Юриков П. А., Вентильные разрядники для электроустановок. Москва, «Энергия», 1975.
Рассмотрены принцип действия, конструкции, параметры, монтаж и методика профилактических испытаний вентильных разрядников. Приведены сведения по новым типам разрядников РВТ и РВРД. Рассчитано на техников и электромонтеров, обслуживающих и монтирующих оборудование электрических сетей и подстанций.
ВВЕДЕНИЕ
На зажимах оборудования электроустановок при коммутациях электрических цепей, разрядах молнии и т. п. могут возникать повышения напряжения, представляющие опасность для изоляции оборудования (перенапряжения). Основным средством ограничения перенапряжений служат вентильные разрядники.
Впервые разрядники с плавкими вставками для защиты изоляции электроустановок от перенапряжений начали применяться с конца 80-х годов прошлого столетия [Л. 1]. Они не удовлетворяли требованиям эксплуатации электроустановок и быстро были заменены разрядниками с многократным искровым промежутком (роликовые разрядники).
В 1908 г. был разработан вентильный разрядник. Он состоял из комбинации многократного искрового промежутка и конденсаторов. При повышении приложенного напряжения у этого разрядника увеличивалось количество пробитых промежутков, включенных параллельно, вследствие чего возрастала его проводимость. Он действовал как паровой клапан (вентиль) при избыточном давлении — с увеличением давления увеличивал пропускную способность. Поэтому его назвали вентильным.
В 1935 г. были разработаны разрядники с нелинейным последовательным резистором из тирита, называвшиеся тиритовыми наружными (РТН).
До 1960 г. выпускались вентильные разрядники, предназначенные для защиты только от грозовых перенапряжений — грозозащитные разрядники, а начиная с 1960 г. начался выпуск комбинированных разрядников, предназначенных для защиты как от грозовых, так и от внутренних перенапряжений.
В настоящее время в соответствии с требованиями «Правил устройства электроустановок» (ПУЭ) и «Правил технической эксплуатации» (ПТЭ) все ответственное электрооборудование электроустановок защищается вентильными разрядниками.
1. ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ И ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ГРОЗОЗАЩИТНЫХ ВЕНТИЛЬНЫХ РАЗРЯДНИКОВ
Основными элементами вентильного разрядника являются искровой промежуток ИП и нелинейный последовательный резистор RK, которые включаются последовательно между токоведущим проводом и землей параллельно защищаемой изоляции (рис. 1).
При воздействии на разрядник импульса грозового перенапряжения его искровой промежуток пробивается и через разрядник проходит ток. Разрядник таким образом вводится в работу. Напряжение, при котором пробиваются искровые промежутки, называется пробивным напряжением разрядника Uщ,.
После пробоя искрового промежутка напряжение на разряднике, а значит, и ,на защищаемой им изоляции снижается (рис. 2) до величины, равной произведению импульсного тока Iи на сопротивление последовательного резистора RH. Это напряжение называется остающимся напряжением U0ст. Его величина не остается постоянной, а изменяется вместе с изменением величины импульсного тока Iи, проходящего через разрядник. Однако в течение всего времени работы разрядника остающееся напряжение не должно повышаться до величины, опасной для защищаемой изоляции.
Рис. 1. Электрическая схема включения вентильных разрядников.
ИП — искровой промежуток; RB — сопротивление нелинейного последовательного резистора; V — импульс грозового перенапряжения; И — изоляция защищаемого объекта.
После прекращения протекания импульсного тока через разрядник продолжает проходить ток, обусловленный напряжением промышленной частоты. Этот ток называется сопровождающим. Искровые промежутки разрядника должны обеспечить надежное гашение дуги сопровождающего тока при первом прохождении его через нуль.
Надежность гашения дуги искровым промежутком зависит от величины напряжения промышленной частоты на разряднике в момент гашения сопровождающего тока. Максимальная величина напряжения, при которой искровые промежутки надежно разрывают сопровождающий ток, называется наибольшим допустимым напряжением или напряжением гашения UTRm.
