Разрядник Советский патент 1992 года по МПК H01T1/06 H01T4/16 

Изобретение относится к области электротехники, а именно к конструкциям разрядников.

В сетях высокого напряжения широко применяются трубчатые разрядники, предназначенные для защиты изоляции линий электропередачи от атмосферных перенапряжений и в совокупности с другими защитными средствами для защиты изоляции электрооборудования станций и подстанций переменного тока.

Однако указанные трубчатые разрядники имеют два (нижний и верхний) предела дугогасительной способности, причем верхний для современных сетей во многих случаях очень мал. Достаточно сложна их эксплуатация, так как требуется периодическое покрытие их поверхности лаком, а разрядные характеристики существенным образом зависят от погодных условий.

Наиболее близким к заявленному по технической сущности является разрядник, содержащий заполненный элегазом корпус, внутри которого расположены соосно установленные и подключенные к соответствующим выводам высоковольтный и заземленный электроды, образующие координирующий искровой промежуток, и источ- ник магнитного поля, направленного перпендикулярно оси искрового промежутка.

Недостатком данной конструкции является недостаточные дугогасительная способность и рабочее напряжение.

Целью изобретения является повышение дугогасительной способности.

х|

hO

8 IS.

Поставленная цель достигается тем. что в разряднике, содержащем заполненный эле- газом корпус, внутри которого расположены соосно установленные и подключенные к соответствующим выводам высоковольтный и заземленный электроды, образующие координирующий искровой промежуток, и источник магнитного поля, направленного перпендикулярно оси искрового промежутка, указанный искровой промежуток установлен в дополнительно введенной разрядной камере, сообщающейся с корпусом через отверстие с управляемым клапаном, привод которого выполнен в виде подпружиненной плоской катушки индуктивности, включенной последовательно с искровым промежутком между высоковольтным электродом и его выводом, указанная разрядная камера сообщается с окружающей ее дополнительно введенной расширительной камерой, выполненной в виде лабиринта, между заземленным электродом и его выводом включена дополнительно введенная цепь последовательно соединенных дугогасительных искровых промежутков, шунтированных дополнительно введенным размыкающим контактом, связанным с поршнем дополнительно введенного пневмоцилиндра, надпоршневая полость которого сообщается с указанной расширительной камерой.

При этом электроды дугогасительных промежутков могут быть выполнены в виде тороидов с установленными внутри встречно включенными постоянными магнитами, наружный диаметр которых выбран равным среднему диаметру дугогасительных электродов, а расстояние d между дугогаситель- нымиэлектродамивыбрано

соответствующим максимуму расчетного произведения экспериментальных функций U(d) и Bp-r(d), где функция U(d)- зависимость электрической прочности дугогасительного промежутка от расстояния между его электродами, а функция BpT(d) - зависимость радиальной составляющей магнитного поля в дугогасительном промежутке от расстояния между его электродами.

На фиг. 1 показан разрядник, продольный разрез; на фиг. 2 - разрез А-А на фиг. 1.

Разрядник содержит заполненный эле- газом корпус 1, герметично закрытый фланцами 2 и 3 с соответствующими выводами.

Нижний фланец 3 заземляется, а верхний фланец 2 наглухо или через внешний искровой промежуток подсоединяется к защищаемому объекту.

Во внутренней полости изоляционного корпуса 1 размещены координирующее устройство, расширительная камера, дугогасительное устройство и другие элементы разрядника.

Координирующее устройство представляет собой механически прочную разрядную камеру 4, выполненную из изоляционного материала, закрытую крышками 5 и 6. В разрядной камере 4 размещены дополнительные координирующие электроды 7-9. Верхний высоковольтный

электрод 7 укреплен на крышке 5. Заземленный через дугогасительное устройство нижний электрод 8 укреплен на крышке 6. Средний электрод 9 подвешен на изоляционной пластине 10 с отверстиями. Пластина 10 фиксирована в заданном положении с помощью распорных цилиндров 11 и 12.

Благодаря наличию отверстий в пластине 10 разрядная камера 4 составляет единый газовый объем.

Во внутренних полостях электродов 7 и 8 размещены постоянные магниты 13 и 14, необходимые для защиты электродов от разрушающего воздействия дуги. Для защиты самих магнитов от прямого воздействия дуги предусмотрены пластины 15 и 16, выполненные из дугостойкого изоляционного материала.

Крышка 5 разрядной камеры 4 с помощью стоек 17 и 18 прикреплена к фланцу 2, причем так, что между фланцем 2 и крышкой 5 гальваническая связь отсутствует. Электрический контакт между фланцем 2 и крышкой 5 обеспечивается с помощью плоской катушки 19 индуктивности, один конец которой прикреплен к фланцу 2, а другой - к крышке 5.

