ТОКООТВОДЯЩЕЕ УСТРОЙСТВО ДЛЯ ГРОЗОЗАЩИТЫ ЭЛЕКТРООБОРУДОВАНИЯ И ЛИНИЯ ЭЛЕКТРОПЕРЕДАЧИ, СНАБЖЕННАЯ ТАКИМ УСТРОЙСТВОМ Российский патент 2014 года по МПК H02H3/22 H01T4/02 

Область техники

Предлагаемое изобретение относится к токоотводящим устройствам для защиты электрооборудования и различных сооружений и конструкций от грозовых перенапряжений. С помощью таких устройств могут защищаться, например, высоковольтные установки, изоляторы и другие элементы высоковольтных линий электропередачи, электрооборудование, а также конструктивные элементы радаров (особенно самолетных) и других сооружений и устройств, нуждающихся в грозозащите.

Уровень техники

Известно токоотводящее устройство 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 грозового перенапряжения отводится в землю и напряжение на устройстве резко падает. Таким образом осуществляются отвод грозового 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 от данной линии.

Известно также токоотводящее устройство, отличающееся от описанного выше тем, что между первым и вторым основными электродами (стержнями) расположен третий стержневой промежуточный электрод (см., например, патент США №4665460, 12.05.87, Н01Т 004/02). Таким образом, вместо одного воздушного искрового промежутка создано два таких промежутка. Благодаря этому удалось несколько увеличить дугогасящую способность токоотводящего устройства и с его помощью гасить небольшие (порядка десятков ампер) сопровождающие токи при однофазных замыканиях на землю. Однако это устройство не может отключать токи более 100 А, которые обычно бывают при двух- и трехфазных замыканиях на землю при грозовых перенапряжениях.

С целью преодоления указанной трудности разработаны более совершенные токоотводящие устройства для защиты линий электропередач, выполненные на основе импульсных искровых токоотводящих устройств (см., например, патенты США №4308566, 29.12.81, Н02Н 001/04 и №6002571, 14.12.99, Н02Н 001/00).

Однако, поскольку большинство известных токоотводящих устройств указанного назначения основаны на использовании набора нелинейных элементов, они имеют сложную конструкцию и высокую стоимость.

Важную и довольно сложную проблему представляет также молниезащита самолетных радаров, поскольку при ударе молнии имеют место серьезные повреждения токопроводящих элементов и узлов радара, вплоть до их полного разрушения. Кроме того, при таком ударе, как следствие резкого возрастания давления внутри оболочки (обтекателя) антенны радара, возможны повреждения конструкции радара, прежде всего, его обтекателя.

Для предотвращения подобной опасности разработаны различные токоотводящие устройства, устанавливаемые на обтекатель радара (подобные устройства описаны, например, в патентах США №4445161, 24.04.84, Н02Н 003/22 и 4583702, 22.04.86, B64D 045/02). В известных устройствах данного типа обычно используется полоса из диэлектрического материала, которая закрепляется на наружной поверхности обтекателя (в некоторых известных устройствах, например, по патенту США №4796153, 3.01.89, B64D 045/02; H05F 003/00, имеется несколько таких полос). Единственная или каждая подобная полоса несет укрепленные на ней электроды, например, квадратной или круглой формы, между которыми образуется большое число последовательно включенных разрядных промежутков.

В качестве ближайшего аналога настоящего изобретения может быть выбрано токоотводящее устройство для молниезащиты обтекателей самолетных радаров по патенту США №4506311, 19.03.85, H05F 003/00. Данное устройство также содержит полосу из твердого диэлектрика, выполняющую функцию изоляционного тела, с которой механически связаны (путем установки на нее) множество электродов, расположенных с взаимным смещением вдоль продольной оси изоляционного тела. Два крайних электрода выполняют функцию основных электродов, а остальные, расположенные между ними, электроды представляют собой промежуточные электроды. При ударе молнии в указанное устройство перекрываются искровые промежутки между электродами и ток молнии протекает по образовавшемуся каналу на металлический корпус самолета, минуя обтекатель и расположенное под ним электрооборудование. Для снижения разрядного напряжения в устройстве-аналоге применены электроды ромбовидной формы, ориентированные вершинами друг к другу; этой же цели служит неравномерное расположение промежуточных электродов вдоль изоляционного тела. Благодаря разбиению интервала между основными электродами на множество искровых промежутков данное токоотводящее устройство обладает более высокой дугогасящей способностью, чем устройства с одним или с малым количеством разрядных промежутков (см. например, Таев А.С. “Электрическая дуга в аппаратах низкого напряжения”, изд. “Энергия”, 1965 г., стр.85). Тем не менее, как это будет пояснено в дальнейшем описании, разрядные напряжения в известном устройстве слишком высокие, что ограничивает его область применения только защитой самолетных радаров. Однако оно не может применяться, например, как токоотводящее устройство для защиты элементов электропередачи от перенапряжений.

Раскрытие изобретения

Соответственно, задачей, которую решает настоящее изобретение, является создание надежного и обладающей невысокой стоимостью в производстве и эксплуатации токоотводящего устройства, характеризующегося низкими разрядными напряжениями. Это позволит использовать устройство по изобретению для решения широкого круга задач и, прежде всего, не только для эффективного отвода тока молнии при защите электрооборудования от прямого удара молнии, но и как грозового токоотводящего устройства, способного гасить дугу сопровождающего тока при больших, реально встречающихся на практике значениях этого тока.

Таким образом, достигаемым техническим результатом является повышение надежности и упрощение конструкции средств защиты от грозовых воздействий.

Еще одна задача, решенная настоящим изобретением, состоит в создании линии электропередачи, обладающей надежной грозозащитой благодаря ее оснащению надежными и недорогими токоотводящими устройствами, характеризующимися низкими разрядными напряжениями.

