книги / Техника высоких напряжений

разрядники должны выдерживать

/доп.= Ю ка. Как известно, токи мол­ нии могут достигать значительно больших значений. Ограничение то­ ков, проходящих через разрядник, до допустимой величины возлагает­ ся на схему защитного подхода к подстанции: При волнах длитель­ ностью 2 000 мксек предельным является ток 150 а, поэтому вилитовые разрядники не могут работать при большинстве видов внутренних перенапряжений, которые длятся многие периоды промышленной частоты.

Искровые промежутки вентильного разрядника

Работа вентильного разрядника начинается с пробоя искровых про­ межутков и заканчивается гаше­ нием дуги сопровождающего тока на искровых промежутках. На каж­ дом из этих этапов работы разряд­ ника искровым промежуткам предъ­ являются различные требования.

Первый этап работы искровых промежутков определяется их вольт-секундной характеристикой. Вольт-секундная характеристика должна быть достаточно пологой. Это требование определяется усло­ виями защиты подстанционной изо­ ляции прежде всего внутренней изо­ ляции трансформаторов. Получить такую вольт-секундную характери­ стику удается только с помощью многократных искровых промежут­ ков, т. е. большого числа последова­ тельно включенных единичных про­ межутков. Сам единичный проме­ жуток (рис. 33-9) состоит из двух штампованных латунных электро­ дов, разделенных миканитовой шай­ бой толщиной около 1 мм. Электри-

f?s

Рабочее простkранетбо

Рис. 33-9. Единичный искровой промежу­ ток вентильного разрядника.

ческое поле между электродами близко к однородному. При прило­ жении к промежутку напряжения в воздушных прослойках между по­ верхностью электродов и микани­ том из-за разницы в диэлектриче­ ских постоянных воздуха и микани­ та возникает большая напряжен­ ность поля и начинается ионизация, снабжающая начальными электро­ нами межэлектродное пространство. Промежуток в результате этого про­ бивается при коэффициентах им­ пульса, близких к единице, за деся­ тые доли микросекунд.

Последовательно включенные единичные промежутки в электриче­ ском отношении представляют со­ бой емкостную цепочку, подобную, например, емкостной цепочке гир­ лянды изоляторов. Импульсное на­ пряжение по такой цепочке распре­ деляется очень неравномерно, что обеспечивает быстрый каскадный пробой всех промежутков разрядни­ ка. Таким образом, сочетание не­ равномерного распределения напря­ жения по промежуткам с предвари­ тельной ионизацией (активизацией) единичного промежутка с однород­ ным полем обеспечивает низкие коэффициенты импульса и требуеемую пологость вольт-секундной характеристики вентильного раз­ рядника.

В разрядниках на напряжения ПО кв и выше число единичных промежутков велико (96 и больше). Напряжение по ним распределяется крайне неравномерно, что приводит к коэффициентам импульса меньше единицы. Для того чтобы удержать коэффициент импульса около едини­ цы, разрядники на эти напряжения снабжаются экранирующими коль­ цами, способствующими некоторому выравниванию распределения на­ пряжения по промежуткам.

Хотя грозозащитные вентильные разрядники могут ограничивать не­ которые виды внутренних перена­ пряжений, однако они от них от­ страиваются, поскольку рабочее сопротивление имеет недостаточную пропускную способность при боль­

шинстве видов внутренних перенапряжений. Отстройка производится искровыми промежутками, которые имеют нижний предел пробивного напряжения при промышленной ча­ стоте не ниже 2,7 наибольшего фа­ зового напряжения. Нормируется также и верхний предел пробивного напряжения при промышленной ча­ стоте. Этот предел является исход­ ным для выбора одноминутных испытательных напряжений под­ станционного оборудования.

