РАЗРЯДНИК С НАПРАВЛЯЮЩИМИ ДЛЯ ЗАЩИТЫ ЭЛЕКТРООБОРУДОВАНИЯ ОТ МОЛНИЕВЫХ ПЕРЕНАПРЯЖЕНИЙ И ИЗОЛЯТОР ЛИНИИ ЭЛЕКТРОПЕРЕДАЧИ, СНАБЖЕННЫЙ ТАКИМ РАЗРЯДНИКОМ Российский патент 2014 года по МПК H02H3/22 

Область техники, к которой относится изобретение

Предлагаемое изобретение относится к разрядникам для защиты электрооборудования от молниевых перенапряжений. С помощью таких устройств могут защищаться, например, высоковольтные установки, изоляторы и другие элементы высоковольтных линий электропередачи, а также электрооборудование.

Уровень техники

Известен разрядник для ограничения перенапряжений на линии электропередачи в виде защитного искрового промежутка, состоящего из двух металлических стержней и воздушного промежутка между ними (см. Техника высоких напряжений / Под ред. Д.В.Разевига. - М.: Энергия, 1976, с.285). Один из стержней известного устройства присоединен к высоковольтному проводу линии, а второй - к заземленной конструкции, например к телу опоры линии электропередачи. При перенапряжении искровой промежуток пробивается, ток молниевого перенапряжения отводится в землю и напряжение на устройстве резко падает. Таким образом, осуществляются отвод молниевого тока и ограничение перенапряжения. Однако дугогасящая способность одиночного промежутка незначительна, так что после окончания перенапряжения по дуге искрового промежутка продолжает протекать сопровождающий ток. Поэтому должен вступить в работу выключатель и разорвать цепь, что весьма нежелательно для потребителей, получающих электроэнергию отданной линии.

Известен также разрядник с так называемой мультиэлектродной системой (МЭС) (патент №2299508 от 20.05.2007). У этих разрядников между первым и вторым основными электродами на изоляционном теле установлено множество небольших промежуточных электродов. Для снижения разрядных напряжений внутри изоляционного тела, вдоль его оси, установлен дополнительный стержневой электрод, электрически соединенный с одним из основных электродов.

Благодаря разбиению интервала между основными электродами на множество искровых промежутков данный разрядник обладает более высокой дугогасящей способностью, чем устройства с одним или с малым количеством разрядных промежутков.

Тем не менее, его дугогасящая способность недостаточно велика, что ограничивает его область применения только молниезащитой ВЛ 6-10. Его сложно применять для молниезащиты ВЛ более высоких классов напряжения, т.к. число промежуточных электродов и габариты разрядника становятся слишком большими.

В качестве ближайшего аналога настоящего изобретения может быть выбран разрядник с так называемой мультикамерной системой (МКС) (патент №2346368 от 10.02.2009). В разряднике для молниезащиты элементов электрооборудования или линии электропередачи, содержащий изоляционное тело, выполненное из твердого диэлектрика, два основных электрода, механически связанных с изоляционным телом, и m промежуточных электродов (m≥2), расположенных между основными электродами с взаимным смещением, по меньшей мере, вдоль продольной оси изоляционного тела и выполненных с возможностью формирования между смежными основными и промежуточными электродами стримерного разряда, согласно изобретению промежуточные электроды расположены внутри изоляционного тела и отделены от его поверхности слоем изоляции, при этом между смежными электродами выполнены выходящие на поверхность изоляционного тела разрядные камеры, ширина которых в зоне формирования стримерного разряда меньше расчетного диаметра указанного разряда, а толщина указанного слоя изоляции выбрана превышающей расчетный диаметр указанного разряда.

Благодаря включению между основными электродами множества искровых разрядных камер данный разрядник обладает более высокой дугогасящей способностью, чем устройства с одним, двумя или даже с большим количеством открытых разрядных промежутков.

Указанный разрядник надежно работает при относительно небольших импульсных токах, протекающих через него, например, при ударах молнии в опору или трос и обратных перекрытиях с опоры на провод. При прямых ударах молнии со значительными токами возможен пробой между облаками плазмы, выдуваемых из разрядных камер, т.е. возможно образование электрической дуги вне разрядника в открытом воздухе. Дуга устойчиво горит, что приводит к аварийному отключению электрооборудования.