На плоской катушке 19 индуктивности уложена планка 20, имеющая форму двойной вилки. Планка 20 прижимается к плоской катушке 19 индуктивности пластинчатой пружиной 21. Двухвильчатая планка 20 с помощью четырех шпилек 22 жестко сочленена с уплотняющим управляемым клапаном 23, имеющим форму цилиндра.

С помощью двух отверстий 24, расположенных в нижней части разрядной камеры 4, внутренняя ее полость сообщается с расширительной камерой.

Расширительная камера состоит из изоляционного цилиндра 25, в которой впритык к внутренней ее стенке размещена разрядная камера 4. Крышки 5 и 6 являются общими для разрядной и расширительной камер 4 и 25.

В полости между камерами 4 и 25 установлены стенки 26 и 27. При горении дуги на электродах 7 и 8 расширяющийся газ через отверстия 24 поступает в полости 28 и 29

лабиринтной расширительной камеры, откуда, обогнув стенки 26 и 27, попадает в полость 30, а из нее через ограничитель 31 хода поршня 32 поступает в пневмоцилиндр 33, воздействуя при этом на поршень 32.

Дугогасительное устройство состоит из изоляционного цилиндра 34, прикрепленного к нижней части крышки 6. Во внутренней полости цилиндра 34 установлены дугогасительные электроды 35, в которые встроены постоянные магниты 36 и 37 со встречно направленными магнитными полями и защитные пластины 38. Электроды 35 образуют п дугогасительных промежут- ков d

Верхний и нижний электроды укреплены соответственно на крышке 6 и донышке 39. Промежуточные электроды подвешены на изоляционных пластинах 40, которые за- фиксированы в нужном положении с помощью распорных изоляционных цилиндров 41.

При нормальной работе защищаемой цепи все п дугогасительных промежутков шунтированы подвижным размыкающим контактом 42, который через соединительную трубку 43 с оголовком 44 жестко связан с поршнем 32.

Работу разрядника по защите объекта от грозового перенапряжения условно можно разделить на три этапа. Первый этап - исходное состояние разрядника - ожидание появления волны перенапряжения (предразрядный период) и его работа по за- щите объекта от перенапряжения - пробой координирующих промежутков и отведение большей части энергии перенапряжения в землю. Второй этап - гашение электрической дуги последующего после прохожде- ния тока волны перенапряжения тока короткого замыкания. Третий этап - возвра- щение подвижных элементов разрядника в исходное состояние.

При подходе волны перенапряжения 45 (фиг. 1) к разряднику координирующие промежутки, настроенные на соответствующие защищаемой цепи параметры, пробиваются, между электродами 7, 9 и 8 возникают дуги. Путь тока грозового перенапряжения после пробоя координирующих промежутков следующий: фланец 2, плоская катушка 19 индуктивности, крышка 5, электрод 7, дуга, электрод 9, дуга, электрод 8, крышка 6, верхний электрод 35, подвижный размыка- ющий контакт 42, гибкая связь 46, гибкая связь 47, нижний фланец 3 и от него - е землю. Таким образом разрядник выполнил свою основную (защитную) функцию.

После затухания тока грозового перенапряжения по указанной цепи потечет сопровождающий ток короткого замыкания,

который должен быть отключен дугогаси- тельным устройством.

В предразрядный период внутренний объем разрядной камеры 4 через отверстие 48 сообщается с внутренней полостью изоляционного цилиндра 1. При протекании тока по плоской катушке 19 индуктивности, она под действием возникшего в ней магнитного поля стремится принять форму круга. При этом плоская катушка преодолевает сопротивление пластинчатой пружины 21 и поднимает вверх двухвильчатую планку 20, а следовательно, и уплотняющий управляемый клапан 23, который закрывает отверстие 48. С этого момента внутренний объем разрядной камеры 4 отделен от внутренней полости корпуса 1. Из сказанного следует, что подпружиненная плоская катушка 19 индуктивности является приводом для уплотняющего управляемого клапана 23.

Под воздействием дуг, горящих между электродами 7, 9 и 8, элегаз, находящийся в разрядной и расширительной камерах, будет нагреваться, вследствие чего давление будет повышаться. Приращение давления зависит от энергии, выделившейся в дуге, и объема.

Энергия, выделяющаяся в дуге за время ее горения гд, равна

W f Ufl i dt,

о

где Уд- суммарное напряжение на двух дугах, В; i -ток, А; 1д -длительность горения дуги.

Если энергия W известна, то приращение давления АР можно вычислить с помощью следующего выражения;

АР Рк - Рн (К-1) W/V, где Рн - давление в объеме V перед возникновением дуги, Па; РК - давление в том же объеме в момент погасания дуги; К 1,08 - показатель адиабаты для элегаза.

