2.4. Принцип действия и основные типы разрядников

Разрядники используются для защиты электрической изоляции установок высокого напряжения от опасных воздействий перена­пряжений.

Основными элементами разрядников являются искровые про­межутки (воздушные промежутки между электродами) или искро­вые промежутки с последовательно включенными нелинейными сопротивлениями. Искровые промежутки включаются между фа­зой и землей параллельно защищаемой изоляции. Одна из важных характеристик всякого разрядника — вольт-секундная характери­стика его промежутка. В нормальном режиме работы разрядники не имеют замкнутой электрической цепи, так как являются воздуш­ными диэлектриками, и ток через них не проходит. Когда перена­пряжение достигает величины, определяемой вольт-секундной ха­рактеристикой разрядника, происходит его срабатывание, т.е. про­межуток разрядника пробивается, соединяя фазу защищаемой изоляции с землей и отводя электрические заряды опасной волны перенапряжений в землю через искровой разряд.

Если разрядник А (рис. 2.7, а) и защищаемая изоляция Б вклю­чены параллельно и вольт-секундная характеристика 1 искрового промежутка разрядника расположена ниже вольт-секундной харак­теристики 2 промежутка защищаемой изоляции, то при перенапря­жениях разрядник срабатывает раньше, чем произойдет пробой изоляционного промежутка S_H защищаемой изоляции. В этом слу­чае разрядник обеспечивает защиту изоляции. Надежная защита изоляции возможна в том случае, когда между характеристиками изоляции и разрядника существует определенный интервал — не менее 15% от значений характеристики изоляции, когда разряд­ник устанавливается непосредственно у защищаемой изоляции, и около 20% от значений характеристики изоляции при установке его на некотором расстоянии от изоляции (с учетом возможного падения напряжения между изоляцией и разрядником).

Если вольт-секундная характеристика разрядника 1, пунктир­ная линия (см. рис. 2.7, а), пересекает вольт-секундную характери­стику 2 изоляции, то это означает, что разрядник не защищает изо­ляцию в области малых времен разряда, а обеспечивает защиту

Рис, 2.7. Принцип действия разрядников:

а — вольт-секундные характеристики разрядника и защищаемой изоляции; б — схема защиты изоляции от перенапряжений разрядниками; в — вольтамперные характеристики разрядников

только в области больших времен разряда. В силу этого вольт-се­кундная характеристика разрядника должна быть более пологой, чем характеристика защищаемой изоляции.

Вольт-секундные характеристики различных типов разрядников отличаются своей крутизной. Пологие характеристики, приближа­ющиеся к горизонтальной прямой, могут быть получены в проме­жутках с равномерным полем. В этом случае пробивное напряже­ние разрядника мало зависит от времени его приложения. Идеаль­ной вольт-секундной характеристикой является горизонтальная прямая вплоть до самых малых времен разряда.

По конструктивному решению разрядники могут быть разделе­ны на четыре основные группы: 1) искровые разрядники (РИ); 2) трубчатые разрядники (РТ); 3) вентильные разрядники (РВ); 4) ограничители перенапряжений (ОПН).

Принцип действия всех четырех групп одинаков и поясняется схемой, представленной на рис. 2.7, б. На линии АБ параллельно защищаемой изоляции с изоляционным промежутком 5И включа­ют тот или иной разрядник РИ, РТ, РВ или ОПН, имеющий соот­ветственно искровой промежуток S_p, S_H + S_B или Sn. Вольт-секунд­ная характеристика разрядника располагается ниже вольт-секунд­ной характеристики изоляции И. В силу этого опасная волна перенапряжений с амплитудой U_п отводится через разряд искро­вого промежутка в землю, т.е. срезается разрядником, а провод линии АБ соединяется с землей. Как только заряды опасной волны перенапряжений линии АБ будут отведены в землю, а потенциал на защищаемом участке линии снизится до безопасного уровня, через разрядник начнет проходить ток, поддерживаемый рабочим напряжением установки и представляющий собой ток короткого замыкания на землю. Протекающий через разрядник ток при ра­бочем напряжении промышленной частоты носит название сопро­вождающего тока.

В искровом разряднике РИ нет устройства для гашения дуги сопровождающего тока, поэтому ток поддерживается до тех пор, пока не отключится выключатель В. После этого линия обесточивается, и электроснабжение потребителя прерывается.

В трубчатом разряднике РТ сопровождающий ток обычно га­сится во внутреннем промежутке SB газами, выделяющимися из газогенерирующего вещества трубки под действием дуги. При этом время гашения дуги значительно меньше того времени, которое требуется для срабатывания реле, приводящего в действие выклю­чатель В. Следовательно, трубчатый разрядник обеспечивает бес­перебойность электроснабжения потребителей.