Известен также изолятор, снабженный указанным разрядником (патент №2378725 от 10.01.2010 г.). Мультикамерная система (МКС) укрепляется по периметру изоляционного тела, например тарелочного изолятора. Концы МКС снабжены подводящими электродами. При воздействии перенапряжения на подводящие электроды МКС срабатывает и разрядник гасит сопровождающий ток. Этот изолятор-разрядник имеет тот же недостаток, что и описанный выше разрядник с МКС - при больших импульсах тока, соответствующих прямому удару молнии в провод, возможно образование дуги вне разрядника.

Раскрытие изобретения

Соответственно, задачей, которую решает настоящее изобретение, является создание обладающего невысокой стоимостью в производстве и эксплуатации разрядника, характеризующегося высокой надежностью. Это позволит использовать разрядник по изобретению для молниезащиты ВЛ от прямых ударов молнии и отказаться от молниезащитного троса. Еще одна задача, решаемая настоящим изобретением, состоит в создании изолятора-разрядника для линии электропередачи, обладающего высокой дугогасящей способностью.

Указанная задача решена тем, что в разряднике для молниезащиты элементов электрооборудования или линии электропередачи, содержащем изоляционное тело, выполненное из твердого диэлектрика, два основных электрода, механически связанных с изоляционным телом, и два или более промежуточных электродов, расположенных между основными электродами с взаимным смещением, по меньшей мере, вдоль продольной оси изоляционного тела и выполненных с возможностью формирования между смежными основными и промежуточными электродами стримерного разряда, причем промежуточные электроды расположены внутри изоляционного тела и отделены от его поверхности слоем изоляции, при этом между первыми и вторыми смежными электродами выполнены выходящие на поверхность изоляционного тела разрядные камеры.

Отличительным признаком настоящего изобретения является то, что, по меньшей мере, три разрядные камеры снабжены направляющими, выполненными из изоляционного материала, прикрепленными к наружной поверхности изоляционного тела и установленными с возможностью предотвращения распространения облака плазмы, образующегося внутри камер при разряде, из разрядной камеры в сторону соседней разрядной камеры путем направления облака плазмы во внешнюю воздушную среду.

Расстояния между стенками направляющих, установленных с противоположных сторон выходов разрядных камер на поверхность изоляционного тела, преимущественно не меньше, чем ширина разрядных камер. Длина направляющих преимущественно больше, чем глубина разрядных камер.

Направляющие могут быть выполнены в виде плоских пластин. В другом варианте направляющие могут быть выполнены в виде полукруглых в плане стенок.

Между краями указанных полукруглых в плане стенок может быть предусмотрена щель шириной 0,5-10 мм, однако края полукруглых в плане стенок, по меньшей мере, с одной стороны могут быть соединены между собой. В любом из вышеуказанных вариантов разрядника стенки направляющих у основания, обращенного к поверхности изоляционного тела, могут быть выполнены толще, чем у краев, направленных наружу.

Задача настоящего изобретения также решается с помощью высоковольтного изолятора для крепления, в качестве одиночного изолятора или в составе колонки или гирлянды изоляторов, высоковольтного провода в электроустановке или на линии электропередачи, содержащего изоляционную часть и арматуру в виде установленных на его концах первого и второго элементов арматуры, причем первый элемент арматуры выполнен с возможностью соединения, непосредственно или посредством крепежного устройства, с высоковольтным проводом или со вторым элементом арматуры предшествующего высоковольтного изолятора указанных колонки или гирлянды, а второй элемент арматуры выполнен с возможностью соединения с опорой или с первым элементом арматуры последующего высоковольтного изолятора указанных колонки или гирлянды. Отличительным признаком изолятора является то, что он содержит разрядник по любому из вышеописанных вариантов, установленный с возможностью формирования, под воздействием грозового перенапряжения, электрического разряда между первым элементом арматуры изолятора и, по меньшей мере, одним смежным с ним электродом разрядника, а также вторым элементом арматуры изолятора и, по меньшей мере, одним смежным с ним электродом разрядника.