Рассмотрим теперь гашение дуги сопровождающего тока искровыми промежутками. Очень существенно, что сопровождающий ток находится в фазе с рабочим напряжением на разряднике. Это значит, что восста­ новление напряжения после гаше­ ния сопровождающего тока (при прохождении его через нулевое зна­ чение) происходит по синусоиде промышленной частоты. В этот мо­ мент прекращается автоэлектронная эмиссия с катода и прилегаю­ щая к нему область промежутка быстро восстанавливает свою элек­ трическую прочность, а затем эта прочность достаточно быстро нара­ стает. В результате новое зажига­ ние дуги в промежутке предотвра­ щается. Важную роль при этом играет равномерное распределение восстанавливающегося напряжения по промежуткам, которое достигает­ ся с помощью шунтировки единич­ ных промежутков высокоомными активными сопротивлениями.

Очевидно, что для каждой кон­ струкции единичных промежутков имеется предельное значение сопро­ вождающего тока, при котором про­ исходит надежное гашение дуги при первом же прохождении тока через нуль. Для разрядников типа РВС, в которых используются промежут­ ки, показанные на рис. 33-9, пре­ дельное значение сопровождаю­

ния разрядника, тем меньше тре­ буется сопротивление для ограниче­ ния сопровождающего тока до допустимой величины, меньше тре­ буется дисков рабочего сопротивле­ ния согласно (33-3). А это означает, что и остающиеся напряжения при прохождении через такой разрядник импульсных токов будет ниже, атмо­ сферные перенапряжения будут ограничены до более низких ве­ личин.

За напряжение гашения прини­ мается наибольшее фазовое напря­ жение сети в режиме, когда одна из фаз замкнута на землю. А это означает, что напряжение гашения разрядников устанавливается в за­ висимости от способа заземления нейтрали; для сетей 3—35 кв, ней­ траль которых, как правило, эффек­ тивно не заземляется, напряжение гашения принимается равным наи­ большему линейному напряжению, а для сетей ПО—500 кв, нейтраль которых эффективно заземляется, напряжение гашения принимается равным 0,8 наибольшего линейного напряжения. Соответственно такие разрядники носят названий 80%-х в отличие от полных разрядников, применяемых в сетях 3—35 кв.

Конструкции и характеристики вентильных разрядников типа РВС и РВВМ

Серия вилитовых разрядников типа РВС была разработана ВЭИ в 1946—1947 гг. В этой серии раз­ рядники на высшие классы напря­ жения комплектуются из стандарт­ ных элементов на более низкие на­ пряжения: 15, 20 и 35 кв. Для удоб­ ства комплектовки введен также элемент, соответствующий напря­ жению 33 кв. Каждый элемент раз­ рядников содержит искровые про­ межутки и диски рабочего сопро­ тивления. Четыре последовательных единичных промежутка размещают­ ся в фарфоровом цилиндре и обра­ зуют стандартный комплект Проме­ жутков. Каждый такой комплект искровых промежутков имеет брон­ зовые крышки с вырезанными в них

ч

Рис. 33-10. Стандартный элемент искрового промежутка разрядника типа РВС.

пружинящими контактами и шунти­

деление напряжения промышленной

также соединяются в блоки (ком­ плекты). Контакт между отдельны­ ми дисками и блоками осущест­ вляется посредством металлизации торцовых поверхностей дисков.

Комплекты искровых промежут­ ков и вилитовых дисков помещают­ ся в герметизированных фарфоро­ вых чехлах. Герметизация необхо­ дима для того, чтобы предохранить вилит от действия влаги (он невла­ гостоек и ухудшает свои характе­ ристики под действием влаги), а также для того, чтобы обеспечить стабильность разрядных характери­ стик искровых промежутков. Разме­ щение дисков и искровых проме­ жутков в элементе РВС-20 показано на рис. 33-11. Все детали для обес­ печения надежного контакта сжаты спиральными коническими пружи­ нами.

Комплектовка разрядников ти­ па РВС на различные номинальные напряжения приведена в табл. 33-3. Электрические характеристики при­ ведены в табл. 33-4.