Первая задача решена, в основном, созданием токоотводящего устройства для грозозащиты элементов электрооборудования, линии электропередачи, конструкции или сооружения, содержащего изоляционное тело, выполненное из твердого диэлектрика, по меньшей мере, два основных электрода, механически связанных с изоляционным телом, и m промежуточных электродов, расположенных на изоляционном теле между основными электродами с взаимным смещением, по меньшей мере, вдоль продольной оси изоляционного тела. При этом устройство по изобретению характеризуется тем, что внутри изоляционного тела, вдоль его оси, установлен дополнительный стержневой электрод, электрически соединенный с одним из основных электродов и расположенный напротив, по меньшей мере, одного из промежуточных электродов. Кроме того, толщина Δ_i слоя изоляционного тела между i-м промежуточным электродом (i=1, 2, … m) и основным электродом, электрически соединенным с дополнительным электродом, выбрана удовлетворяющей условию

,

где U_p,i - разрядное напряжение между i-м промежуточным электродом и основным электродом, электрически связанным с дополнительным электродом; Е_пр - пробивная напряженность изоляционного материала, из которого выполнено изоляционное тело (далее для большей определенности тот основной электрод, который при протекании разрядного тока через устройство имеет более высокий потенциал, будет именоваться первым основным электродом; соответственно, основной электрод, который при протекании разрядного тока через устройство имеет низкий, например нулевой, потенциал, будет именоваться вторым основным электродом).

В целях наиболее эффективного использования материала, из которого изготавливается изоляционное тело, в одном из предпочтительных вариантов устройства толщина изоляции между дополнительным электродом и соответствующим промежуточным электродом связана прямой зависимостью с расстоянием между этим электродом и основным электродом, электрически связанным с дополнительным электродом.

В одном из вариантов устройства, предпочтительном из технологических соображений, изоляционное тело, представляющее собой изоляцию отрезка кабеля, имеет U-образную форму, а дополнительный электрод представляет собой жилу этого отрезка кабеля, т.е. имеет длину, равную длине изоляционного тела. Первый основной электрод в этом варианте целесообразно выполнить в виде металлической трубки, охватывающей изоляционное тело в его изогнутой части. Соответственно, второй основной электрод может быть механически соединен с одним или обоими концами изоляционного тела и электрически соединен с дополнительным электродом. Промежуточные электроды могут быть при этом расположены на одном или на обоих плечах изоляционного тела.

В зависимости от конкретных требований к качеству грозозащиты и от условий использования устройства по изобретению в нем могут использоваться промежуточные электроды различных конструкций. Например, эти электроды могут быть выполнены в виде металлических пластин с закругленными краями или отрезков изолированного провода. При этом линия, вдоль которой, с взаимным смещением, расположены промежуточные электроды, может быть ориентирована параллельно продольной оси изоляционного тела. Однако в вариантах, в которых изоляционное тело и дополнительный электрод имеют, по меньшей мере, в зоне установки промежуточных электродов круглое поперечное сечение, может оказаться целесообразным расположение промежуточных электродов вдоль линии, которая имеет форму спирали, охватывающей поверхность изоляционного тела. При осуществлении последнего варианта может оказаться особенно удобным закрепить промежуточные электроды на ленте из изоляционного материала, и зафиксировать эту ленту путем намотки по спирали на поверхность изоляционного тела.

Один из наиболее эффективных вариантов выполнения промежуточных электродов состоит в придании каждому (или, по меньшей мере, одному) из них формы кольца и в снабжении каждого или единственного электрода в форме кольца парой выступов, расположенных с его противоположных торцевых сторон. Длина каждого такого выступа должна быть меньшей расстояния от торцевой плоскости кольца до смежного промежуточного электрода. При этом выступы желательно взаимно сместить по окружности кольца предпочтительно на 180°, но, по меньшей мере, на 90°. При использовании двух или более промежуточных электродов в виде колец, снабженных выступами, обращенные друг к другу выступы на смежных электродах предпочтительно расположены без взаимного смещения по окружности кольца.

Кроме того, кольца могут быть выполнены из резистивного материала (например, из нихрома), а их боковую поверхность желательно покрыть слоем изоляции. При этом предпочтительно покрыть слоем изоляции одновременно и поверхность изоляционного тела, и боковую поверхность колец, за исключением выполненных на них выступов.

В варианте токоотводящего устройства, специально предназначенного для защиты электрооборудования и обтекателя антенны радара, основные электроды и дополнительный электрод целесообразно выполнить в форме параллелепипедов. Изоляционное тело в этом случае имеет форму полого параллелепипеда, полость которого соответствует форме дополнительного электрода, который и заполняет данную полость. Второй основной электрод в этом случае электрически соединен с корпусом радара и с дополнительным электродом.

В варианте токоотводящего устройства, специально предназначенного для защиты элементов воздушной линии (ВЛ) электропередачи, по меньшей мере, один первый основной электрод может быть непосредственно или через искровой разрядный промежуток соединен с защищаемым элементом, а второй основной электрод непосредственно или через искровой разрядный промежуток соединен с землей. При этом, если ВЛ рассчитана на напряжение 10 кВ, диаметры изоляционного тела и дополнительного электрода рекомендуется выбрать соответственно составляющими 8-60 мм и 3-50 мм. Расстояния между основными и промежуточными электродами в таком случае рекомендуется выбрать соответственно составляющими 600-1000 мм и 1-100 мм.

Вторая задача, поставленная перед изобретением, решена созданием линии электропередачи, содержащей опоры с изоляторами, по меньшей мере, один находящийся под электрическим напряжением провод, связанный с изоляторами посредством крепежных устройств, и, по меньшей мере, одно токоотводящее устройство для грозозащиты элементов линии электропередачи. В соответствии с настоящим изобретением такое токоотводящее устройство для грозозащиты элементов линии электропередачи (а, предпочтительнее, каждое из множества таких токоотводящих устройств) выполнено в виде токоотводящего устройства по настоящему изобретению.

В том случае, если находящийся под напряжением провод линии расположен внутри изоляционного защитного слоя, первый основной электрод может быть выполнен в виде прокусывающего зажима, установленного на изоляционном защитном слое и электрически соединенного с проводом, а изоляционное тело и дополнительный электрод - соответственно в виде отрезка изоляционного защитного слоя и отрезка провода, расположенных между основными электродами.

