Вентильные разрядники

Вентильные разрядники состоят, как отмечалось выше, из ис­кровых промежутков и последовательно соединенных с ними ра­бочих нелинейных сопротивлений. Рассмотрим их основные осо­бенности.

Искровые промежутки вентильного разрядника

Искровой промежуток выполняет несколько функций:

отделяет рабочее нелинейное сопротивление от токоведущей цепи защищаемого объекта при нормальном режиме работы;

автоматически через искровой разряд вводит рабочее нели­нейное сопротивление в цепь разрядного тока на землю при воз­действии перенапряжений;

обеспечивает гашение электрической дуги сопровождающего тока.

Искровые промежутки вентильных разрядников делают таки­ми, чтобы они имели пологую вольт-секундную характеристику и надежно гасили электрическую дугу сопровождающего тока. Это достигается использованием многократного искрового промежут­ка и ограничением величины сопровождающего тока нелинейным рабочим сопротивлением разрядника. Сопровождающий ток ог­раничивается до десятков и сотен ампер, в то время как токи ко­роткого замыкания достигают нескольких тысяч ампер. Чем мень­ше сопровождающий ток, тем легче он разрывается в искровом про­межутке, т.е. гасится его дуга.

Многократный искровой промежуток состоит из единичных искровых промежутков. Единичный искровой промежуток (рис. 2.11, а) образуется двумя латунными штампованными шайбами, разделенными миканитовой прокладкой толщиной 0,5—1 мм. Электрическое поле в промежутке близко к равномерному. При приложении импульсного напряжения в газовых включениях ми­канитовой прокладки возникает ионизационный процесс (подсве­чивание), активизирующий межэлектродное пространство. Рав­номерное поле и подсвечивание обеспечивают пологую форму вольт-секундной характеристики и устраняют значительный раз-

Рис. 2.11. Искровые промежутки вентильных разрядников

брос пробивных напряжений, который обычно характерен для промежутков без дополнительной ионизации.

Каждый единичный искровой промежуток рассчитывается на номинальное пробивное напряжение около 1—1,5 кВ, а каждый блок из 4 таких промежутков — соответственно на напряжение 2,7—2,9 кВ.

Гашение дуги сопровождающего тока в многократном искро­вом промежутке основывается на принципе деления дуги на ряд коротких дуг, когда на каждый единичный искровой промежуток приходится небольшая доля восстанавливающегося напряжения.

Существенное влияние на процесс гашения дуги оказывает нели­нейное рабочее сопротивление, которое ограничивает величину со­провождающего тока и уменьшает сдвиг фазы между ним и рабо­чим напряжением до нескольких градусов (рабочее нелинейное со­противление является активным), при этом процесс гашения дуги облегчается. Повышение интенсивности гашения дуги сопровож­дающего тока, повышение защитного действия разрядника может быть достигнуто, если заставить дугу перемещаться по электродам под действием магнитного поля.

Одна из принципиальных конструктивных схем искрового промежутка с вращением дуги в магнитном поле представлена на рис. 2.11, б, в. Два кольцеобразных электрода образуют узкую щель, в которой возникают искровой разряд и дуга сопровожда­ющего тока. Магнитное поле напряженностью Н, создаваемое в искровом промежутке постоянным магнитным или сопровожда­ющим током в специальных обмотках, перемещает ствол дуги по круговой щели. Дуга начинает вращаться с большей скоростью, что вызывает ее интенсивное охлаждение и препятствует возник­новению устойчивого катодного пятна (источника термоэлектрон­ной эмиссии на поверхности электродов).

Многократный искровой промежуток представляет собой ем­костную цепочку из малых емкостей, напряжение по которой рас­пределяется неравномерно вследствие влияния емкости на землю. Каждый единичный искровой промежуток имеет неодинаковую величину напряжения и, следовательно, в процессах пробоя и га­шения дуги работает в неодинаковых условиях, поэтому необхо­димо обеспечить выравнивание распределения напряжения вдоль искровых промежутков при промышленной частоте и сохранить эту неравномерность при импульсах. Это достигается с помощью шунтирующих активных сопротивлений, включаемых параллель­но искровым промежуткам.

