МЕТАЛЛООКИСНЫЕ РАЗРЯДНИКИ В ПЛАСТМАССОВОМ КОРПУСЕ ДЛЯ ЗАЩИТЫ ОТ ПЕРЕНАПРЯЖЕНИЯ
Для электрических сетей среднего напряжения выпускаются новые типы разрядников в пластмассовом корпусе с изготовленными по новой технологии металлоокисными варисторами, существенно улучшающими характеристики разрядников.
Чтобы разрядник защищал от перенапряжений, следует обеспечить равномерное протекание тока через варистор. Появление чрезмерных токов в элементах разрядника может привести к пробоям, трещинам и выходу разрядника из строя. При некачественном (с неравномерными зернами) варисторе могут возникнуть, например, чрезмерные токи утечки в нормальном режиме или искажений «переходов Шоттки» (дробовой эффект) при высоких импульсных токах.
В процессе изготовления варисторов из оксида цинка по традиционной технологии обогащенные добавками оксиды металлов измельчаются в шаровой мельнице и подмешиваются к порошкообразному оксиду цинка. Образующаяся смесь обрабатывается в более крупной шаровой мельнице или валковой дробилке, затем, распыляясь, пропускается через башенную проходную печь, где нагревается до температуры примерно 900°С для образования пограничных слоев зерен. Как правило, порошок на этой стадии бывает недостаточно перемешан, поэтому необходим еще один помол. Процесс заканчивается повторной распылительной сушкой и прессованием из образовавшегося порошка таблеток для варисторов.
При этом наблюдаются следующие недостатки:
небольшое количество обогатительных частиц должно равномерно распределяться по спрессованной и спеченной таблетке для образования однородной микроструктуры варистора, однако это весьма трудно обеспечить;
частицы обогащающего материала не могут быть измельчены до размеров частиц оксида цинка;
при перемалывании в порошок возможно внесение примесей других материалов;
порошок должен спекаться или обжигаться при высоких температурах, но при этом испаряется окись висмута, загрязняя печь и окружающую среду (воздух).
Новая технология изготовления варисторов из оксида цинка разработана в 1986 г. в лаборатории Райхема. Водный шлам порошка оксида цинка непрерывно перемешивается с химическим раствором обогащающего его металла. При этом порошок покрывается металлами дотирующего (обогащающего) вещества. Равномерно покрытые зерна внешне похожи на варисторы из обожженной керамики.
Такой способ позволяет равномерно распределять небольшое число частиц (по сравнению с числом зерен оксида цинка) дотирующего вещества. При этом порошок не размалывается, а загрязнения и примеси практически исключаются.
В результате равномерного распространения дотирующего материала по зернам оксида цинка полученную массу можно обжигать при достаточно низких температурах, что исключает испарение оксидов висмута и возможное нарушение гомогенности изготовленных из массы таблеток.
Таблетки из оксида цинка имеют улучшенные свойства по следующим параметрам;
небольшие токи утечки (омические потерн), так как граничные слои между зернами формируются равномерно и частицы равны по величине;
низкое остаточное напряжение за счет добавления алюминия и возможности распределения его равномерно по таблетке;
импульсная стабильность, позволяющая выдерживать высокоимпульсные токи до 100 кА без изменения омических потерь;
высокая способность к восприятию энергии учитывает многократную нагрузку высокоимпульсным током, а также незначительный разброс характеристик полуфабриката (таблеток). Специальные испытания помогли выявить предельную нагружаемость разрядников до 750 А при прямоугольных импульсах и до 150 кА при высокоимпульсных токах;
небольшой разброс электрических характеристик таблеток, например отклонение опорного напряжения, составляет ±2%, что исключает сортировку таблеток.
Разрядник серии HDA на напряжение 12 кВ для длительной нагрузки представлен на рис. 16. Металлоокисные таблетки спрессовываются с армированными волокнами пластмассовой оболочки и тарельчатых пружин, расположенных на концевых электродах. Таблетки отшлифованы плоско-параллельно, поэтому могут контактировать друг с другом непосредственно покрытыми алюминием концами без каких-либо выравнивающих промежуточных элементов.
На образовавшийся таким образом стержень надевается термоусаживаемая пластмассовая оболочка. Для защиты концов используются колпачки из хромоникелевой стали. Между боковой поверхностью и корпусом находятся индивидуально пригнанные слои, идеально упругие свойства которых обеспечивают герметичность разрядника даже при экстремальных температурных изменениях.
Рис. 16. Конструкция разрядника HDA в пластмассовом корпусе:
1 - таблетки из оксида цинка; 2 - внутренний корпус» армированный волокнами; 3 - уплотнительные слои, 4 - пластмассовый корпус; 5 - концевые колпаки
Следует отметить, что в таких случаях после срабатывания разрядник может иметь температуру до 200°С и должен нормально функционировать при температуре окружающего воздуха до -40°С. Наиболее характерной особенностью конструкции этих разрядников является почти полное отсутствие пустот между таблетками оксида цинка и корпусом..
Механические усилия при данной конструкции разрядников воспринимаются преимущественно армированной волокнами оболочкой через варисторные мембраны (таблетки), поэтому оказалось возможным увеличение Допускаемых усилий на клеммы разрядника по сравнению с исполнением разрядника в фарфоровом корпусе. Масса разрядника по сравнению с традиционным исполнением в фарфоровом корпусе может быть снижена до 50 %. Корпус разрядника выполняется в двух формах в зависимости от желаемой длины пути скользящего разряда. При этом для особо загрязненных районов удельная длина этого пути может достигать 50 мм/кВ.
В качестве наружной оболочки разрядника HDA используется термоусадочная пластмасса, применяемая для концевых кабельных муфт пиний электропередачи и гирлянд изоляторов Разработанная и изготовленная лабораторией Райхема такая пластмасса более 20 лет применяется в самых различных климатических условиях.
В разрядники с пластмассовым корпусом влага не попадает, однако каждый раз следует убедиться в том, что композиционная структура такого разрядника при неблагоприятных условиях препятствует проникновению воды. Чтобы получить доказательство его герметичности, проводят испытания в воде и на воздухе при различной температуре от +60 до -40°С.
В зоне длительной перегрузки такие разрядники могут долго работать с 10%-ным перенапряжением. Это свойство сохраняется и в том случае, если переменному напряжению предшествовало нагружение, например, током 100 кА в течение 0,4 мс, что исключает влияние помех в сети.
Небольшая масса и высокая механическая прочность новых разрядников позволяют монтировать их различными способами Составленная из модулей система соединительных а монтажных элементов дает возможность различных комбинаций при монтаже электрических установок.
Для применения в традиционных электроустановках разработан разрядник SPA, Имеющий интегрированный и изолированный ввод высокого напряжения. Благодаря этому оказывается возможным даже в стесненных условиях разместить разрядники во входном отсеке кабеля, препятствуя распространению дуги внутрь силовой установки.
Разрядники SPA применяются в основном для замены старых в действующих установках.
Из материалов книги: В.Я. Васильева, Т.Л. Дробиков, ВЛ. Лагутин - Эксплуатация электрооборудования электрических станций и подстанций.