В альтернативном варианте, когда, по меньшей мере, одно крепежное устройство выполнено в виде изоляционной обвязки, промежуточные электроды токоотводящего устройства могут быть выполнены в виде металлических колец, установленных на эту обвязку с взаимным смещением по ее длине. В данном варианте второй основной электрод расположен вблизи изолятора линии, а первый основной электрод выполнен в виде прокусывающего зажима, электрически соединенного с находящимся под напряжением проводом.

Согласно еще одному варианту построения линии электропередачи входящее в ее состав токоотводящее устройство для грозозащиты содержит отрезок кабеля, изоляция которого образует изоляционное тело, а металлическая жила - дополнительный электрод. В токоотводящем устройстве имеются два первых основных электрода, которые выполнены в виде оконцевателей отрезка кабеля, а также зажимы, посредством которых концы отрезка кабеля прикреплены к проводу линии. Второй основной электрод выполнен в данном варианте в виде металлической трубки, установленной в средней части отрезка кабеля и прикрепленной к опорному изолятору. Промежуточные электроды выполнены в виде колец, установленных на изоляционном теле между первыми основными электродами и вторым основным электродом с взаимным смещением по длине изоляционного тела. На опоре установлен вспомогательный электрод для формирования, вместе со вторым основным электродом, искрового разрядного промежутка.

Краткое описание чертежей

Заявляемое изобретение иллюстрируется чертежами, где:

на фиг. 1а дано схематичное изображение устройства по изобретению на виде спереди;

на фиг. 1б устройство по фиг. 1 представлено в сечении, на виде сбоку;

на фиг 1в представлена принципиальная электрическая схема устройства по изобретению;

фиг. 2 поясняет распределение напряжения между электродами устройства;

на фиг. 3 показан вариант осуществления устройства с промежуточными электродами, расположенными по спирали;

фиг. 4 иллюстрирует вариант устройства с промежуточными электродами из отрезков изолированного провода;

на фиг. 5, в сечении, представлен вариант устройства с промежуточными электродами в форме колец;

на фиг. 6, в сечении, представлен вариант устройства, аналогичный варианту по фиг. 5, но со слоем изоляции, покрывающим изоляционное тело и промежуточные электроды в форме колец;

на фиг. 7, в сечении, представлен вариант устройства с изоляционным телом и дополнительным электродом, выполненными в форме петли;

фиг. 8 иллюстрирует вариант выполнения воздушной линии электропередачи (ВЛ) по изобретению с токоотводящим устройством, построенным с использованием защищенного провода линии;

фиг. 9 иллюстрирует вариант выполнения ВЛ по изобретению с токоотводящим устройством, построенным с использованием изоляционной обвязки защищенного провода ВЛ;

на фиг. 10 приведены, в различных масштабах и в перспективном изображении, частичные виды ВЛ 10 кВ, в состав которой входит токоотводящее устройство по изобретению.

Осуществление изобретения

Как показано на фиг. 1а, 1б, токоотводящее устройство для грозозащиты согласно изобретению содержит продолговатое изоляционное тело 1, выполненное из твердого диэлектрика, например, из полиэтилена. На концах изоляционного тела 1 установлены первый 2 и второй 3 основные электроды, которые за счет такой установки оказываются механически связанными с изоляционным телом. На изоляционном теле 1 закреплены m промежуточных электродов 5. Минимально значение m равно единице, 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 5 выполнены в виде 7 металлических пластин, имеющих закругленные края и смещенных одна относительно другой вдоль продольной оси устройства (соединяющей основные электроды 2, 3). Как видно из фиг. 1б, внутри изоляционного тела 1 расположен дополнительный электрод 6 в форме металлического стержня, который электрически соединен с одним из основных электродов (в варианте по фиг. 1а, 1б - со вторым основным электродом 3). Как показано на фиг. 1б, длину дополнительного электрода 6 целесообразно выбрать такой, чтобы он располагался напротив всех промежуточных электродов 5. Однако полезный эффект, создаваемый дополнительным электродом, будет значительным и в том случае, когда его длина составляет, по меньшей мере, половину расстояния между основными электродами 2, 3. В любом случае для достижения положительного эффекта минимальная длина дополнительного электрода 6 должна быть такой, чтобы он располагался напротив, по меньшей мере, одного (на фиг. 1б нижнего) промежуточного электрода.

Толщина слоя изоляции, т.е. толщина Δ_i изоляционного тела 1 между i-м промежуточным электродом 5 (i=1, 2, … m) основным электродом, электрически соединенным с дополнительным электродом 6 (в данном случае - вторым основным электродом 3), определяется из условия

,

где U_p,i - разрядное напряжение между i-м промежуточным электродом и основным электродом, электрически связанным с дополнительным электродом 6; Е_пр - пробивная напряженность изоляционного материала, из которого выполнено изоляционное тело 1.

В том случае, когда токоотводящее устройство по изобретению используется для молниезащиты радара (преимущественно самолетного), т.е. когда защищаемыми элементами являются элементы электрооборудования радара и обтекатель его антенны, устройство по изобретению (как и известные устройства аналогичного назначения) закрепляется на поверхности обтекателя с помощью не изображенных на фиг. 1 крепежных средств. Тот основной электрод, который электрически соединен с дополнительным электродом 6 (в приведенном на фиг. 1 варианте - второй основной электрод 3), подсоединяется также к корпусу радара и в процессе работы устройства выполняет функции электрода, имеющего низкий (нулевой потенциал). При этом продольная ось устройства по изобретению предпочтительно ориентируется параллельно оси обтекателя. Применительно к данному использованию устройства по изобретению поперечному сечению дополнительного электрода 6 желательно придать прямоугольную форму. Соответственно, основным электродам 2, 3 целесообразно придать форму, близкую к форме параллелепипеда, а изоляционному телу 1 - форму, близкую к форме полого параллелепипеда, полость которого заполнена дополнительным электродом 6.

В других применениях, например, при защите высоковольтных установок или линий электропередачи, токоотводящее устройство подключается одним основным электродом (например, первым основным электродом 2) к высоковольтному элементу электропередачи, например, к проводу 4 (непосредственно или через искровой разрядный промежуток), а другим, соответственно вторым, основным электродом 3 (непосредственно или через искровой разрядный промежуток) к земле.

