УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОГРАНИЧЕНИЯ ПЕРЕНАПРЯЖЕНИЯ Российский патент 2013 года по МПК H01C7/12 

Изобретение относится к электротехнике и касается устройств передачи, распределения и преобразования электрической энергии, а именно к устройствам для ограничения перенапряжения (УДОП), обеспечивающих защиту электрооборудования электрических станций и подстанций, высоковольтных сетей и т.п. от грозовых и коммутационных перенапряжений.

К указанным устройствам (аппаратам защиты) относят трубчатые разрядники, вентильные разрядники и ограничители перенапряжений нелинейные (ОПН). Ограничители перенапряжений нелинейные - относительно новый класс аппаратов защиты с улучшенными защитными характеристиками в сравнении с характеристиками указанных разрядников.

Как известно [1, с.223, …, 237], [2, с.128, …, 144], [3, с.85, …, 105], [4, с.10, …, 30], основным элементом конструкции ограничителя является нелинейный резистор - варистор. Варисторы с целью увеличения допустимого рабочего напряжения собираются последовательно - в колонку, а с целью увеличения пропускной способности ограничителя колонки могут быть соединены параллельно. Конструктивно ОПН состоит из колонки (одноколонковый) или нескольких колонок варисторов (многоколонковый ограничитель) и герметичного корпуса, с двух сторон который замкнут металлическими наконечниками (фланцами, оконцевателями). Многоколонковые ограничители, в основном, выпускались ранее, так как максимально возможный диаметр варистора ограничивался существующими на то время технологиями.

При работе ограничителя под напряжением, не превышающим наибольшего допустимого рабочего напряжения, полное сопротивление варисторов достигает сотен мегаом. В силу неидеальности материала варисторов, их сопротивление хотя и велико, но не бесконечно, поэтому через колонку варисторов протекает ток, называемый током проводимости [5], [6, с.66, …, 67]. При возникновении в сети импульсов грозовых или коммутационных перенапряжений сопротивление варисторов резко уменьшается (до долей ома). Через варисторы кратковременно протекает импульс тока, который может достигать десятков тысяч ампер. Варисторы поглощают энергию импульса перенапряжения, выделяя затем ее в виде тепла, которое рассеивается в окружающее пространство. Импульс перенапряжения в сети "срезается".

Эксплуатационная надежность ограничителей определяется рядом воздействующих факторов. Среди основных - проникновение влаги во внутреннюю полость корпуса ограничителя и, как следствие, увлажнение стеклопластиковой трубы и варисторов. Для устранения возможной опасности внутренняя полость корпуса заполняется под вакуумом герметиком - компаундом. Стойкость ограничителя к проникновению влаги проверяется в соответствии с [7, п.9.19].

При эксплуатации ограничители подвергаются проверкам, в том числе и на отсутствие увлажнения внутренней полости. К общепринятым методам диагностики ОПН при их эксплуатации относят измерение величины тока проводимости [5], [6, 66, …, 67].

По своему характеру ток проводимости - переменный, резко несинусоидальный, активно-емкостной. Величина тока проводимости непостоянна и зависит от величины напряжения сети, его гармонического состава, температуры, технического состояния ограничителя, в том числе его стойкости к проникновению влаги, и может увеличиваться по мере времени эксплуатации ОПН. По своей величине полный ток проводимости весьма мал и, например, для ОПН с диаметром варисторов 46 мм при наибольшем допустимом значении рабочего напряжения равен 0.35, …, 0.45 миллиампер (действующее значение). Доля активной составляющей в полном токе при наибольшем допустимом рабочем напряжении составляет примерно 8, …, 12%. Но именно активная составляющая тока определяет величину потерь мощности в варисторах, а значит и тепловую устойчивость ОПН. При превышении допустимых значений активной составляющей тока ОПН должен быть снят с эксплуатации из-за нарушения его теплового баланса. Поэтому основные руководящие документы по эксплуатации электрооборудования, например [8, п.21.3] требуют периодического контроля величины тока проводимости ограничителей и его активной составляющей.