На рис. 33-12 представлен внеш­ ний вид разрядников типа РВС на 35, ПО и 220 кв. Разрядник РВС-110 представляет собой свободно стоя­ щую конструкцию из трех элемен­ тов на 33 кв, Разрядник РВС-220,

состоящий из шести элементов на 33 кв, удерживается в вертикальном положении с помощью трех изоли­ рующих оттяжек. Для оттяжек используются подвесные изоляторы стержневого типа. Разрядники на напряжения ПО кв и выше снабже­ ны экранирующими кольцами для выравнивания распределения на­ пряжения по промежуткам. На базе разрядников типа РВС созданы разрядники для защиты вращаю-

Рис. 33-11. Размещение искровых проме­ жутков и дисков в разряднике РВС-20.

естественном восстановлении элек­ трической прочности промежутка между холодными электродами. При этом предельный сопровож­ дающий ток, который еще может

Рис. 33-14. Конструкция искрового^ проме­ жутка с врашающейся дУг°й-

магнит.

лись под действием атмосферных перенапряжений. Поэтому основной задачей грозозащиты линий являет­ ся не полное устранение, а лишь уменьшение до разумного предела числа грозовых отключений линии. В связи с этим при анализе атмо­ сферных перенапряжений наиболь­ ший интерес представляет не уста­ новление абсолютного максимума возможного напряжения на изоля­ ции линии, а определение числа случаев в год, когда это напряже­ ние превысит импульсную прочность линейной изоляции. Очевидно, что число таких перенапряжений в пер­ вую очередь определяется общим количеством разрядов молнии, еже­ годно поражающих линию электро­ передачи (для перенапряжений пря­ мого удара) или происходящих в землю в окрестности линии (для индуктированных перенапряжений).

Из гл. 31 следует, что линия электропередачи, имеющая среднюю высоту подвеса верхнего провода или троса ft, принимает на себя раз­ ряды молнии с, участка земной по­ верхности шириной порядка 6 ft и длиной, равной длине линии. С дру­ гой стороны, в гл. 22 указывалось, что в течение одного грозового дня

обычно принимают, что общее число разрядов молнии в линию электро­ передачи длиной L равно:

N y д = ( 0 , 6 — 0 , 9 ) ft • 1 0 - 8/ л д , ( 3 4 - 1 )

где я д — число грозовых дней в году. В Руководящих указаниях по за­ щите от перенапряжений, изданных в 1954 г., рекомендовалось прини­ мать верхнее значение коэффициен­ та в (34-1). По всей вероятности, эта величина несколько завышена, однако мы будем ею пользоваться в дальнейшем, имея в виду, что она дает верхний предел возможного числа поражений линии электро­

передачи.

Разряды молнии в линию могут иметь различную интенсивность, ко­ торая в первую очередь опреде­

ляется амплитудой тока молнии /м и скоростью его нарастания во вре­ мени (крутизной а). Напряжение на изоляции линии электропередачи, как будет видно из дальнейшего, за­ висит от обоих важных параметров разряда молнии (/м и а), однако в некоторых случаях определяющее значение может иметь только один из них. Перекрытие изоляции линии при прямом ударе молнии будет происходить при таких сочетаниях амплитуды и крутизны тока молнии, при которых на изоляции линии возникает напряжение, превышаю­ щее ее импульсную прочность. Так как не все разряды молнии удовле­ творяют этому условию, перекрытие изоляции линии происходит не при всех разрядах молнии. Обозначив вероятность перекрытия изоляции при ударе молнии и ПеР , получим

гать, что число грозовых отключе­ ний линии в год должно быть обя­

защиты не меньше 1 полупериода промышленной частоты, т. е. 0 ,0 1 сек. Время существования перенапряжения на изоляций линии имеет величину около 100 мксек. Поэтому импульсное перекрытие са­ мо по себе не может вызвать отклю­ чения линии, которое произойдет только в том случае, если импульс­ ная искра перейдет в дуговой раз­ ряд, поддерживаемый рабочим на­ пряжением сети.