Величина шунтирующего сопротивления должна быть выбра­на так, чтобы при частоте 50 Гц ток, протекающий через него, был значительно больше емкостного тока, протекающего через искровые промежутки. Обычно используются нелинейные шун­тирующие сопротивления: чем больше напряжение, действующее на разрядник, тем длительнее выравнивающее действие этих со­противлений.

В разрядниках на напряжение 110 кВ и выше осуществляется еще дополнительное выравнивание напряжения при импульсах с помо­щью экранирующих колец.

Рабочие нелинейные сопротивления (резисторы)

Величина нелинейного сопротивления вентильных разрядников резко снижается при протекании больших импульсных токов пере­напряжений и автоматически увеличивается при протекании сопро­вождающего тока, поддерживаемого напряжением промышленной частоты.

По условиям защиты изоляции рабочее сопротивление должно быть небольшим, так как падение напряжения на нем, образующе­еся при прохождении импульсного тока и воздействующее на за­щищаемую изоляцию, не должно превышать разрядного напряже­ния этой изоляции. Рабочее сопротивление должно быть большим, в этом случае уменьшается сопровождающий ток и облегчаются условия гашения дуги этого тока в искровых промежутках.

Напряжение на рабочем сопротивлении вентильного разрядни­ка должно быть связано с током нелинейной зависимостью, при которой повышение импульсного тока приводит к незначительно­му росту напряжения на сопротивлении. Это свойство рабочего со­противления называется вентильным, под которым в данном слу­чае понимается отвод больших импульсных токов при сохранении напряжения на низком уровне.

Нелинейная вольт-амперная характеристика вентильного раз­рядника, имеющая вид кривой 3 (см. рис. 2.7, в), может быть при­ближенно выражена отношением

U=CI^а, (2.7)

где U и I — напряжение и ток разрядника; С и а — постоянные коэффициенты, зависящие от материала рабочего нелинейного со­противления вентильного разрядника; коэффициент а — коэффи­циент вентильности или показателя нелинейности.

Определенными вентильными характеристиками обладают сопротивления, выполненные из полупроводниковых материа­лов. Для этой цели используется электротехнический карборунд, из которого изготавливаются нелинейные сопротивления в форме дисков (первоначально тиритовые, а затем вилитовые и тервитовые).

Материал сопротивлений представляет собой зерна электро­технического карборунда, скрепленные так называемой связкой, при этом площадь соприкосновения отдельных зерен между со­бой составляет небольшую часть их поверхности. На поверхнос­ти зерна вследствие проникновения в нее молекул окисла крем­ния образуется запорный слой (толщиной порядка Ю-5 см). Со­противление этого слоя при небольшом напряжении, приложенном к кристаллу карборунда, достигает весьма значительных величин, намного превосходящих сопротивление зерен самого карборун­да. Таким образом, все напряжение приходится на запорный слой. С ростом напряженности поля и температуры сопротивление за­порного слоя и переходные сопротивления контактов падают. Если напряженность поля достигает величины, достаточной для возник­новения газового разряда в порах между зернами, то возникает ду­говая проводимость в местах контакта, которая имеет следующие особенности:

в ходе вольт-амперной характеристики появляется резкий пе­релом;

при больших токах в характеристике появляется гистерезисная петля (см. рис. 2.7, в); вольт-амперная характеристика оказывается зависимой от фор­мы волны.

Диски рабочих сопротивлений изготовляются прессованием и последующим обжигом смеси, состоящей из порошка карборунда, связующего вещества (жидкое стекло) и наполнителей (мел, гра­фит), уменьшающих пористость и сопротивление. Используя связ­ку из жидкого стекла и низкую температуру обжига, получают ви­литовые диски, приближающиеся по своим характеристикам к элек­тротехническому карборунду.