В настоящее время ограничители перенапряжений комплектуются измерителями тока проводимости различных типов [9]. Так, приборы контроля тока, выполненные на основе [10], например [11, 12], являются приборами простейшего типа и предназначены для измерения полного тока проводимости. Более сложные приборы контроля [13 и др.] обеспечивают не только измерение величины полного тока проводимости, но и его гармонический анализ с целью выделения активной составляющей тока. Указанные типы приборов для диагностики ОПН включаются в разрыв заземляющего проводника ограничителя. При этом заземляющий проводник подключается к нижнему фланцу ограничителя, а сам фланец изолируется от заземленной опоры, на который устанавливается ограничитель, посредством изолирующего основания, втулок и т.п. Таким образом, применяемые приборы при указанном подключении измеряют ток, стекающий с ОПН на заземлитель. Но измеряемый при этом ток представляет собой сумму двух токов: тока проводимости, протекающего через колонку варисторов, и тока утечки изоляции, в основном протекающего по поверхности изоляционного корпуса ограничителя.

Величина тока по поверхности ограничителя определяется площадью поверхности, степенью загрязнения, влажностью слоя загрязнения и может достигать величин, значительно превышающей сам ток проводимости [1, с.229], [2, с.135, …, 136], [3, с.156], [5], [6, с.66, …, 67]. В силу этого, измерение суммарного тока, и, особенно, выделение из него активной составляющей и принятие на основе указанных измерений решения о возможности дальнейшей эксплуатации ограничителя не решают задачу по достоверной оценке состояния устройства для ограничения перенапряжения.

Измерение только тока проводимости может быть осуществлено при разделении (сепарации) тока по поверхности и тока проводимости колонки ограничителя. Известно решение данного вопроса - электрическая изоляция колонки варисторов и выводного контакта от фланцев [1, с.229, …, 234], [2, с.140], [5]. Однако современные одноколонковые ограничители в полимерном корпусе изготавливаются без изоляции колонки варисторов от фланца. Это связано с трудностями конструктивного и технологического характера размещения изолированного контакта в опорной площади нижнего фланца одноколонкового ограничителя и одновременной надлежащей герметизации устройства.

Общий вид устройства для ограничения перенапряжении, например, для опорного варианта согласно изобретению представлен на фиг.1, на фиг.2 показан общий вид известной типовой конструкции одноколонкового ограничителя перенапряжений опорного типа без разделения токов [1, с.230, рис.4.4] и в [3, с.95, рис.3.15], а на фиг.3 - общий вид устройства ограничения перенапряжений по патенту РФ 2211497 - базового объекта данного изобретения.

Конструкция современного одноколонкового ОПН в полимерном корпусе опорного и подвесного типов без разделения токов описана, например, в [1, с.230, рис.4.4] и в [3, с.95, рис.3.15]. Типовая конструкция известного ограничителя в опорном варианте ОПН представлена на фиг.2, где 1 - колонка варисторов, 2 - стеклопластиковая труба, 3 - оболочка из кремнийорганической резины, 4 - нижний и верхний фланцы (оконцеватели, наконечники), 5 - шайба токопроводящая, 6 - втулка (металлическая, например, алюминиевая, труба с радиальными отверстиями для выхода компаунда в зазор между внутренней поверхностью стеклопластиковой трубы и колонкой варисторов), 7 - технологическое отверстие с заглушкой 8. Заглушка 8 в простейшем виде - болт соответствующего диаметра.

Электрическая связь между колонкой варисторов 1 и нижним фланцем 4 выполнена в виде втулки 6, один торец которой электрически соединен через шайбу 5 с колонкой варисторов, а второй опирается на внутреннюю поверхность фланца.

Технологические отверстия 7 в нижнем и верхнем фланцах предназначены для возможности заполнения внутренних пустот ограничителя силиконовым компаундом. Компаунд обеспечивает не только герметизацию устройства, но и дополнительную электрическую изоляцию, а также уменьшение теплового сопротивления между боковой поверхностью колонки варисторов и внутренней поверхностью стеклопластиковой трубы. После вакуумирования внутренней полости корпуса и нагнетания компаунда под давлением, в момент выхода избытка компаунда через технологическое отверстие 7 в верхнем фланце, отверстия заглушаются заглушками (болтами) 8.

При монтаже нижний фланец 4 устройства устанавливается на опорную металлоконструкцию и подключается заземляющим проводником к заземлителю.

При необходимости подключения прибора диагностики устройство изолируется от опоры изолирующими втулками, а сам прибор подключается в разрыве заземляющего проводника.

Недостатком такой конструкции УДОП является то, что в устройстве не обеспечивается разделение токов проводимости колонки и токов по поверхности, что делает невозможной достоверную оценку технического состояния устройства.