Из принципиальной электрической схемы токоотводящего устройства (изображенной на фиг. 1в) понятно, что при описанном варианте подключения основных электродов 2, 3 в случае воздействия на устройство импульса перенапряжения (соответствующего напряжению U) сначала пробивается искровой разрядный промежуток между высоковольтным проводом 4 защищаемой ВЛ и первым основным электродом 2, а затем разряд развивается от первого основного электрода 2 по направлению ко второму основному электроду 3, последовательно пробивая промежутки между промежуточными электродами 5.

На фиг. 2 показан развернутый фрагмент принципиальной электрической схемы по фиг. 1в, содержащий первый основной электрод 2, ближайший к нему промежуточный электрод 5 и дополнительный электрод 6. Между электродами 2 и 5 существует емкость C₁, а между электродами 5 и 6 - емкость С₀. Эти емкости соединены последовательно, причем при воздействии импульса перенапряжения к ним прикладывается напряжение U. Напряжение U₁ на емкости C₁, т.е. напряжение на искровом промежутке между первым основным электродом 2 и ближайшем к нему промежуточным электродом 5, в относительных единицах определяется по формуле: . Благодаря относительно большой площади поверхности промежуточного электрода 5, обращенной в сторону дополнительного электрода 2, а также вследствие того, что диэлектрическая проницаемость твердого диэлектрика ε значительно выше, чем диэлектрическая проницаемость воздуха ε₀ (обычно ε/ε₀≈2÷3), емкость промежуточного электрода 5 на дополнительный электрод 6 (т.е. емкость этого промежуточного электрода на землю) существенно больше, чем его емкость на основной электрод 2, т.е. С₀>C₁ и, соответственно, C₁/C₀<1.

При значениях отношения C₁/C₀, лежащих в диапазоне C₁/C₀=0,1÷0,9, напряжение U₁ находится в диапазоне U₁=(0,53÷0,91)U. Поэтому при воздействии напряжения U на токоотводящее устройство основная часть (по меньшей мере, более половины) падения напряжения приходится на первый искровой промежуток между электродами 2 и 5. Под действием этого напряжения U₁ данный промежуток пробивается, и первый к основному электроду 2 промежуточный электрод 5 приобретает потенциал основного электрода 2, а следующий, соседний с первым промежуточным электродом, промежуточный электрод 5 приобретает потенциал U₀. Далее физическая картина пробоя искрового промежутка повторяется. Таким образом, происходит каскадное, т.е. последовательное перекрытие промежутков между промежуточными электродами 5 с образованием дугового разряда (дуги) 7. Благодаря каскадности срабатывания разрядных промежутков обеспечиваются требуемые низкие разрядные напряжения срабатывания токоотводящего устройства в целом.

Следует отметить, что для принципиальная электрическая схема, показанная на фиг. 1в и фиг. 2, применима и к рассмотренному выше ближайшему аналогу изобретения. Однако в этом случае С₀ - это емкость промежуточного электрода 5 на землю, которая находится на существенно большем (в десятки и сотни раз) расстоянии от промежуточного электрода 5, чем расстояние между соседними промежуточными электродами 5, которое определяет емкость C₁ между ними. Поэтому С₀ в несколько раз меньше, чем C₁. Например, при значениях отношения C₁/C₀, лежащих в диапазоне C₁/C₀=5÷10, напряжение U₁ находится в диапазоне U₁=(0,09÷0,17)U. Таким образом, видно, что в прототипе неравномерность распределения напряжения по искровым промежуткам между промежуточными электродами 5 существенно меньше, а разрядные напряжения всего устройства в целом значительно больше, чем в устройстве по изобретению.

При воздействии перенапряжения U на токоотводящее устройство не допустим пробой твердой изоляции между промежуточными электродами 5 и дополнительным электродом 6, т.е. необходимо, чтобы разряд между основными электродами развивался, проходя только через промежуточные электроды и через воздушные искровые промежутки. Таким образом, разрядное напряжение токоотводящего устройства (искровых промежутков, расположенных на его поверхности) должно быть меньше, чем пробивное напряжение твердой изоляции. U_p<U_пр. Пробивное напряжение можно выразить через толщину изоляции Δ (т.е. толщину слоя изоляционного тела) и пробивную напряженность материала Е_пр, из которого изготовлено изоляционное тело: U_пр=Δ·Е_пр. Следовательно, толщина изоляции должна соответствовать условию .

Таким образом, для обеспечения необходимой электрической прочности изоляции толщина Δ_i изоляционного тела 1 между дополнительным стержневым электродом 6 и i-м промежуточным электродом 5 (i=1, 2, … m) должна выбираться из условия

,

где U_p,i - разрядное напряжение между i-м промежуточным электродом и вторым основным электродом;

Е_пр - пробивная напряженность изоляционного материала, из которого выполнено изоляционное тело 1.

В целях удешевления устройства, а также для дальнейшего снижения разрядных напряжений толщина изоляции между промежуточными электродами 5 и дополнительным электродом 6 может быть сделана различной для различных промежуточных электродов. Чем дальше i-й промежуточный электрод находится от второго основного электрода 3, тем больше должно быть разрядное напряжение U_p,i между ними и, соответственно, тем толще должен быть слой изоляции Δ_i. Другими словами, толщина изоляции между дополнительным электродом 6 и i-м промежуточным электродом 5 должна быть связана прямой зависимостью с расстоянием между i-м промежуточным электродом и вторым основным электродом (в общем случае - тем основным электродом, который электрически связан с дополнительным электродом).