Под пропускной способностью понимают способность пропус­кать предельные значения токов без повреждения. Пропускная спо­собность при импульсах оказывается тем меньшей, чем больше амплитуда тока, длина волны и число воздействующих импульсов, а при сопровождающих токах она определяется в основном дли­тельностью их протекания. Вилитовые диски относятся к группе сопротивлений с малой пропускной способностью. При прочих равных условиях они имеют меньшую пропускную способность и используются в разрядниках для защиты от атмосферных и ком­мутационных перенапряжений. При установке эти диски требу­ют нанесения защитных покрытий, так как они недостаточно вла­гостойки.

Конструкция вентильных разрядников

Отечественная промышленность выпускает рассчитанные на все классы напряжений разрядники следующих серий:

разрядники для защиты от атмосферных перенапряжений об­легченной конструкции на 3, 6, 10 кВ серии РВО (разрядник вен­тильный облегченный) и нормальной конструкции на 15—220 кВ серии РВС (разрядник вентильный станционный);

разрядники для защиты изоляции вращающихся машин пере­менного тока от атмосферных перенапряжений на 3—10 кВ серии РВРД-З-ЮУ (разрядник вентильный вращающихся машин);

разрядники для защиты от атмосферных перенапряжений и некоторых видов кратковременных коммутационных перенапря­жений на 150—500 кВ серии РВМГ (разрядник вентильный маг­нитный грозовой), а также для защиты от грозовых и коммутаци­онных перенапряжений на 150—500 к В серии РВМК (разрядник вен­тильный комбинированный);

разрядники для защиты изоляции тяговых подстанций пере­менного тока от грозовых перенапряжений на 25 кВ серии РВС, а также разрядники для защиты тяговых подстанций постоянного тока на 3,3 кВ серии РМВУ (разрядник магнитный вентильный), РВПК (разрядник вентильный поляризованный комбинирован­ный);

разрядники для защиты от атмосферных перенапряжений вы­полняются на базе вилитовых дисков и обычных искровых проме­жутков, а разрядники для защиты от грозовых и коммутационных перенапряжений — на базе тервитовых дисков и искровых проме­жутков с магнитным гашением дуги (РВМГ).

Вентильные разрядники, рассчитанные на различные классы на­пряжения изготавливаются из одних и тех же элементов — после­довательно соединенных искровых промежутков и рабочих нели­нейных сопротивлений, объединенных в одно целое в герметически закрытом фарфоровом корпусе. Расположение элементов фиксиру­ется спиральными пружинами, а герметизация фарфорового корпу­са производится специальными резиновыми прокладками.

Рабочее нелинейное сопротивление составляется из единичных вилитовых и тервитовых дисков в виде колонки. Рабочие поверхно­сти дисков металлизируются алюминием для обеспечения лучшего контакта между дисками, а боковые поверхности покрываются сло­ем лака для увеличения разрядного напряжения по поверхности. Во многих конструкциях диски собираются в блоки по 4,6,10 штук.

На рис. 2.12, а представлен разрез вентильного разрядника РВС-20 на напряжение 20 кВ, на котором видно размещение ис­кровых промежутков и блоков нелинейных рабочих сопротивле­ний в общей фарфоровой крышке.

а — разрез вентильного разрядника; б — стандартный элемент искрового проме­жутка вентильного разрядника: / — еди­ничный искровой промежуток; 2 — ла­тунная крышка; 3 — подковообразное шунтирующее карборундовое сопро­тивление; 4 — цилиндр

Группа единичных искровых промежутков, размещенная в фар­форовом корпусе, представляет собой комплект промежутков (рис. 2.12, б). Две латунные крышки, не связанные жестко с цилин­дром, имеют вырезанные в них пружинящие контакты. К крыш­кам цилиндра прикрепляется комплект керамических сопротивле­ний, шунтирующих искровые промежутки.

