Вентильные разрядники

Рис.4. Вентильный разрядник (а) и его искровые промежутки в увеличенном масштабе (б)

 

Разрядник типа PBC-1O (разрядник вилитовый станционный на 10 кВ) показан на рис.4,а. Основными элементами являются вилитовые кольца 1, искровые промежутки 2 и рабочие резисторы 3. Эти элементы расположены внутри фарфорового кожуха 4, который с тор­цов имеет специальные фланцы 5 для крепления и присоединения раз­рядника. Рабочие резисторы 3 изменяют свои характеристики при наличии влаги. Кроме того, влага, оседая на стенках и деталях внутри разряд­ника, ухудшает его изоляцию и создает возможность перекрытия. Для исключения проникновения влаги кожух разрядника герметизируется по торцам с помощью пластин 6 и уплотнительных резиновых прокла­док 7.

Работа разрядника происходит в следующем порядке. При появлении перенапряжения пробиваются три последовательно включенных блока искровых промежутков 2 (рис.4,б). Импульс тока при этом через рабочие резисторы замыкается на землю. Возникший сопровождающий ток ограничивается рабочими резисторами, которые создают условия для гашения дуги сопровождающего тока.

После пробоя искровых промежутков напряжение на разряднике

Если сопротивление разрядника Rр определяемое рабочими рези­сторами, линейное, то напряжение на разряднике растет пропорцио­нально току и может стать выше допустимого для защищаемого оборудования. Для ограничения напряжения Uр сопротивление Rр выпол­няется нелинейным и с ростом тока уменьшается. Зависимость между напряжением и током в этом случае выражается как

где А -постоянная, характеризующая напряжение на сопротивлении Rp при токе 1 А; α -показатель нелинейности. Случай, когда α=0, яв­ляется идеальным, так как напряжение Up не зависит от тока.

Описанные разрядники получили название вентильных, потому что при импульсных токах их сопротивление резко падает, что дает воз­можность пропустить большой ток при относительно небольшом паде­нии напряжения.

Рис.5. Вольт-амперная характеристика вилитового резистора

 

В качестве материала нелинейных резисторов широко применяется вилит. В области больших токов его показатель нелинейности α=0,13-0,2. Типичная вольт-амперная характеристика вилитового резистора приведена на рис.5,а. При небольших токах сопротивление Rp ве­лико и напряжение линейно растет с ростом тока (область А). При больших токах сопротивление резко уменьшается и напряжение Uр поч­ти не растет (область В).

Основу вилита составляют зерна карборунда SiC с удельным со­противлением около 10^-2 Ом·м. На поверхности карборундовых зерен создается пленка оксида кремния SiO₂ толщиной 10^-7 м, сопротивление которой зависит от приложенного к ней напряжения. При небольших напряжениях удельное сопротивление пленки составляет 10⁴-10⁶ Ом·м. При увеличении приложенного напряжения сопротивление пленки рез­ко уменьшается, сопротивление определяется в основном зернами кар­борунда и падение напряжения ограничивается..

Рабочие резисторы изготавливаются в виде дисков диаметром 0,1-0,15 м и высотой (20-60)·10^-3 м. С помощью жидкого стекла зер­на карборунда прочно связываются между собой.

Вилит очень гигроскопичен. Для защиты от влаги цилиндрическая поверхность дисков покрывается изолирующей обмазкой. Торцевые по­верхности являются контактными и металлизируются.

Обычно несколько рабочих резисторов в виде дисков соединяются последовательно (на рис.3,а изображено 10 дисков). При наличии n дисков остающееся напряжение

 

 

Для уменьшения остающегося напряжения число дисков n должно быть как можно меньше.

При прохождении тока температура дисков повышается. При про­текании импульса тока большой амплитуды, но малой длительности (десятки микросекунд) резисторы не успевают нагреваться до высокой температуры. При длительном протекании даже небольших токов про­мышленной частоты (один полупериод равен 10 мс) температура мо­жет превысить допустимое значение, диски теряют свои вентильные свойства, и разрядник выходит из строя.

Предельно допустимая амплитуда импульса тока для диска диа­метром 100 мм равна 10 кА при длительности импульса 40 мкс. Допу­стимая амплитуда прямоугольного импульса с длительностью 2000 мкс не превышает 150 А. Такие токи диск без повреждения пропускает 20-30 раз.

После прохождения импульсного тока через разрядник начинает протекать сопровождающий ток, представляющий собой ток промыш­ленной частоты. По мере приближения тока к нулевому значению со­противление вилита резко увеличивается, что ведет к искажению сину­соидальной формы тока. Увеличение сопротивления цепи ведет к умень­шению тока и угла сдвига фаз φ между током и напряжением (φ->0). На рис.5,б показаны кривые токов в рабочем резисторе. Здесь 1 -напряжение источника 50 Гц; 2 -кривая тока цепи, определяемого ин­дуктивным сопротивлением Х; 3 -кривая тока, определяемого рабочим резистором (Rр>>X). Из-за нелинейности резистора Rp уменьшается возвращающееся напряжение (напряжение промышленной частоты). Уменьшение скорости подхода тока к нулю уменьшает мощность дуги в области нулевого значения тока. Все это облегчает процесс гашения дуги, горящей между электродами разрядного промежутка. Благодаря применению латунных электродов в искровых промежутках после про­хода тока через нуль около каждого катода образуется промежуток, электрическая прочность которого 1,5 кВ. Это обеспечивает гашение сопровождающего тока при первом прохождении тока через нуль и по­зволяет погасить дугу в искровых промежутках без применения специ­альных дугогасительных устройств.