Благодаря применению направляющих удается достичь такого технического результата, как снижение вероятности объединения отдельных электрических разрядов в один, вследствие чего возрастает срок службы разрядника и улучшается защита электрооборудования. Таким образом, достигаемым техническим результатом является повышение надежности молниевых разрядников.

Краткое описание чертежей

Заявляемое изобретение иллюстрируется чертежами, где:

на фиг.1 показан вариант осуществления разрядника с круглым изоляционным телом и плоскими стенками направляющих в сечении на виде спереди;

на фиг.2 разрядник по фиг.1 представлен на виде сверху;

на фиг.3 показан вариант осуществления разрядника с круглым изоляционным телом и полукруглыми стенками направляющих в сечении на виде спереди;

на фиг.4 разрядник по фиг.3 представлен на виде сверху;

на фиг.5 проиллюстрирован вариант выполнения изолятора с разрядником по изобретению, установленным по периметру изоляционного тела.

Осуществление изобретения

Как показано на фиг.1, 2, разрядник для молниезащиты элементов электрооборудования или линии электропередачи согласно изобретению содержит круглое изоляционное тело 1, выполненное из твердого диэлектрика, например из резины. На концах изоляционного тела 1 установлены первый 2 и второй 3 основные электроды, которые за счет такой установки оказываются механически связанными с изоляционным телом. Внутри изоляционного тела 1 установлены m промежуточных смежных электродов 4. Минимально значение m равно двум, тогда как оптимальное количество промежуточных электродов выбирается с учетом конкретной формы их выполнения, расчетного значения перенапряжения и других условий их работы. В данном варианте устройства промежуточные электроды 4 выполнены в виде отрезков металлических цилиндров, установленных с образованием искровых промежутков между ними. Для этого промежуточные электроды преимущественно смещены один относительно другого вдоль продольной оси разрядника (соединяющей основные электроды 2, 3), однако могут быть и другие конфигурации расположения электродов, позволяющих промежуточным электродам образовывать искровые промежутки между собой, например, путем смещения вдоль другой оси или расположения в таком порядке, что выделить ось, вдоль которой смещаются электроды, невозможно.

Как уже указано, между смежными промежуточными электродами 4 имеется искровой воздушный промежуток g с шириной а разрядной камеры, который связан с разрядной камерой 6, выходящей на поверхность изоляционного тела 1, на поверхности которого закреплены направляющие, преимущественно выполненные в виде стенок той или иной формы, размер с которых в поперечном оси разрядника направлении преимущественно больше ширины а разрядной камеры.

При защите высоковольтных установок или линий электропередачи разрядник подключается одним основным электродом (например, первым основным электродом 2) к высоковольтному элементу электропередачи, например к проводу (непосредственно или через искровой разрядный промежуток), а другим, соответственно вторым, основным электродом 3 (непосредственно или через искровой разрядный промежуток) к земле.

При воздействии на разрядник импульса перенапряжения разряд развивается от первого основного электрода 2 по направлению ко второму основному электроду 3, последовательно пробивая промежутки между промежуточными смежными электродами 4. В процессе образования и развития искрового канала 5 происходит его расширение со сверхзвуковой скоростью. Так как объемы разрядных искровых камер 6 между смежными электродами 4 весьма малы, создается высокое давление, под действием которого каналы искровых разрядов между смежными электродами перемещаются к поверхности изоляционного тела и далее выбрасываются наружу в окружающий разрядник воздух в виде облаков проводящей плазмы 8. Вследствие возникающего дутья и удлинения каналов между смежными электродами суммарное сопротивление всех каналов увеличивается, т.е. общее сопротивление разрядника возрастает, и происходит ограничение импульсного тока молниевого перенапряжения. По окончании импульса молниевого перенапряжения к разряднику остается приложенным напряжение промышленной частоты. Вследствие большого сопротивления разрядника, и благодаря тому, что канал разбит на множество элементарных каналов между смежными электродами, разряд не может самостоятельно существовать и гаснет. Однако существует опасность электрического пробоя между облаками проводящей плазмы 8 и развития дугового разряда вне разрядника. Это приводит к короткому замыканию и отключению электрооборудования.