Вероятность перехода импульс­ ного перекрытия в силовую дугу за­ висит от ряда факторов* в том числе и от мощности источника. Однако наибольшее значение имеет напряженность поля, создаваемая рабочим напряжением в канале импульсного разряда. Чем выше эта напряженность, тем лучше условия поддержания проводимости канала и перехода разряда в дуговую ста-

дню. Если градиент рабочего напря­ жения вдоль пути перекрытия ока­ жется недостаточным, силовая дуга может вообще не возникнуть и, сле­ довательно, отключение линии не произойдет.

Вопрос о вероятности перехода импульсного перекрытия в силовую дугу неоднократно изучался экспе­ риментально в Советском Союзе и за границей. Наиболее обширные исследования были произведены во ВНИИЭ, результаты этих исследо­ ваний позволили в последней редак­ ции Руководящих указаний по защите от перенапряжений устано­ вить зависимость вероятности пере­ хода импульсного перекрытия в си­ ловую дугу т) от градиента рабоче­ го напряжения вдоль пути перекры­ тия, которая приведена в табл. 34-1.

Так как величина г\ определяет долю всех перекрытий изоляции, приводящих к отключению, общее число грозовых отключений линии в год равно:

N oT K fl = 0 ,9 А * 1 0 "” 3//Я дУ перТЗ* ( 3 4 - 3 )

Для сравнения грозоупорности линий электропередачи различной длины, расположенных в районах с различной интенсивностью грозо­ вой деятёльности, обычно опреде­ ляется так называемое удельное число отключений, т. е. число отклю­ чений линии длиной /=100 км, про­ ходящей в районе с числом грозо­ вых дней Яд=20. Удельное число отключений

Из (34-4) следует, что возможны два принципиально различных ме­ тода грозозащиты линий, связанных с уменьшением иПер или т). Умень­ шение вероятности перекрытия изо­ ляции достигается главньш образом

путем подвески на линии тросовых молниеотводов, которые предотвра­ щают непосредственные поражения проводов. При разрядах молнии в тросы перекрытия изоляции ли­ нии могут происходить только при весьма интенсивных разрядах мол­ нии, вероятность которых невелика, благодаря чему число перекрытий изоляции в год резко уменьшается. Уменьшение вероятности перехода импульсного перекрытия в силовую дугу достигается путем увеличения пути перекрытия, главным образом благодаря применению деревянных опор. На линиях с деревянными опорами градиент рабочего напря­ жения £ Раб имеет величину порядка 10—20 кв/м, благодаря чему толь­ ко 10—20% всех перекрытий изоля­ ции приводит к отключению линии.

34-2. ИНДУКТИРОВАННЫЕ ПЕРЕНАПРЯЖЕНИЯ НА ЛИНИЯХ ЭЛЕКТРОПЕРЕДАЧИ

При разрядах молнии в землю в окрестности линии в проводах возникает переходный процесс, вызванный электро­ магнитным полем канала молнии. В ре­ зультате этого не только создается напря­ жение на изоляции линии за счет электро­ магнитного влияния этого поля, но и обра­ зуются блуждающие волны, распростра­ няющиеся в обе стороны от места удара.

Переходный процесс в линии может начаться только под действием силы, за­ ставляющей заряды перемещаться вдоль проводов, т. е. под действием составляю­ щей вектора напряженности электрическо­ го поля, направленной вдоль трассы линии. Так как вектор магнитной составляющей напряженности электрического поля на­ правлен вертикально вверх (см. гл. 29), он

лена параллельно оси х прямоугольной си­

стемы координат, начало которой распо­ ложено в месте соприкосновения канала молнии с землей, как показано на рис. 34-1, то переходный процесс в линии опредё-