Чем ближе дополнительный электрод 6 к промежуточному электроду 5, тем больше емкость С₀, и тем ниже разрядные напряжения токоотводящего устройства. Поэтому для снижения разрядных напряжений целесообразно расположение дополнительного электрода 6 вдоль всего изоляционного тела 1 таким образом, чтобы каждый промежуточный электрод 5 находился напротив дополнительного электрода 6. Однако могут быть случаи, когда гарантированное отсутствие пробоев изоляции важнее, чем снижение разрядных напряжений. При этом дополнительный электрод может располагаться не по всей длине изоляционного тела 1, а перекрывать только какую-то его часть. В таком варианте часть промежуточных электродов 5, расположенных ближе ко второму основному электроду 3, будет находиться напротив дополнительного электрода 6, а другая часть промежуточных электродов будет расположена со смещением вдоль продольной оси дополнительного электрода. При этом расстояния между этими промежуточными электродами 5 и концом дополнительного электрода 6 (толщины изоляции) будут существенно больше, чем при расположении дополнительного электрода на всю длину изоляционного тела 1. И в этом случае разрядные напряжения в устройстве по изобретению будут ниже, чем в устройствах-аналогах, но не в такой значительной мере, как в случае расположения дополнительного электрода 6 вдоль всего изоляционного тела 1. Очевидно, что максимальное увеличение толщин изоляции между промежуточными электродами 5 и дополнительным электродом 6 при одновременном снижении разрядных напряжений достигается при расположении дополнительного электрода только напротив одного промежуточного электрода 5, ближайшего ко второму основному электроду 3.

На фиг. 3 показан вариант токоотводящего устройства с промежуточными электродами 5, расположенными по спирали. Такое расположение дает возможность разместить на токоотводящем устройстве большее число промежуточных электродов 5, чем в варианте по фиг. 1, и тем самым еще более улучшить дугогасящую способность токоотводящего устройства. Очевидно, что в данном варианте (как и в других вариантах, рассматриваемых далее) изоляционное тело и дополнительный электрод, по меньшей мере, в зоне установки промежуточных электродов предпочтительно имеют круглое поперечное сечение, облегчающее равномерное распределение промежуточных электродов 5 по наружной поверхности изоляционного тела 1 и равенство толщины изоляционного слоя по всем радиальным направлениям.

На фиг. 4 показан вариант токоотводящего устройства с промежуточными электродами в форме отрезков изолированного провода. Применение отрезков изолированного провода в качестве промежуточных электродов 5 дает возможность расположить их вплотную на поверхности изоляционного тела 1 и тем самым еще больше увеличить количество промежутков, на которые разбивается дуга 7. Таким образом можно дополнительно повысить дугогасящую способность токоотводящего устройства.

На фиг. 5 показан вариант токоотводящего устройства с промежуточными электродами 5, выполненными в виде колец, охватывающих изоляционное тело 1. Благодаря такому выполнению промежуточных электродов их емкость на дополнительный электрод 6 увеличивается и, как было показано выше, тем самым усиливается эффект каскадности срабатывания токоотводящего устройства, т.е. снижаются его разрядные напряжения, необходимые для пробоя межэлектродных промежутков. Выполненные экспериментальные исследования показали, что для погасания дуги важно, чтобы отдельные ее участки (дужки), которые образуются благодаря применению промежуточных электродов в виде колец, находились на возможно большом удалении друг от друга. При таком взаимном расположении участков дуги затруднено образование единого канала дуги при ее раздувании в процессе протекании тока и, следовательно, облегчено гашение дуги. При этом важна фиксация места инициации дуги. Для этой цели служат выступы 8 на кольцевых промежуточных электродах. Как видно из фиг. 5, каждый промежуточный электрод 5 предпочтительно снабжается двумя такими выступами, расположенными с противоположных торцевых сторон кольца, т.е. обращенными к двум смежным электродам. Длина каждого выступа 8, естественно, должна быть меньше, чем расстояние от торцевой плоскости соответствующего кольца до смежного промежуточного электрода 5 или (для крайних промежуточных электродов) до смежного основного электрода 2, 3.

Для пространственного разнесения участков дуги по боковой поверхности изоляционного тела 1 выступы 8 на каждом промежуточном электроде 5 взаимно смещены по его окружности. На фиг. 5 показано, что смещение выступов 8 предпочтительно соответствует 180°, но в любом случае оно не должно быть менее 90°. Вместе с тем, для того чтобы облегчить образование каналов разряда между смежными промежуточными электродами 5, обращенные друг к другу выступы 8 на смежных электродах расположены напротив друг друга, т.е. без взаимного смещения по окружности кольца.

Дополнительное увеличение дугогасящей способности может быть достигнуто в случае, если боковая поверхность каждого промежуточного электрода 5 в форме кольца покрыта слоем изоляции, а сами кольца выполнены из резистивного материала, например, из нихрома.

На фиг. 6 показан еще один вариант токоотводящего устройства, аналогичный варианту по фиг. 5. Для обеспечения более надежной фиксации места развития перекрытий между выступами 8 промежуточных электродов 5, а также для того, чтобы после образования каналов разряда (отрезков дуги 7) между выступами 8 исключить слияние отдельных отрезков дуги в единый дуговой канал, поверхность изоляционного тела 1 и дополнительные электроды 5 совместно покрыты слоем изоляции 18. На поверхности указанного слоя 18 остаются только выступы 8, между которыми и развивается разряд. Таким образом, по сравнению с вариантом по фиг 5, при несколько увеличенной стоимости (вследствие нанесения дополнительного изоляционного слоя 18), обеспечивается более высокая дугогасящая способность токоотводящего устройства по изобретению.

На фиг. 7 показан вариант токоотводящего устройства, напоминающий вариант по фиг. 5. Однако изоляционное тело 1 и находящийся внутри дополнительный электрод 6 выполнены в данном случае в форме петли (т.е. имеют U-образную форму). При этом длина дополнительного электрода 6 предпочтительно выбрана равной длине изоляционного тела 1, а первый основной электрод 2 выполнен в виде металлической трубки, охватывающей изоляционное тело 1 в его средней части. Второй основной электрод 3 в данном варианте может быть механически соединен с одним или обоими концами изоляционного тела 1 и электрически соединен с дополнительным электродом 6. В зависимости от конкретных условий использования токоотводящего тела, например, от требуемого количества промежуточных электродов, они могут быть расположены на одном или на обоих плечах изоляционного тела. Такая конструкция позволяет применить в качестве заготовки для токоотводящего устройства отрезок кабеля, у которого металлическая жила выполняет функцию дополнительного электрода 6, а изоляция кабеля - функцию изоляционного тела 1. За счет этого существенно повышается технологичность изготовления токоотводящего устройства, поскольку производство кабельной продукции хорошо технологически отлажено, причем может быть обеспечено очень высокое качество изоляции.