Для разделения облаков плазмы и формирования более узких, не сливающихся между собой облаков плазмы 8 служат направляющие 7 по изобретению. Направляющие 7 выполнены из изоляционного материала, например из силиконовой резины, и закреплены на поверхности изоляционного тела 1. Они могут быть сформированы, например, при прессовании изоляционного тела 1 и быть с ним монолитны. Направляющие 7 устанавливаются с возможностью предотвращения распространения облака плазмы, образующегося внутри камер при разряде, из разрядной камеры в сторону соседней разрядной камеры путем направления облака плазмы во внешнюю воздушную среду. Между разрядными камерами может быть установлена одна общая направляющая либо могут быть установлены отдельные направляющие для каждой камеры, например, в том случае, если камеры разделены значительным расстоянием между собой, как это показано, например, на фиг.5.

Показанные на фиг.1 и 2 направляющие выполнены в виде плоских пластин, установленных перпендикулярно оси разрядника, однако пластины могут быть расположены и под углом к указанной оси при условии предотвращения распространения облаков плазмы в сторону соседних разрядных камер.

Как показано на фиг.3 и 4, для эффективного предотвращения соединения между собой облаков плазмы 8 направляющие 7 могут быть выполненными полукруглыми в плане, то есть в виде полуцилиндров. Между краями направляющих 7 может быть сформирована щель шириною 0,5-10 мм, как показано на фиг.3 и 4, однако края полукруглых стенок, по меньшей мере, с одной стороны в другом варианте могут быть соединены между собой.

На фиг.5 показан разрядник по фиг.3, 4, установленный по периметру ребра полимерного изолятора, содержащего изоляционное тело 9, верхний оконцеватель 10, нижний оконцеватель 11 и изоляционный стержень 12. В некоторых случаях, например для предотвращения попадания капель воды от дождя в разрядные камеры, верхние края пластин могут быть частично сомкнуты между собой. Возможно, также выполнение пластин с полностью сомкнутыми верхними и нижними краями, т.е. в виде отрезков трубки.

В вышеописанных вариантах расстояния между стенками направляющих, установленных с противоположных сторон выходов разрядных камер на поверхность изоляционного тела преимущественно составляют величину, не меньше, чем ширина разрядных камер. Длина направляющих преимущественно больше, чем глубина разрядных камер. Стенки направляющих у основания, обращенного к поверхности изоляционного тела, могут быть выполнены толще, чем у краев, направленных наружу.

Работоспособность разрядника по изобретению подтверждена экспериментальной проверкой. С этой целью был изготовлен разрядник и установлен по периметру одиночного ребра полимерного изолятора. Основные параметры разрядника следующие (см. фиг.1-4):

- камера выполнена в виде щели с разрядным промежутком длиной g=10 мм, шириной а=2 мм и глубиной b=15 мм;

- направляющие выполнены полукруглыми в плане по фиг.3, 4 высотой h=20 мм и щелью шириной Δ=2 мм;

- смежные промежуточные электроды выполнены из отрезков металлических цилиндров диаметром 6 мм;

- число камер составляло 8 шт.;

Испытания показали, что при испытании импульсами тока с максимальным значением 30 кА и длительностью 55 мкс разрядник надежно гасит ток импульса без сопровождающего тока сети при напряжении сети 6 кВ_д (действующего значения).

Причем разрядник сохраняет свою целостность и работоспособность при воздействии, по крайней мере, 10 импульсов. Этих параметров достаточно для формирования полимерных изоляторов - разрядников на напряжение 110, 220 кВ и выше и, соответственно, для грозозащиты ВЛ указанных классов напряжения.

Следует отметить, что разрядник без направляющих 7 гасит ток импульса без сопровождающего тока сети только при напряжении сети 3 кВ_д (действующего значения), т.е. примерно при вдвое меньшем напряжении, чем с направляющими. При большем напряжении происходит пробой между облаками плазмы, вылетающими из разрядных камер, что исключается при установке направляющих по изобретению. Таким образом, область применения и надежность работы разрядника по настоящему изобретению существенно увеличена.

Рассмотренные в данном описании варианты и модификации выполнения разрядника по изобретению и изоляторов - разрядников, построенных с использованием таких разрядников, приведены лишь для пояснения их конструкции и принципов работы. Специалистам в данной области техники должно быть понятно, что возможны отклонения от вышеприведенных примеров выполнения, которые также охватываются формулой изобретения.