В вентильном разряднике РВ при пробое волной перенапряже­ний искрового промежутка Sn соединение линии с землей проис­ходит через искру и нелинейное сопротивление Rp. Это сопротив­ление обладает нелинейной вольт-амперной характеристикой, причем величина сопротивления уменьшается с увеличением на­пряжения. Поэтому после пробоя промежутка Sn, когда сопротив­ление Яр оказывается под воздействием большого напряжения и величина сопротивления резко падает, большой ток волны пере­напряжений отводится в землю, не создавая на сопротивлении опас­ного падения напряжения. После отвода тока в землю разрядник оказывается подключенным к линии АБ, находящейся под рабо­чим напряжением, при этом нелинейное сопротивление резко воз­растает, ограничивая сопровождающий ток промышленной часто­ты. Гашение дуги сопровождающего тока, ограниченного сопро­тивлением, в вентильном разряднике осуществляется в искровом промежутке путем деления дуги на ряд коротких дуг между еди­ничными промежутками. Работа вентильных разрядников не ока­зывает влияния на режим работы линии АБ, обеспечивая надеж­ное, бесперебойное электроснабжение потребителей.

Величина сопровождающего тока в искровых и трубчатых раз­рядниках может достигать нескольких тысяч ампер в зависимости от типа разрядника, его места установки и всей схемы защиты от перенапряжений. В вентильных разрядниках сопровождающий ток обычно ограничивается величиной в несколько десятков ампер.

Вольт-секундные характеристики искрового и трубчатого раз­рядников имеют значительную крутизну, которая объясняется не­равномерностью электрического поля в этих промежутках (меж­электродных расстояниях). Пологость вольт-секундной характери­стики вентильного разрядника обеспечивается равномерным полем искрового промежутка, состоящего из большого количества еди­ничных промежутков с малыми воздушными зазорами (0,8—1 мм).

Важной характеристикой разрядника является его вольт-ампер­ная характеристика представляющая собой зависи­мость напряжения на разряднике, возрастающего до пробивного, от тока, который протекает через него. Характеристика идеально­го разрядника — прямая 1 (рис. 2.7, в), показывающая, что напря­жение на таком разряднике круто возрастает от нулевого пробив­ного напряжения и остается постоянным независимо от тока, про­ходящего через разрядник. Кривые 2, 3, 4 представляют собой типичные вольт-амперные характеристики для различных типов разрядников.

В искровых и трубчатых разрядниках ВАХ представляет собой прямую 2, проходящую через начало координат с наклоном, опре­деляемым величиной сопротивления заземления R.y При прохож­дении тока / через разрядник напряжение на нем (и на защищае­мой изоляции линии) U = IR_r

В вентильных разрядниках зависимость U=f(I) характеризует­ся кривыми 3 и 4. Нелинейное сопротивление, включенное после­довательно с искровым промежутком, уменьшается при возраста­нии тока, а поэтому падение напряжения растет значительно мед­леннее тока. Разница в форме кривых 3 и 4 объясняется типом применяемого для сопротивления материала (в кривой 4 величина сопротивления зависит от направления изменения тока — возрас­тания или убывания).

Искровые и трубчатые разрядники используются главным об­разом для защиты от перенапряжений линейной изоляции, а вен­тильные — для защиты подстанционной изоляции и прежде всего вращающихся машин и силовых трансформаторов.

До последнего времени было принято резкое деление на разряд­ники, предназначенные для защиты от атмосферных перенапряже­ний и от внутренних перенапряжений. Атмосферные перенапряже­ния характеризуются большой амплитудой волны перенапряжения, но малой длительностью ее воздействия (10—50 мкс), а коммута­ционные перенапряжения — меньшей амплитудой, но большей дли­тельностью ее воздействия (103—104 мкс).

Применение вентильных и комбинированных разрядников по­зволило снизить величины испытательных напряжений, уровень изоляции оборудования высокого напряжения и, соответственно, его стоимость.

Основные требования, предъявляемые к разрядникам:

• вольт-секундная характеристика разрядника должна быть по­логой и на всем протяжении, во всем диапазоне времени, лежать ниже вольт-секундной характеристики защищаемой изоляции на 15—20% (от характеристики защищаемой изоляции);

• вольт-амперная характеристика должна иметь вид, максималь­но приближающийся к прямой, параллельной оси абсцисс;

• разрядник должен обеспечивать гашение дуги сопровождаю­щего тока при первом прохождении тока через нуль;

• разрядник должен иметь по возможности наиболее стабиль­ные характеристики, мало изменяющиеся в процессе работы и под действием атмосферных влияний.