Величина напряжения гашения вентильного разрядника задается режимом работы электроустановки, в которой он работает. Так как при грозовых воздействиях могут происходить одновременно замыкание одной фазы на землю и работа вентильных разрядников на других неповрежденных фазах, то напряжение на этих фазах при этом повышается. Напряжение гашения вентильных разрядников выбирается с учетом подобных повышений напряжения.
Для разрядников, работающих в сетях с изолированной нейтралью, напряжение гашения принимается равным
где Uф — рабочее фазное напряжение.
При этом учитывается возможность повышения напряжения на неповрежденных фазах до линейного при замыкании одной фазы на землю и еще на 10% из-за регулирования напряжения потребителя. Следовательно, наибольшее рабочее напряжение разрядника составляет 110% номинального линейного напряжения £Л,0М.
Рис. 2. Форма импульса напряжения до и после срабатывания вентильного разрядника.
(р — время срабатывания разрядника (время разряда); Iи — импульсный ток разрядника.
Для разрядников, работающих в сетях с глухо заземленной нейтралью, напряжение гашения составляет 1,4 Uф, т. е. 0,8 номинального линейного напряжения сети: Uram= 1,4 Uф = 0,8 Uaом. Поэтому такие разрядники иногда называются 80%-ными.
Искровые промежутки вентильных разрядников должны удовлетворять следующим требованиям:
иметь стабильное пробивное напряжение при минимальных разбросах;
иметь пологую вольт-секундную характеристику; не изменять свое пробивное напряжение после многократных срабатываний;
гасить дугу сопровождающего тока при первом переходе его через нулевое значение.
Этим требованиям удовлетворяют многократные искровые промежутки, которые собираются из единичных искровых промежутков с малыми воздушными зазорами. Единичные искровые промежутки включаются последовательно и на каждый из них при наибольшем допустимом напряжении приходится около 2 кВ.
Деление дуги на короткие дуги в единичных искровых промежутках повышает дугогасящие свойства разрядника, что объясняется интенсивным охлаждением дуги и большим падением напряжения у каждого электрода (эффект катодного падения напряжения).
Напряжение пробоя искровых промежутков разрядника при воздействии атмосферных перенапряжений определяются его вольт-секундной характеристикой, т. е. зависимостью времени разряда от амплитуды импульса перенапряжения [Л. 2]. Время разряда — это время от начала воздействия импульса перенапряжения до пробоя искрового промежутка разрядника.
Для эффективной защиты изоляции вольт-секундная характеристика ее 2 должна лежать выше вольт-секундной характеристики разрядника 1 (рис. 3). Сдвиг вольт- секундных характеристик необходим для того, чтобы сохранить надежность защиты при случайном ослаблении изоляции в эксплуатации, а также из-за наличия зон разброса разрядных напряжений как у самого разрядника, так и у защищаемой изоляции.
Вольт-секундная характеристика разрядника должна иметь пологую форму. Если она будет крутой, как это показано на рис. 3 пунктиром, то это приведет к тому, что разрядник потеряет универсальность, так как для каждого вида оборудования, обладающего индивидуальной вольт-секундной характеристикой, потребуется свой специальный разрядник.
Вентильные разрядники, предназначенные для защиты изоляции от грозовых перенапряжений, при коммутационных перенапряжениях срабатывать не должны, так как из-за большой длительности существования коммутационных перенапряжений может быть перегрев и разрушение последовательного нелинейного резистора разрядника. Для того чтобы разрядники не работали при внутренних перенапряжениях, их пробивные напряжения при промышленной частоте должны быть выше уровня внутренних перенапряжений.
Рис. 3. Вольт-секундные характеристики вентильных разрядников и защищаемой ими изоляции.
Защитное действие искровых промежутков принято характеризовать коэффициентом гашения
где С/Пр~— пробивное напряжение искровых промежутков ори промышленной частоте.
Чем меньше коэффициент гашения, а следовательно, меньше различие между напряжением пробоя искровых промежутков разрядника и напряжением гашения, тем лучше защитное действие искровых промежутков.