Представлен разрядник для молниезащиты элементов электрооборудования или линии электропередачи, содержащий изоляционное тело, выполненное из твердого диэлектрика, два основных электрода, механически связанных с изоляционным телом, и два или более промежуточных электродов, расположенных между основными электродами с взаимным смещением, по меньшей мере, вдоль продольной оси изоляционного тела и выполненных с возможностью формирования между смежными основными и промежуточными электродами стримерного разряда. Промежуточные электроды расположены внутри изоляционного тела и отделены от его поверхности слоем изоляции, при этом между первыми и вторыми смежными электродами выполнены выходящие на поверхность изоляционного тела разрядные камеры. По меньшей мере, три разрядные камеры снабжены направляющими, выполненными из изоляционного материала, прикрепленными к наружной поверхности изоляционного тела и установленными с возможностью предотвращения распространения облака плазмы, образующегося внутри камер при разряде, из разрядной камеры в сторону соседней разрядной камеры путем направления облака плазмы во внешнюю воздушную среду. Технический результат - повышение надёжности. 2 н. и 7 з.п. ф-лы, 5ил.

1. Разрядник для молниезащиты элементов электрооборудования или линии электропередачи, содержащий изоляционное тело, выполненное из твердого диэлектрика, два основных электрода, механически связанных с изоляционным телом, и два или более промежуточных электрода, расположенных между основными электродами с взаимным смещением, по меньшей мере, вдоль продольной оси изоляционного тела и выполненных с возможностью формирования между смежными основными и промежуточными электродами электрического разряда, а также промежуточные электроды, расположенные внутри изоляционного тела и отделенные от его поверхности слоем изоляции, при этом между смежными электродами выполнены выходящие на поверхность изоляционного тела разрядные камеры, отличающийся тем, что, по меньшей мере, три разрядные камеры снабжены направляющими, выполненными из изоляционного материала, прикрепленными к наружной поверхности изоляционного тела и установленными с возможностью предотвращения распространения облака плазмы, образующегося внутри камер при разряде, из разрядной камеры в сторону соседней разрядной камеры путем направления облака плазмы во внешнюю воздушную среду.

2. Разрядник по п.1, отличающийся тем, что расстояния между стенками направляющих, установленных с противоположных сторон выходов разрядных камер на поверхность изоляционного тела, не меньше, чем ширина разрядных камер.

3. Разрядник по п.1, отличающийся тем, что длина направляющих больше, чем глубина разрядных камер.

4. Разрядник по п.1, отличающийся тем, что направляющие выполнены в виде плоских пластин.

5. Разрядник по п.1, отличающийся тем, что направляющие выполнены в виде полукруглых в плане стенок.

6. Разрядник по п.5, отличающийся тем, что между краями полукруглых в плане стенок имеется щель шириной 0,5-10 мм;

7. Разрядник по п.5, отличающийся тем, что края полукруглых в плане стенок, по меньшей мере, с одной стороны соединены между собой.

8. Разрядник по любому из пп. 1-5, отличающийся тем, что стенки направляющих у основания, обращенного к поверхности изоляционного тела, толще, чем у краев, направленных наружу.

9. Высоковольтный изолятор для крепления, в качестве одиночного изолятора или в составе колонки или гирлянды изоляторов, высоковольтного провода в электроустановке или на линии электропередачи, содержащий изоляционную часть и арматуру в виде установленных на его концах первого и второго элементов арматуры, причем первый элемент арматуры выполнен с возможностью соединения, непосредственно или посредством крепежного устройства, с высоковольтным проводом или со вторым элементом арматуры предшествующего высоковольтного изолятора указанных колонки или гирлянды, а второй элемент арматуры выполнен с возможностью соединения с опорой или с первым элементом арматуры последующего высоковольтного изолятора указанных колонки или гирлянды, отличающийся тем, что содержит разрядник по любому из пп. 1-8, установленный с возможностью формирования, под воздействием грозового перенапряжения, электрического разряда между первым элементом арматуры изолятора и, по меньшей мере, одним смежным с ним электродом разрядника, а также вторым элементом арматуры изолятора и, по меньшей мере, одним смежным с ним электродом разрядника.