На фиг. 8 показан вариант исполнения токоотводящего устройства, который может быть реализован на ВЛ с защищенными проводами. На опоре 13 из проводящего материала (железобетонной, стальной и т.п.) установлен опорный изолятор 12, к которому при помощи металлического крепежного средства (выполняющего в данном варианте устройства также функции второго основного электрода 3) крепится провод 4, имеющий изоляционный защитный слой. На соответствующем расстоянии от крепления провода устанавливается прокусывающий зажим, действующий в данном варианте, как первый основной электрод 2. Изоляционный слой провода 4 выполняет функцию продолговатого изоляционного тела 1, а сам провод 4 - функцию дополнительного электрода 6. На поверхности защищенного провода 4 установлены промежуточные электроды 5.

Согласно одному из возможных вариантов промежуточные электроды 5 могут быть предварительно закреплены на ленте из изоляционного материала, которая затем фиксируется на проводе (например, путем навивки на него) между первым основным электродом 2 и вторым основным электродом 3. В этом случае совокупность промежуточных электродов 5 располагается по спирали, аналогично тому, как это показано на фиг. 3. При воздействии перенапряжения на провод 4 сначала перекрывается изолятор 12, и крепежное средство (второй основной электрод 3) оказывается под потенциалом земли, т.е. под нулевым потенциалом. Провод 4 и, соответственно, прокусывающий зажим находятся под потенциалом перенапряжения. Таким образом, между вторым основным электродом 3 и прокусывающим зажимом (первым основным электродом 2) возникает перенапряжение, под действием которого последовательно перекрываются все промежутки между основными электродами 2, 3 и промежуточными электродами 5.

На фиг. 9 показан вариант исполнения токоотводящего устройства на основе изоляционной обвязки 17, посредством которой защищенный провод ВЛ электропередачи крепится к изолятору 12, установленному на опоре 13. По меньшей мере, на одном из плеч обвязки 17 установлены промежуточные электроды 5, выполненные в виде металлических колец, причем кольцо, ближайшее к изолятору 12, выполняет функции второго основного электрода 3. Конец обвязки 17 крепится к прокусывающему зажиму, т.е. к первому основному электроду 2. Как и в предыдущем варианте, изоляционный слой провода выполняет функцию продолговатого изоляционного тела 1, а сам провод (проходящий внутри изоляционного слоя) - функцию дополнительного электрода. Аналогично предыдущему варианту, при воздействии перенапряжения сначала развивается канал 7 перекрытия по изолятору 12 между опорой и вторым основным электродом 3, а затем происходит каскадное перекрытие воздушных промежутков между промежуточными электродами 5, установленными на обвязке 17.

На фиг. 10 приведены частичные виды ВЛ 10 кВ, для грозозащиты которой использован еще один вариант токоотводящего устройства по изобретению. Токоотводящее устройство в данном варианте выполнено в виде отрезка кабеля, имеющего изоляцию, образующую изоляционное тело 1, и металлическую жилу внутри изоляции, выполняющую функцию дополнительного электрода 6. В средней части отрезка кабеля, поверх изоляционного тела 1 установлена металлическая трубка, выполняющая функции второго основного электрода 3, а оконцеватели кабеля выполняют функции первых основных электродов 2. Концы жилы кабеля (т.е дополнительного электрода 6) при помощи зажимов 11 крепятся к проводу 4 ВЛ. Второй основной электрод 3 при помощи скобы 15 и проволоки 16 крепится к изолятору 12, установленному на опоре 13 ВЛ. На опоре 13 укреплен также электрод 14, образующий искровой разрядный промежуток S со вторым основным электродом 3 (для ВЛ 10 кВ S=2 см). На отрезке кабеля установлены металлические кольца, образующие промежуточные электроды 5.

При воздействии перенапряжения на провод 4 ВЛ жила кабеля (т.е. дополнительный электрод 6), подключенная к проводу 4, получает через оконцеватели высокий потенциал. Вследствие сильной емкостной связи между дополнительным электродом 6 и металлической трубкой эта трубка также приобретает высокий потенциал. Опора 13 ВЛ и соединенный с ней электрод 14 имеют нулевой потенциал, т.к. опора 13 заземлена. Между вторым основным электродом 3 (металлической трубкой) и электродом 14 возникает разность потенциалов (высокое напряжение), под действием которой искровой воздушный промежуток S пробивается, так что второй основной электрод 3 приобретает нулевой потенциал (потенциал земли). После этого все перенапряжение оказывается приложенным между жилой кабеля и вторым основным электродом 3. Под действием этого перенапряжения по поверхности кабеля в одну или в обе стороны, в зависимости от величины перенапряжения, развиваются каналы скользящего разряда, последовательно перекрывая промежутки между кольцами, т.е. между промежуточными электродами 5. После прохождения перенапряжения по каналам разряда протекает сопровождающий ток промышленной частоты, который разогревает канал перекрытия и переводит искровой разряд в дугу. Вследствие разбиения дуги с помощью промежуточных кольцевых электродов 5 на отдельные участки (дужки) имеет место охлаждение дужек на холодных металлических кольцах. Благодаря этому токоотводящее устройство с кольцами гасит существенно больший ток, чем токоотводящее устройство без колец. Другими словами, токоотводящее устройство по изобретению при достаточно простой конструкции (и соответственно низкой стоимости) обладает повышенной дугогасящей способностью.

Этот вывод подтвержден экспериментальной проверкой. С этой целью были изготовлены и испытаны токоотводящие устройства на класс напряжения 10 кВ как с промежуточными электродами-кольцами, так и без колец. Основные параметры испытанных токоотводящих устройств следующие:

- кабель типа ПИГР-8 производства завода “Севкабель” с алюминиевой жилой диаметром 9 мм и полиэтиленовой изоляцией толщиной 4 мм;

- длина одного плеча (от края металлической трубки до края зажима) 800 мм;

- расстояние между кольцами 50 мм.