Известны также устройства для ограничения перенапряжений [3, с.89, рис.3.14, в-д], [4, с.27, рис.1.6, в-д], где разделение тока проводимости колонок и тока по поверхности выполнено путем электрической изоляции колонок варисторов от нижнего фланца изолирующими вставками, а выводного контакта (стальной шпильки) - с помощью проходного изолятора. Таким же образом выполнено разделение токов в ряде современных устройств для ограничения перенапряжений с элегазовой изоляцией, выпускаемых фирмой SIEMENS [14]. Наличие изолированного контакта является отличительным признаком указанных устройств - аналогов настоящего изобретения.

Однако указанное конструктивное решение возможно только в многоколонковых ограничителях или в ограничителях с элегазовой изоляцией, где внутренняя опорная площадь нижнего фланца достаточна для размещения различных изоляционных элементов: вставок для изоляции колонок от нижнего фланца, проводников для соединений колонок с выводным контактом, проходного изолятора и самого выводного контакта. Так как в настоящее время максимальный диаметр варисторов не лимитируется технологией их изготовления, то современные ОПН в полимерных корпусах в основном выпускаются одноколонковыми. Таким образом, компактность устройства для ограничения перенапряжения с малой внутренней опорной площадью нижнего фланца при необходимости размещения технологического отверстия для нагнетания компаунда определенного диаметра (фиг.2) конструктивно не позволяет создать изолированный выход, аналогичный [3, с.89, рис.3.14, в-д] ([4, с.27, рис.1.6, в-д]). Это объясняется следующим.

При изготовлении вывода по типу [3, с.89, рис.3.14, в-д] в виде стальной шпильки стандартного диаметра 10 мм в конструкции по фиг.2, например, для ОПН, укомплектованного варисторами диаметром 46 мм, с учетом толщины стенки проходного изолятора 5-10 мм (толщина изоляции из-за возможной разницы потенциалов вывода и нижнего фланца при разряде молнии) и значения диаметра верхней части изолятора порядка 40 мм, технологическое отверстие для нагнетания компаунда стандартного диаметра 10 мм выполнить практически невозможно. Это ограничивает возможность раздельного контроля составляющих тока УДОП.

Наиболее близким по технической сущности к данному изобретению является устройство для ограничения перенапряжений модульного типа, каждый из которых содержит колонку варисторов, размещенной в корпусе, выполненном в виде стеклопластиковой трубы, с нанесенной на нее полимерной изоляцией и замыкаемой с обеих сторон металлическими фланцами с отверстиями для выводного контакта, изолированного от фланцев изоляторами, пустоты внутри корпуса которого заполнены изоляционным компаундом (эластичной изоляционной композицией) через технологическое отверстие [15]. Конструкция указанного устройства приведена на фиг.3, где 9 - проходной изолятор, выполненный в виде стакана, 10 - выводной цилиндрический контакт. Заглушка 8 в данном случае выполнена как диск из кремнийорганической резины.

В этом устройстве задача по изоляции колонки варисторов и вывода от фланцев решена путем установки изоляторов 9 и дисков 8, а также кабельного вывода с покрытием из кремнийорганической резины. Технологическая сложность решений по герметизации корпуса как при изготовлении устройства, так и монтаже при вводе в эксплуатацию существенно снижают его эксплуатационную надежность. Это объясняется следующим.

Во-первых, на этапе изготовления при заполнении под давлением верхнего модуля (по фиг.1 описания известного патента) через технологическое отверстие 7 в нижнем изоляционном стакане 9 нагнетаемый под давлением компаунд будет выдавливаться в отверстие для выводного цилиндрического контакта 10, при этом даже при предварительной заглушке этого отверстия компаунд попадет в гнездо розеточного контакта, что ведет к увеличению переходного сопротивления.

Во-вторых, для обеспечения возможности выхода воздуха и части избыточного компаунда при заполнении им полости корпуса необходимы технологические отверстия как в верхнем изоляционном стакане 9, так и верхнем фланце 4 верхнего модуля, причем эти отверстия должны быть соосны, что при принятой конструкции соосное совмещение этих отверстий крайне затруднительно, если вообще возможно.

В-третьих, при принятой технологии монтажа при сборке устройства возможно попадание во внутреннюю полость верхнего модуля вместе с компаундом пузырьков воздуха, что при эксплуатации увеличивает уровень частичных разрядов, которые приводят к уменьшению электрической прочности внутренней изоляции и ускоренному отказу устройства.

