уменьшения разности потенциалов на элементах зашунтированной части конструкции и, как следствие, исключения коронных разрядов, а конструктивное объединение всех групп в одну колонну обеспечивает уменьшение неравномерности распределения напряженности электрического поля вдоль колонки варисторов и коммутаторов, так по расчетам - неравномерность распределения напряженности электрического поля в заявленной конструкции не превышает 12%.

Сопоставительный анализ с прототипом показывает, что в заявленном устройстве новым является разбиение зашунтированной части конструкции на блоки, состоящие из высоконелинейных варисторов и коммутаторов с электрическими соединениями и изолирующими шайбами, а также то, что все блоки конструктивно установлены в одну колонку с высоконелинейными варисторами.

Заявленная совокупность признаков не известна заявителю из доступных источников информации, что позволяет сделать вывод о том, что заявленное изобретение соответствует критерию «новизна».

Анализ известных устройств показал, что заявленное решение за счет наличия новых конструктивных связей и, как следствие, возможности уменьшения неравномерности распределения напряженности электрического поля вдоль колонки варисторов и коммутаторов с одновременным сохранением уровня защиты позволило получить принципиально новую конструкцию устройства для защиты от перенапряжений, не применявшуюся ранее и обеспечивающую решение поставленной задачи, что позволяет сделать вывод о соответствии критерию «изобретательский уровень».

Изобретение поясняется прилагаемыми чертежами заявляемой конструкции устройства для защиты от перенапряжений.

На фиг.1 представлен общий вид устройства для защиты от перенапряжений.

На фиг.2 представлен разрез устройства в области зашунтированных варисторов.

Заявленная конструкция устройства содержит подключенные между защищаемым объектом и землей последовательно соединенные варисторы 1 и объединенные в отдельные блоки варисторы 2, зашунтированные через перемычки 5 коммутаторами 3, выполненными на базе искровых промежутков с магнитным гашением дуги (далее по тексту «коммутатор»). Количество коммутаторов 3 и зашунтированных ими варисторов 2 зависит от необходимого уровня снижения напряжения ограничения. Для максимального уменьшения разности потенциалов на элементах зашунтированной части конструкции и, как следствие, уменьшения коронных разрядов вся зашунтированная часть конструкции разбита на блоки. Каждый блок состоит из варистора 2, коммутатора 3, изоляционной шайбы 4 и перемычки 5, обеспечивающей шунтирование варистора 2 коммутатором 3. Все блоки конструктивно объединены в одну колонку, размещенную в стеклопластиковой трубе 7 и фарфоровом изоляторе 8. Таким образом, максимальное напряжение между любыми рядом стоящими элементами зашунтированной части конструкции не превышает рабочего напряжения и напряжения ограничения на варисторе 2.

Предлагаемая конструкция работает следующим образом.

При воздействии рабочего напряжения через варисторы протекает незначительный ток, падение напряжения на варисторах 2 недостаточно для пробоя коммутаторов 3, при этом в последовательную электрическую цепь протекания тока включены все резисторы 1 и резисторы 2, соединенные перемычками 6. В режиме протекания больших токов, при грозовых и внутренних перенапряжениях, падение напряжения на варисторах 2 резко возрастает, коммутаторы 3 пробиваются и через перемычки 5 шунтируют варисторы 2, при этом большой ток в режиме перенапряжения течет через варисторы 1, перемычки 5 и пробившиеся коммутаторы 3 на землю, минуя варисторы 2, вследствие чего остающееся напряжение уменьшается пропорционально числу отключенных варисторов 2. Параметры коммутаторов 3 и варисторов 1, 2 подобраны с таким расчетом, чтобы обеспечить выполнение требований ГОСТ 16357-83 в части дугогашения и требований ГОСТ Р 52725-2007 в полном объеме.

Анализ распределения напряженности электрического поля, проведенный в программе COMSOL Multiphysics v3.4, показал, что неравномерность распределения напряженности электрического поля вдоль колонки варисторов и коммутаторов не превышает 12% (аналогичный параметр прототипа - 30%, требование ГОСТ Р 52725-2007 не более 15%).

Выполнение требований вышеперечисленных ГОСТов подтверждено протоколами испытаний опытных образцов предлагаемого устройства. Кроме того, предлагаемая конструкция обладает рядом дополнительных преимуществ:

1. Достигнута возможность размещения всех компонентов в стандартной покрышке без изменения существующей конструкции взрывного канала и клапанов сброса давления.

2. Монтажные, габаритные и весовые параметры не отличаются от параметров обычного ограничителя.

Реализация заявленного решения позволит существенно продлить срок эксплуатации силового высоковольтного оборудования, длительное время находившегося в эксплуатации. Применение ограничителей, обеспечивающих более глубокое по сравнению со стандартной защитной аппаратурой ограничение перенапряжений, является для современных условий экономически оправданным решением. В связи с этим разработка новых ограничителей перенапряжений, обладающих указанным свойством, даже при некотором усложнении их конструкции является целесообразной.

Экономическая эффективность использования предлагаемого технического решения обусловлена значительным упрощением конструкции, исключением ручных операций и снижением аварийности защищаемого дорогостоящего высоковольтного оборудования (трансформаторов, высоковольтных двигателей и т.д.).

Изобретение используется в области высоковольтной техники для защиты электроустановок от грозовых и внутренних перенапряжений. Технический результат заключается в повышении надежности работы и увеличении срока службы устройства. Устройство содержит подключенные между защищаемым объектом и землей высоконелинейные варисторы, а также коммутаторы, шунтирующие часть высоконелинейных варисторов, при этом часть высоконелинейных варисторов и коммутаторы объединены в блоки с электрическими соединениями и изолирующими шайбами, обеспечивающими под рабочим напряжением последовательное соединение всех высоконелинейных варисторов и шунтирование части высоконелинейных варисторов коммутаторами в режиме перенапряжения, при этом все блоки установлены в одну колонку с незашунтированной частью высоконелинейных варисторов, установленную в изоляционном корпусе. 2 ил.

Устройство для защиты от перенапряжений, содержащее колонку последовательно соединенных высоконелинейных варисторов, а также коммутаторы, шунтирующие часть высоконелинейных варисторов, отличающееся тем, что зашунтированная часть высоконелинейных варисторов конструктивно разделена на отдельные блоки, состоящие из варистора, коммутатора, изолирующей шайбы и электрических соединений, обеспечивающих шунтирование варистора коммутатором и последовательное соединение всех блоков, при этом все блоки установлены в одну колонку с незашунтированной частью высоконелинейных варисторов, установленную в изоляционном корпусе.