Реальная картина, будет несколько сложнее. Дуги горят во внутреннем объеме разрядной камеры 4, температура в ней, а следовательно, и давление будут выше, чем в расширительной камере. Под действием разности давлений поток газа из разрядной камеры 4 через отверстия 24 устремится в полости 28 и 29 лабиринтной расширительной камеры, а из них, обогнув стенки 26 и 27, попадает в полость 30, причем температура газа в этой полости будет существенно ниже, чем в разрядной камере 4 (при незначительной разности давлений в этих объемах).

Охлажденный газ из полости 30, перемещая поршень 32, поступает в изоляционный пневмоцилиндр 33, не повреждая его

стенки (именно для этого и предусмотрен лабиринт).

При некотором значении давления в надпоршневой полости, равном Рср, подвижная система, включающая поршень 32, соединительную трубку 43 с оголовком 44 и подвижный размыкающий контакт 42, придет в движение. Перед началом движения сила FCp, образованная давлением газа на поршень, преодолеет суммарное усилие, создаваемое возвратной пружиной 49 и вертикальной составляющей силы, образуемой пружиной 50. Эта составляющая силы от пружины 50 через ролик 51 передается на оголовок 44, а следовательно, и на поршень 32.

(Рср-Рн)Г,

где г - радиус поршня, М; РСр - давление срабатывания над поршнем, Па, Рн - давление под поршнем.

По мере перемещения подвижного размыкающего контакта 42 вниз последовательно будут зажигаться дуги в промежутках между электродами 35. Когда подвижный размыкающий контакт 42 опустится в крайнее нижнее положение, дуго- гасительное устройство окажется полностью включенным в работу.

Дугогасительная способность каждого отдельно взятого промежутка зависит как от электрической прочности холодного (т.е. при отсутствии дуги) промежутка, так и от интенсивности отвода тепла от дуги, т.е. от скорости ее перемещения в промежутке.

Электрическая прочность холодного промежутка U зависит от конфигурации электродов и от расстояния d между ними. Она растет при увеличении d.

Скорость перемещения дуги в неподвижном элегазе пропорциональна радиальной составляющей магнитного поля Вр. Магнитное поле создается постоянными встречно включенными магнитами 36 и 37. Установлено, что при фиксированном значении dm максимальное значение индукции Врм имеет место при расстоянии от оси гм магнитов, равном наружному радиусу магнитов. Следовательно, чтобы заставить дугу гореть в области этого максимума, средний радиус трубчатых электродов должен быть равен наружному радиусу встроенных постоянных магнитов. При заданных размерах электродов значение индукции Врм уменьшается при увеличении d.

Таким образом, оптимальным расстоянием doru между электродами является такое, при котором обеспечивается максимум произведения электрической прочности U на радиальную составляющую индукции магнитного поля Врм, т.е.

U- Врм макс.

Таким образом, дугогасительное устройство можно охарактеризовать следующей совокупностью признаков. Электроды

дугогасительных промежутков выполнены в виде тороидов с установленными внутри встречно включенными постоянными магнитами, наружный диаметр которых выбран равным среднему диаметру дугогаситель0 ных электродов, а расстояние d между дуго- гасительными электродами выбрано соответствующим максимуму расчетного произведения экспериментальных функций U(d)n BpM(d), где функция U(d)- зависимость

5 электрической прочности дугогасительного промежутка от расстояния между его электродами, а функция BpM(d) - зависимость радиальной составляющей магнитного поля в дугогасительном промежутке от расстоя0 ния между его электродами.

Число промежутков п с указанными оптимальными параметрами зависит от величины тока короткого замыкания и рабочего напряжения защищаемой цепи.

5 После погасания дуг в п последовательно включенных промежутках завершается второй этап работы разрядника и наступает третий этап - возвращение подвижной системы в исходное состояние. Третий этап

0 должен быть предельно коротким, поскольку в грозовой период следующее перенапряжение этого вида может произойти очень быстро после первого.

Работа разрядника в третьем этапе про5 исходит следующим образом. После погаса- ния дуг в дугогасительном устройстве прекращается протекание тока по плоской катушке 19 индуктивности, одновременно исчезнет магнитное поле и катушка будет

0 стремиться принять свою первоначальную (плоскую) форму. Этому будет способствовать и пластинчатая пружина 21. При этом будет опускаться вниз и двухвильчатая планка 20, а вместе с ней и уплотняющий

5 управляемый клапан 23. Отверстие 48 открывается и газ из разрядной камеры 4 вытекает в изоляционный корпус 1.