Целью изобретения является повышение эксплуатационной надежности устройства для ограничения перенапряжения устройства с изолированным выводным контактом. Эта цель достигается путем обеспечения условий и упрощения герметизации корпуса. Изобретение направлено на техническое решение размещения изолированного выводного контакта в ограниченной опорной площади фланца при обеспечении надежной герметизации. Таким образом, в конечном результате достигается достоверная оценка технического состояния устройства при выполнении жестких требований по эксплуатационной надежности УДОП.

Для этого выводной цилиндрический контакт устройства выполнен в виде полой металлической трубки, например, стальной цилиндрической с внутренней резьбой, для нагнетания через трубку компаунда и предотвращения вытеснения компаунда путем вворачивания вновь введенной запорной заглушки, и наружной резьбой на торцах трубки для фиксации ее во фланце и в проходном изоляторе двумя дополнительными гайками и пружинными шайбами, при этом внешний диаметр полой трубки должен быть не менее

$$D=\sqrt{4S_H/\pi +d^2}$$ ,

где S_H - нормируемая площадь сечения токоотводящего проводника;

d - принятый диаметр технологического отверстия.

Существенными отличиями изобретения является выполнение выводного цилиндрического контакта в виде металлической трубки, при этом площадь сечения стенки трубки должна быть не меньше нормированной.

Общий вид устройства для ограничения перенапряжений согласно изобретению, например, для опорного варианта ОПН, представлен на фиг.1, где, как и в прототипе, обозначены: 1 - колонка варисторов, 2 - стеклопластиковая труба, 3 - оболочка из кремнийорганической резины, 4 - фланец (оконцеватель) нижний и верхний, 5 - шайба токопроводящая, 6 - втулка - металлическая труба, например алюминиевая, с радиальными отверстиями для выхода компаунда, 7 - технологическое отверстие с заглушкой - болтом 8, 9 - проходной изолятор, 10 - выводной цилиндрический контакт (полая металлическая трубка), а также 11 - опорная шайба из токопроводящего материала (например, алюминия), 12 - шайба изоляционная, 13 - гайки, 14 - шайбы пружинные. В данном случае технологическое отверстие 7 является отверстием в выводном контакте - металлической трубке 10.

Электрическая связь между колонкой варисторов 1 и выходным контактом 10 выполнена в виде втулки 6, один торец которой электрически соединен через шайбу 5 с колонкой варисторов 1, а второй - с выводным контактом 10 через вновь введенную опорную шайбу 11.

Приборы диагностики УДОП подключаются одним входным выводом к выводному контакту 10, а вторым - к заземляющему проводнику. Так как выводной контакт 10 изолирован от фланца 4 проходным изолятором 9, то в режиме работы УДОП без перенапряжения через прибор протекает только ток проводимости. В режиме ограничения перенапряжений по контакту 10 протекает разрядный ток.

Внешний диаметр D выводного цилиндрического контакта определяется исходя из следующего. Площадь сечения S стенки трубки выводного контакта должна быть не меньше требуемой нормируемой площади поперечного сечения S_H токоотводящего (заземляющего) проводника, которая определена в технической документации для устройств заземления [16, гл.1.7], [17, табл.3.1]. Тогда

$$D=\sqrt{4S_H/\pi +d^2}$$ ,

где S_H - нормируемая площадь сечения заземляющего (токоотводящего) проводника;

d - принятый диаметр технологического отверстия.

Так, для стали площадь S_H сечения проводника токоотвода должна быть не меньше 50 мм² [17, табл.3.1]. Тогда при стандартном диаметре d=10 мм, диаметр D=12.7 мм. С учетом обеспечения необходимой прочности принимается значение D для резьбы Ml6.

Устройство, изготовленное согласно данному изобретению, собирается следующим образом. В первую очередь собирается нижний фланец 4 с проходным изолятором 9 и выводным контактом 10, опорной шайбой 11, шайбой изоляционной 12 и комплектом пружинных шайб 14, при этом стыки между деталями заполняются герметиком, а выводной контакт 10 фиксируется во фланце 4 гайками 13 с двух сторон. Во вторую очередь стыкуют фланец 4 и стеклопластиковую трубу 2 с нанесенной заранее оболочкой 3 посредством стандартного резьбового соединения. В третью очередь в трубу 2 последовательно опускают втулку 8, шайбу 5 и набор варисторов - колонку 1. После монтажа верхней части устройства внутреннюю полость устройства герметизируют через отверстие 7 принятым стандартным способом [1, с.228], который доказал свою эффективность. Отверстия 7 заглушаются заглушками - болтами 8.