Устройство искрового промежутка вентильного разрядника ясно из рис.4,б. Форма электродов обеспечивает равномерное электрическое поле, что позволяет получить пологую вольт-секундную характеристи­ку. Расстояние между электродами принимается (0,5-1)·10^-3 м.

Возникновение заряда в закрытом объеме разрядника при малой длительности импульса тока затруднено. Для облегчения ионизации искрового промежутка между электродами помещается миканитовая прокладка. Так как диэлектрическая проницаемость воздуха значительно меньше, чем у входящей в состав миканита слюды, то в приэлектродном объеме воздуха возникают высокие градиенты электрического поля, вызывающие его начальную ионизацию. Образующиеся электро­ны приводят к быстрому формированию разряда в центре искрового промежутка.

Искровые промежутки последовательно соединяются, образуя блок (см. рис.4,б). Обычно разрядник имеет несколько таких блоков. Результирующая вольт-секундная характеристика последовательно со­единенных промежутков достаточно пологая.

Экспериментально установлено, что одиночный искровой промежу­ток способен отключить сопровождающий ток с амплитудой 80—100 А при действующем значении напряжения 1—1,5 кВ. Число единичных

промежутков выбирается исходя из этого напряжения. Количество дис­ков рабочего резистора должно быть таким, чтобы максимальное зна­чение тока не превысило 80—100 А. При этом гашение дуги обеспечи­вается за один по л у пери од.

Для обеспечения равномерной нагрузки при промышленной частоте промежутки шунтируются нелинейными резисторами 1 (рис.4). Тер­мическая стойкость дисков рассчитана на пропускание сопровождающе­го тока в течение одного-двух полупериодов.

Внутренние перенапряжения имеют низкочастотный характер и мо­гут длиться до 1 с. Вследствие малой термической стойкости вилит не может быть использован для ограничения внутренних перенапряжений. Для ограничения внутренних перенапряжений используется аналогич­ный вилиту материал тервит, обладающий большой термической стой­костью и повышенным показателем нелинейности α=0,15- 0,29.

 

 

Рис.6. Комбинированный разрядник с тервитовыми резисторами

 

Тервитовые диски используются в комбинированных разрядниках (рис.6,а), предназначенных для защиты как от внутренних (комму­тационных), так и от внешних (атмосферных) перенапряжений. При внутренних перенапряжениях работают оба нелинейных резистора НР1 и НР2 (кривая 1 иа рис.6,б). При атмосферных перенапряжениях из-за большого тока напряжение на НР2 пробивает промежуток ИП2 и напряжение на защищаемой линии снижается (кривая 2).

Вентильные разрядники работают бесшумно. Число срабатываний фиксируется специальным регистратором, который включается между нижним выводом разрядника и заземлением. Наиболее надежны элект­ромагнитные регистраторы, якорь которых при прохождении импульс­ного тока воздействует на храповой механизм счетного устройства.

С помощью искровых промежутков, показанных на рис. 4,б не­возможно отключение токов 200—250 А. В этом случае для гашения дуги применяются камеры магнитного дутья с постоянным магнитом. Дуга, возникающая в искровом промежутке, под воздействием магнит­ного поля загоняется в узкую щель с керамическими станками. На этом принципе созданы разрядники на напряжение до 500 кВ. Увеличение диаметра дисков до 150 мм позволяет поднять их термическую стой­кость. В результате комбинированные магнитно-вентильные разрядни­ки позволяют ограничивать как внутренние, так и атмосферные перена­пряжения.

Основные характеристики вентильного разрядника:

1.Напряжение гашения Uгаш - наибольшее приложен­ное к разряднику напряжение промышленной частоты, при котором надежно обрывается сопровождающий ток. Это напряжение определяется свойствами разрядника. Напря­жение промышленной частоты, прикладываемое к разряд­нику, зависит от параметров схемы. Если при КЗ на землю одной фазы на свободных фазах появляется перенапря­жение, то напряжение гашения, прикладываемое к разряд­нику, определяется уравнением

 

 

где Кз - коэффициент, зависящий от способа заземления нейтрали; Uном - номинальное линейное напряжение сети. Для установок с заземленной нейтралью Кз=0,8, для изо­лированной нейтрали Кз = l,l.

2.Ток гашения Iгаш, под которым понимается сопровож­дающий ток, соответствующий напряжению гашения Uгаш.

3.Дугогасящее действие искрового промежутка харак­теризуется коэффициентом

 

где Uпр - напряжение пробоя частотой 50 Гц искрового промежутка.

 

4. Защитное действие нелинейного резистора характери­зуется коэффициентом защиты

 

 

где Uост - напряжение на разряднике при импульсном то­ке 5—14 кА. Это напряжение должно быть на 20—25 % ниже разрядного напряжения защищаемой изоляции.