Испытания показали, что оба испытанные токоотводящие устройства (с кольцами и без колец) защищают изолятор ВЛ от грозовых перекрытий, однако токоотводящее устройство без колец обеспечивает гашение дуги сопровождающего тока при токе до 150 А, а токоотводящее устройство с кольцами - при токе до 600 А. Это означает, что токоотводящее устройство без колец можно ставить в эксплуатацию на ВЛ 10 кВ только в том случае, если сопровождающий ток не превышает 150 А, например, если сопротивление заземления опоры больше или равно 40 Ом. В эксплуатации, однако, находится довольно большое количество опор, имеющее сопротивление от 10 до 30 Ом. Такие опоры применяются, например, при прохождении ВЛ по населенной местности. Что касается токоотводящего устройства с кольцами, то его можно ставить на опору с низким сопротивлением заземления, вплоть до 10 Ом, т.е. практически на любую опору. Таким образом, область применения и надежность работы токоотводящего устройства по настоящему изобретению существенно увеличена.

Экспериментальные исследования и проведенные расчеты показали также, что диаметры изоляционного тела и дополнительного электрода предпочтительно выбирать соответственно в интервалах 8-60 мм и 3-50 мм. Расстояние между основными электродами, например для ВЛ 10 кВ целесообразно выбирать в пределах 600-1000 мм. При этом приемлемое разрядное расстояние между соседними промежуточными электродами лежит в диапазоне 1-100 мм, а предпочтительный интервал для этого расстояния составляет 1-80 мм. Таким образом, общее количество промежуточных электродов реально может составить от 8 до 1000. Естественно, что применительно к другим классам напряжения и иным конкретным задачам грозозащиты (например, применительно к защите от индуктированных напряжений или от прямого удара молнии) должны подбираться такие (вероятно, иные) параметры устройства, которые являются оптимальными именно для конкретной решаемой задачи. При этом чем больше используется промежуточных электродов, тем лучше осуществляется гашение дуги. Вместе с тем, с увеличением числа промежуточных электродов при неизменной суммарной длине разрядных промежутков возрастают габариты и стоимость токоотводящего устройства. Оптимальная конструкция токоотводящего устройства, применительно к конкретной задаче должна, следовательно, решаться на основе учета заданных исходных параметров: типа защищаемых конструкций или оборудования, класса напряжения, уровня защиты оборудования и т.п.

Рассмотренные в данном описании варианты и модификации выполнения токоотводящего устройства по изобретению и линии электропередачи, построенной с использованием таких устройств, 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.

Изобретение относится к токоотводящим устройствам для защиты электрооборудования и различных сооружений и конструкций от грозовых перенапряжений. Устройство содержит изоляционное тело (1), выполненное из твердого диэлектрика, два основных электрода (2, 3), механически связанных с изоляционным телом, и промежуточные электроды (5), расположенные на изоляционном теле (1) между основными электродами с взаимным смещением, по меньшей мере, вдоль продольной оси изоляционного тела. В предпочтительном варианте устройства каждый промежуточный электрод (6) выполнен в виде кольца и снабжен парой выступов, расположенных с противоположных торцевых сторон кольца и взаимно смещенных по его окружности, по меньшей мере, на 90°. Изоляционное тело и дополнительный электрод могут быть выполнены соответственно в виде отрезка изоляционного защитного слоя и отрезка провода, расположенных между основными электродами. В данном варианте первый основной электрод выполняется в виде прокусывающего зажима, установленного на изоляционном защитном слое, а второй основной электрод непосредственно или через искровой разрядный промежуток соединен с землей. Техническим результатом является повышение надежности и упрощение конструкции средств защиты от грозовых воздействий. 3 н. и 22 з.п. ф-лы, 10 ил.

1. Токоотводящее устройство для грозозащиты элементов электрооборудования, линии электропередачи, конструкции или сооружения, содержащее изоляционное тело, выполненное из твердого диэлектрика, по меньшей мере, два основных электрода, механически связанных с изоляционным телом, и m промежуточных электродов, расположенных на изоляционном теле между основными электродами с взаимным смещением, по меньшей мере, вдоль продольной оси изоляционного тела, отличающееся тем, что внутри изоляционного тела вдоль его оси установлен дополнительный стержневой электрод, электрически соединенный с одним из основных электродов и расположенный напротив, по меньшей мере, одного из промежуточных электродов, причем толщина слоя изоляционного тела между дополнительным электродом, электрически соединенным с основным электродом, и i-м промежуточным электродом выбрана удовлетворяющей условию
,
где Δ_i - толщина изоляции между дополнительным электродом, электрически соединенным с основным электродом, и i-м промежуточным электродом (i=1, 2 …m);
U_p,i - разрядное напряжение между i-м промежуточным электродом и основным электродом, электрически связанным с дополнительным электродом;
Е_пр - пробивная напряженность изоляционного материала, из которого выполнено изоляционное тело.

2. Токоотводящее устройство по п. 1, отличающееся тем, что линия, вдоль которой, с взаимным смещением, расположены промежуточные электроды, ориентирована параллельно продольной оси изоляционного тела.

3. Токоотводящее устройство по п. 1, отличающееся тем, что изоляционное тело и дополнительный электрод, по меньшей мере, в зоне установки промежуточных электродов имеют круглое поперечное сечение.

4. Токоотводящее устройство по п. 3, отличающееся тем, что, по меньшей мере, один промежуточный электрод выполнен в виде кольца.

5. Токоотводящее устройство по п. 4, отличающееся тем, что единственный или каждый промежуточный электрод, выполненный в виде кольца, снабжен парой выступов, расположенных с противоположных торцевых сторон кольца и взаимно смещенных по его окружности, по меньшей мере, на 90°, причем длина каждого выступа выбрана меньшей расстояния от торцевой плоскости кольца до смежного промежуточного электрода.

6. Токоотводящее устройство по п. 5, отличающееся тем, что взаимное смещение выступов по окружности кольца выбрано равным 180°.

