§3.4. Трубчатые разрядники и их применение для защиты линий
Принципиальная схема устройства и включения трубчатого разрядника (РТ) показана на рис. 5.6. Основу разрядника составляет трубка из газогенерирующего материала 1. Один конец трубки заглушен металлической крышкой, на которой укреплен внутренний стержневой электрод 2. На открытом конце трубки расположен другой электрод в виде кольца 3. Промежуток S1 между стержневым и кольцевыми электродами называется внутренним или дугогасящим промежутком. Трубка отделяется от провода фазы внешним искровым промежутком S2, иначе газогенерирующий материал трубки постоянно разлагался бы под действием токов утечки.
Рис. 5.6. Схема устройства трубчатого разрядника
При возникновении импульса грозового перенапряжения оба промежутка пробиваются, и импульсный ток отводится в землю. После окончания импульса через разрядник продолжает проходить сопровождающий ток, и искровой разряд переходит в дуговой. Под действием высокой температуры канала дуги переменного тока в трубке происходит интенсивное выделение газа, и давление сильно увеличивается. Газы, устремляясь к открытому концу трубки, создают продольное дутье, в результате чего дуга гасится при первом же прохождении тока через нулевое значение. При работе разрядника слышен звук, напоминающий выстрел, и из трубки выбрасываются раскаленные газы.
Вольт-секундная характеристика РТ зависит от длин внешнего и внутреннего промежутков разрядника и имеет вид, характерный для промежутков с резконеоднородным полем. Величина внешнего искрового промежутка выбирается по условиям защиты изоляции и может регулироваться в определенных пределах. Величина внутреннего искрового промежутка устанавливается в соответствии с дугогасящими свойствами разрядника и регулированию не подлежит.
Для успешного гашения дуги сопровождающего тока необходимо достаточно интенсивное генерирование газа в трубке, которое зависит от величины проходящего тока. В связи с этим имеется нижний предел токов, которые надежно (за один-два полупериода) отключаются трубчатым разрядником. При больших токах слишком интенсивное газообразование может привести к чрезмерному повышению давления и разрыву трубки или срыву наконечников. Поэтому для трубчатых разрядников устанавливается также верхний предел отключаемых токов. Значение верхнего и нижнего пределов отключаемых токов зависит от размеров внутреннего канала разрядника. Уменьшение длины внутреннего промежутка, а также увеличение диаметра канала приводят к смещению обоих пределов отключаемых токов в сторону больших значений. Эта зависимость позволяет выпускать трубчатые разрядники с разными пределами отключаемых токов.
При установке трубчатых разрядников в какой-либо точке сети следует проверить ток кз, в этой точке он должен укладываться в диапазон отключаемых разрядником токов.
Трубчатые разрядники должны быть выбраны по току КЗ в соответствии со следующими требованиями:
1) для сетей до 35 кВ верхний предел тока, отключаемого трубчатым разрядником, должен быть не менее наибольшего действующего значения тока трехфазного КЗ в данной точке сети (с учетом апериодической составляющей), а нижний предел - не более наименьшего возможного в данной точке сети значения установившегося (без учета апериодической составляющей) тока двухфазного КЗ;
2) для сетей 110 кВ и выше верхний предел тока, отключаемого трубчатым разрядником, должен быть не менее наибольшего возможного эффективного значения тока однофазного или трехфазного КЗ в данной точке сети (с учетом апериодической составляющей), а нижний предел - не более наименьшего возможного в данной точке сети значения установившегося (без учета апериодической составляющей) тока однофазного или двухфазного КЗ. При отсутствии трубчатого разрядника на требуемые значения токов КЗ допускается применять вместо них ИП.
В результате многократной работы разрядника внутренний канал дугогасящей трубки разрабатывается. При возрастании внутреннего диаметра трубки на 20—25% трубчатый разрядник перестает соответствовать заводской маркировке по отключаемым токам и – подлежит замене или перемаркировке.
Выпускаются разрядники с фибробакелитовыми трубками (типа РТФ) и с трубками из винипласта (типа РТВ и РТВУ). В качестве газогенерирующего материала в разряднике РТФ применена фибра. Для повышения механической прочности фибровая трубка обматывается сверху бакелизированной бумагой и покрывается влагостойким лаком. Особенностью разрядников типа РТФ является наличие камеры у закрытого конца трубки. При прохождении тока через нулевое значение давление в зоне искрового промежутка падает, и газы, накопившиеся в камере, устремляются к выхлопному отверстию, усиливая продольное дутье и способствуя гашению дуги.
Разрядники типа РТВ с трубками из винипласта, обладающего лучшими изоляционными и газогенерирующими свойствами, имеют более простую конструкцию, чем разрядники типа РТФ. Винипласт негигроскопичен и сохраняет свои изолирующие свойства при работе на открытом воздухе, поэтому разрядники типа РТВ не лакируются. Высокая газогенерирующая способность винипласта позволила отказаться от устройства камеры у закрытого конца трубки; ее роль выполняет полость между стержневым электродом и стенками трубки. Благодаря высокой механической прочности винипласта по отношению к ударным нагрузкам разрядники типа РТВ имеют высокий верхний предел отключаемых токов (до 15 кА).
Для повышения этого предела до 30 кА и увеличения механической прочности на сравнительно тонкостенную винипластовую трубку наносится многослойная обмотка из стеклоткани, пропитанная атмосферостойкой эпоксидной смолой (разрядники РТВУ — винипластовые усиленные). Разрядник этого типа на 220 кВ состоит из двух трубчатых разрядников РТВУ-110, которые соединяются между собой стальной обоймой с двумя выхлопными патрубками.
В маркировке трубчатых разрядников указываются номинальное напряжение и пределы отключаемых токов. Например, марка РТФ 110/0,8—5 означает: разрядник трубчатый фибробакелитовый на напряжение 110 кВ с пределами действующих отключаемых токов 0,8—5 кА.
Поскольку работа разрядника сопровождается выхлопом сильно ионизированных газов, расположение разрядников на опоре должно быть таким, чтобы выхлопные газы не вызывали междуфазных перекрытий или перекрытий на землю. Для этого в зону выхлопа не должны попадать провода других фаз, заземленные конструкции, а также зоны выхлопов разрядников, защищающих другие фазы.
Существенным недостатком трубчатых разрядников является наличие предельных отключаемых токов. Достаточно широкая номенклатура требующихся разрядников осложняет производство, а необходимость контролировать диаметр внутреннего канала затрудняет эксплуатацию трубчатых разрядников. В связи с этим большое значение имеет разработка трубчатых разрядников без сопровождающего тока. Основная идея конструкции этих разрядников состоит в следующем. Во внутренний канал разрядника вплотную вставляется между электродами вкладыш из того же материала, что и стенка трубки. Импульсный ток благодаря малой длительности будет свободно проходить в весьма малом зазоре между вкладышем и стенкой трубки. В то же время бурная газогенерация в этом крайне ограниченном объеме воспрепятствует образованию сопровождающего тока. Таким образом, износ разрядника должен быть резко сокращен, и разрядник можно будет ставить в любой точке сети независимо от значения тока кз.
Основные недостатки трубчатых разрядников — нестабильные характеристики, наличие зоны выхлопа и в особенности крутая вольт-секундная характеристика — исключают возможность их применения в качестве основного аппарата защиты подстанционного оборудования. Однако благодаря своей простоте и дешевизне РТ широко применяются в качестве вспомогательного средства защиты.