Диски рабочих сопротивлений объединяются в блоки с помо­щью керамической обмазки. Через металлизированные торцевые поверхности дисков осуществляется контакт между блоками.

Фарфоровая покрышка разрядника с обеих сторон закрыта стальными или силуминовыми крышками. В верхней и нижней ча­сти покрышки размещена сжимающая коническая пружина.

Внешний вид разрядника типа РВС-220 показан на рис. 2.13, а, примерный вид вольт-амперной и вольт-секундной характери­стик — на рис. 2.13, б. В вентильных разрядниках серии РВМГ ис­пользуются искровые промежутки (см. рис. 2.12, б) и тервитовые рабочие сопротивления.

На рис. 2.14 показан внешний вид магнито-вентильного раз­рядника на напряжение 500 кВ, в котором применяются искровые промежутки с вращением дуги в магнитном поле и рабочее со­противление, собранное из вилитовых дисков диаметром 150 мм и высотой 50 мм (всего 120 дисков). Диски комплектуются в изо­ляторах типа КО-500, расположенных зигзагом между опорным стойками. Пять элементов искровых промежутков размещены в средней части колонки дисков. Каждый элемент состоит из четы­рех единичных промежутков (см. рис. 2.11, в), расположенных в зазорах, образованных пятью постоянными магнитами цилинд­рической формы.

Единичный искровой промежуток имеет следующее устрой­ство. В зазоре между двумя магнитами кольцевой формы 8 распо­лагаются в одной плоскости два электрода: один внешний, вы­полненный в виде кольца 2, второй внутренний 1 — в виде диска.

Э лектроды изолируются от постоянных магнитов миканитовыми 4 и прессшпановыми прокладками 3. Между элект­родами образуется кольцевой зазор в 1—1,5 мм, а дуга сопро­вождающего тока возникает в щели между электродами. Магнитное поле постоянного магнита с напряженностью по­рядка 40000—80 ООО А/м быст­ро перемещает дугу по кольце­вому зазору. В результате это­го электроды остаются холод­ными и при каждом переходе сопровождающего тока через нуль скорость роста диэлект­рической прочности проме­жутка возрастает.

Рис. 2.14. Внешний вид магнитовентильного разрядника на 500 кВ

Комбинированные разрядники серии РВМК (разрядник вентиль­ный магнитный комбинированный) изготавливаются по принци­пиальной схеме, приведенной на рис. 2.15, а, и предназначены за­щищать одновременно от атмосферных и коммутационных пере­напряжений в установках на напряжение 330—500 кВ. Разрядник состоит из основного искрового промежутка 1 с магнитным га­шением дуги сопровождающего тока и основного рабочего со­противления 2, собранного из тервитовых дисков. Основное ра­бочее сопротивление 2 состоит из сопротивлений грозовой части разрядника 2' и сопротивления шунтированной части рабочего со­противления 2", параллельно которой включен дополнительный ис­кровой промежуток 3. Рабочее сопротивление рассчитано на про­текание сопровождающих токов с амплитудой до 1500 А.

Работа разрядника при воздействии коммутационных и атмо­сферных перенапряжений протекает различно. В первом случае при его срабатывании в цепь тока включается большее количе­ство рабочих дисков основного сопротивления 2, а во втором — меньшее их число, соответствующее сопротивлению 2'. Это про­исходит автоматически в результате пробоя при коммутационных перенапряжениях только основного искрового промежутка / (про­межуток 3 не пробивается, так как напряжения для этого недоста­точно), а при атмосферных перенапряжениях обоих промежутков шунтирующий промежуток 3 выводит из цепи тока часть рабочих дисков 2". В результате при коммутационных перенапряжениях про­исходит значительно большее ограничение сопровождающего тока, чем при атмосферных. Вольт-амперные характеристики имеют вид, показанный на рис. 2.15, б, они состоят из отрезков характеристик рабочего сопротивления 2 (кривая 1) и сопротивления 2’ (кривая 2).