7. Токоотводящее устройство по п. 5, отличающееся тем, что боковая поверхность каждого кольца покрыта слоем изоляции.

8. Токоотводящее устройство по п. 4, отличающееся тем, что, по меньшей мере, два смежных промежуточных электрода выполнены в виде колец и снабжены парой выступов, причем обращенные друг к другу выступы на смежных электродах расположены без взаимного смещения по окружности кольца.

9. Токоотводящее устройство по п. 8, отличающееся тем, что поверхность изоляционного тела и боковая поверхность колец, за исключением выполненных на них выступов, покрыта слоем изоляции.

10. Токоотводящее устройство по п. 1, отличающееся тем, что толщина изоляции между дополнительным электродом и соответствующим промежуточным электродом связана прямой зависимостью с расстоянием между этим электродом и основным электродом, электрически связанным с дополнительным электродом.

11. Токоотводящее устройство по п. 2, отличающееся тем, что изоляционное тело имеет U-образную форму, длина дополнительного электрода выбрана равной длине изоляционного тела, первый основной электрод выполнен в виде металлической трубки, охватывающей изоляционное тело в его изогнутой части, а второй основной электрод механически соединен с одним или обоими концами изоляционного тела и электрически соединен с дополнительным электродом, при этом промежуточные электроды расположены на одном или на обоих плечах изоляционного тела.

12. Токоотводящее устройство по п. 11, отличающееся тем, что дополнительный электрод представляет собой жилу отрезка электрического кабеля, а изоляционное тело - изоляцию указанного отрезка электрического кабеля.

13. Токоотводящее устройство по п. 1, отличающееся тем, что промежуточные электроды выполнены в виде металлических пластин с закругленными краями.

14. Токоотводящее устройство по п. 1, отличающееся тем, что промежуточные электроды выполнены в виде отрезков изолированного провода.

15. Токоотводящее устройство по п. 1, отличающееся тем, что линия, вдоль которой с взаимным смещением расположены промежуточные электроды, имеет форму спирали, охватывающей поверхность изоляционного тела.

16. Токоотводящее устройство по п. 1, отличающееся тем, что промежуточные электроды закреплены на ленте из изоляционного материала, зафиксированной на поверхности изоляционного тела.

17. Токоотводящее устройство по п. 16, отличающееся тем, что указанная лента из изоляционного материала намотана по спирали на поверхность изоляционного тела.

18. Токоотводящее устройство по любому из пп. 1-9, отличающееся тем, что защищаемыми элементами являются элементы воздушной линии электропередачи класса напряжения 10 кВ, при этом диаметры изоляционного тела и дополнительного электрода выбраны соответственно составляющими 8÷60 мм и 3÷50 мм, а расстояния между основными и промежуточными электродами - соответственно 600÷1000 мм и 1÷100 мм.

19. Токоотводящее устройство по п. 1 или 2, отличающееся тем, что защищаемыми элементами являются элементы электрооборудования радара и обтекатель антенны радара, второй основной электрод электрически соединен с корпусом радара и с дополнительным электродом, при этом основные и дополнительный электроды выполнены в форме параллелепипедов, а изоляционное тело - в форме полого параллелепипеда, полость которого заполнена дополнительным электродом.

20. Токоотводящее устройство по любому из пп. 1-9, отличающееся тем, что защищаемыми элементами являются элементы линии электропередачи, при этом, по меньшей мере, один первый основной электрод непосредственно или через искровой разрядный промежуток соединен с защищаемым элементом, а второй основной электрод непосредственно или через искровой разрядный промежуток соединен с землей.

21. Линия электропередачи, содержащая опоры с изоляторами, по меньшей мере, один находящийся под электрическим напряжением провод, связанный с изоляторами посредством крепежных устройств, и, по меньшей мере, одно токоотводящее устройство для грозозащиты элементов линии электропередачи, отличающаяся тем, что токоотводящее устройство для грозозащиты выполнено в виде токоотводящего устройства по п. 20.

22. Линия по п. 21, отличающаяся тем, что находящийся под напряжением провод расположен внутри изоляционного защитного слоя, первый основной электрод выполнен в виде прокусывающего зажима, установленного на изоляционном защитном слое и электрически соединенного с проводом, а промежуточные электроды установлены на поверхности изоляционного защитного слоя.

23. Линия по п. 21, отличающаяся тем, что, по меньшей мере, одно крепежное устройство выполнено в виде изоляционной обвязки, а промежуточные электроды выполнены в виде металлических колец, установленных на изоляционную обвязку со смещением по длине обвязки относительно смежных основных электродов, причем второй основной электрод расположен вблизи изолятора.

24. Линия по п. 21, отличающаяся тем, что токоотводящее устройство для грозозащиты содержит отрезок кабеля, изоляция которого образует изоляционное тело, а металлическая жила - дополнительный электрод, два первых основных электрода, выполненных в виде оконцевателей отрезка кабеля, зажимы, посредством которых концы отрезка кабеля прикреплены к проводу высоковольтной линии, и второй основной электрод, выполненный в виде металлической трубки, установленной в средней части отрезка кабеля и прикрепленной к опорному изолятору, при этом промежуточные электроды выполнены в виде колец, установленных на изоляционном теле между вторым основным электродом и первыми основными электродами с взаимным смещением по длине изоляционного тела, а на опоре установлен вспомогательный электрод для формирования вместе со вторым основным электродом искрового разрядного промежутка.

25. Линия электропередачи, содержащая опоры с изоляторами, по меньшей мере, один находящийся под электрическим напряжением провод, связанный с изоляторами посредством крепежных устройств, и, по меньшей мере, одно токоотводящее устройство для грозозащиты элементов линии электропередачи, причем, по меньшей мере, один основной электрод токоотводящего устройства непосредственно или через искровой разрядный промежуток соединен с защищаемым элементом, а, по меньшей мере, один другой основной электрод непосредственно или через искровой разрядный промежуток соединен с землей, отличающаяся тем, что токоотводящее устройство для грозозащиты выполнено в виде токоотводящего устройства по любому из пп. 10-18.