Отсутствие в технической и патентной литературе сведений (рекомендаций) по выполнению описанного устройства в целях достижения указанного эффекта (результата), при котором выводной цилиндрический контакт УДОП выполнен в виде полой металлической трубки, например, стальной цилиндрической с внутренней резьбой, для нагнетания через трубку компаунда и предотвращения вытеснения компаунда путем вворачивания вновь введенной запорной заглушки, при этом внешний диаметр полой трубки должен быть не менее $$D=\sqrt{4S_H/\pi +d^2}$$ , где S_H - нормируемая площадь сечения токоотводящего проводника, a d - принятый диаметр технологического отверстия, показывает новизну взаимосвязи между совокупностью существенных признаков описанных изобретений и положительным эффектом. Это обеспечивает существенное отличие данного изобретения от всех известных устройств аналогичного назначения, а новизна предложения не следует явным образом из уровня техники, что обеспечивает изобретательский уровень данного изобретения.

Если УДОП выполнить в соответствии с предлагаемой конструкцией, а параметры его выводного контакта - трубки согласно заявленной формуле, герметизация корпуса упрощается, токи колонки варисторов и по поверхности корпуса устройства разделяются, достоверность оценки технического состояния ОПН увеличивается. Это обеспечивает повышение эксплуатационной надежности.

Примечание. При формулировании предмета изобретения и составлении описания изобретения были приняты во внимание следующие источники информации.

1. Александров Г.Н. Молния и молниезащита / Г.Н. Александров; [отв. Ред. Козлов];

Ин-т электрофизики и электроэнергетики РАН. - М.: Наука, 2008. - 274 с.

Изобретение может найти применение в энергетике, в аппаратах защиты высоковольтных электрических сетей от перенапряжений - ограничителях перенапряжений нелинейных. Для повышения достоверности технического состояния таких устройств необходимо разделение токов по поверхности устройства и тока колонки варисторов. Это разделение обеспечивается изолированием вывода от металлического фланца. В современных компактных устройствах для ограничения перенапряжения с полимерными корпусами изолирование вывода при одновременном обеспечении надлежащей герметизации устройства затруднено.

Техническим результатом настоящего изобретения является повышение эксплуатационной надежности устройства для ограничения перенапряжения путем обеспечения условий и упрощения герметизации устройства при выполнении изолированного вывода. С этой целью его выводной цилиндрический контакт и технологическое отверстие для нагнетания компаунда выполнены в виде полой металлической трубки, например, стальной цилиндрической, при этом внешний диаметр трубки выводного контакта должен быть не менее $$D=\sqrt{4S_H/\pi +d^2}$$ , где S_H - нормируемая площадь сечения заземляющего проводника; d - принятый диаметр технологического отверстия. 3 ил.

Устройство для ограничения перенапряжения, содержащее колонку варисторов, размещенную в корпусе, выполненном в виде стеклопластиковой трубы с нанесенной на нее полимерной изоляцией и замыкаемой с обеих сторон металлическими фланцами с отверстиями для выводного контакта изолированного от фланцев проходными изоляторами, пустоты внутри корпуса которого заполнены изоляционным компаундом, нагнетаемым через технологическое отверстие, заглушаемое запорной заглушкой, отличающееся тем, что его выводной контакт и технологическое отверстие выполнены виде металлической трубки с наружной и внутренней резьбой на ее торцах для фиксации трубки и проходного изолятора во фланце двумя дополнительными гайками и пружинными шайбами и для вворачивания запорной заглушки, выполненной в виде цилиндрического стержня с резьбой, например болта, электрическая связь между колонкой варисторов и выходным контактом выполнена в виде металлической втулки с радиальными отверстиями для выхода компаунда, один торец которой электрически соединен с колонкой варисторов, а второй - с выводным контактом через вновь введенную металлическую опорную шайбу, при этом внешний диаметр трубки выводного контакта должен быть не менее $$D=\sqrt{4S_H/\pi +d^2}$$ , где S_H - нормируемая площадь сечения заземляющего проводника; d - принятый диаметр технологического отверстия.