Для ускорения процесса вытекания газа необходимо, чтобы сечение отверстия 48

0 было по возможности большим (при сравнительно малой его высоте). Обеспечение значительной ширины отверстия 48 становится возможным при заливке узких щелей расширительной и разрядной камер

525 и 4 полимеризующейся массой 52

(фиг. 2). Полимеризовавшаяся масса 52 при хорошей адгезии к стенкам камер 25 и 4 исключает утечку газа из лабиринта в корпус 1, когда отверстие 48 перекрыто уплотняющим управляемым клапаном 23.

При вытекании газа из разрядной камеры 4 и из лабиринта 28-30 пружина 49 возвращает подвижную систему (поршень 32, соединительная трубка 43 с оголовком 44 и размыкающий подвижный контакт 42) в исходное (верхнее) положение. Этим завершается третий этап.

Разрядник, таким образом, подготовлен к выполнению следующей операции по защите объекта от грозового перенапряжения.

Предлагаемый элегазовый разрядник по сравнению с известным имеет существенные технические преимущества.

Известный разрядник содержит всего один искровой промежуток с магнитным гашением дуги. Он может быть использован в сетях среднего напряжения (до 10 кВ) с небольшими токами короткого замыкания.

Предлагаемый разрядник предназначен для установки в сетях 35-110 кВ и даже в сетях 220 кВ. Он содержит не более двух промежутков в координирующем устройстве и п промежутков в дугогасительном.

Расчеты показывают, что при напряжениях сети 35 кВ и ниже в разрядной камере достаточен всего один координирующий промежуток (электрод 9 не нужен). При более высоких напряжениях вплоть до 220 кВ. достаточно двух координирующих промежутков (фиг. 1).

Стабильность разрядных характеристик предлагаемого разрядника достигается тем, что давление элегаза в изоляционном корпусе выбрано близким к атмосферному, а разрушающее электроды действие дуги сведено до возможного минимума тем, что, быстро перемещаясь под действием магнитного поля, дуга не успевает разогреть до опасной температуры те или иные участки электродов и, следовательно, вызвать их эрозию.

Эксплуатация предлагаемого разрядника чрезвычайно проста: после установки в систему он практически не потребует никакого ухода. Кроме того, отпадают затруднения, связанные с гашением дуги при малых токах отключения, как это имеет место в трубчатых разрядниках.

Формулаизобрете ния

1.Разрядник, содержащий заполненный элегазом корпус, внутри которого расположены соосно установленные и

подключенные к соответствующим выводам высоковольтный и заземленный электроды, образующие координирующий искровой промежуток, и источник магнитного поля, направленного перпендикулярно оси искрового промежутка, отличающийся тем, что, с целью повышения дугогаситель- ной способности, указанный искровой промежуток установлен в дополнительно введенной разрядной камере, сообщающейся с корпусом через отверстие с управ- ляемым клапаном, Привод которого выполнен в виде подпружиненной плоской катушки индуктивности, .включенной последовательно с искровым промежутком между

высоковольтным электродом и его выводом, указанная разрядная камера сообщается с окружающей ее дополнительно введенной расширительной камерой, выполненной в виде лабиринта, между заземленным электродом и его выводом включена дополнительно введенная цепь последовательно соединенных дугогасйтельных искровых промежутков, шунтированных дополнительно введенным размыкающим контактом, связанным с поршнем дополнительно введенного пневмоцилиндра, надпоршне- вая полость которого -сообщается-с указанной расширительной камерой.;

2.Разрядник по п. 1, 6 т л и ч а ю щ и й- с я тем, что электроды дугогасительных промежутков выполнены JB.виде, трройдов. с установленными внутри встречно включенными постоянными магнитами, наружный диаметр которых выбран равным

среднему диаметру дугогасйтельных .электродов, а расстояние d: между дугогаситель- нымиэлектродамивыбрано

соответствующим. максимуму расчетного произведения экспериментальных функций

U(d) и Bp-r(d), где функция U(d)- зависимость электрической прочности U дугогаситель- ного промежутка от расстояния d между его электродами, а функция BpT(d) - зависимость радиальной составляющей магнитного поля ВрТ в дугогасительном промежутке от расстояния d между его электродами.

Фие.$

Использование: для защиты от перенапряжений. Сущность изобретения: во внутренней полости изоляционного корпуса размещена разрядная камера, в которой имеется координирующий искровой промежуток. Разрядная камера сообщена с корпусом через отверстие с управляемым клапаном, привод которого выполнен в виде катушки индуктивности. Разрядная камера сообщена также с расширительной камерой в виде лабиринта, соединенного с пневмо- цилиндром, поршень которого жестко связан с размыкающим контактом. Последний шунтирует дугогасительные промежутки, включенные последовательно с. координирующим промежутком. 1 з.п. ф-лы, 2 ил. сл с