Длинно-искровые разрядники.

Длинно-искровые разрядники были изобретены в середине 90-х годов 20-го столетия в России (г. Санкт-Петербург). На напряжение 6–10 кВ разработаны несколько разновидностей таких разрядников: петлевой РДИ10-П, модульный РДИ10-М, в виде изоляционной трубки РДИ10-ИТ, в виде изолятора-разрядника ИРДИ10. В настоящее время ведется разработка РДИ на класс напряжения 35 кВ и выше. Для всех РДИ характерна простота конструкции и невысокая стоимость.

Принцип действия РДИ основан на свойстве скользящего разряда перекрывать при грозовых перенапряжениях такие расстояния, при которых рабочее напряжение сети не способно поддерживать силовую дугу тока промышленной частоты. В результате после окончания грозового импульса РДИ приходит в исходное состояние.

Рис. 7.26. РДИ в виде петли (РДИ10-П) на опоре: конструктивный эскиз и фотография испытаний макета ВЛ с изолированным проводом; 1 – металлическая петля, покрытая изоляцией; 2 – узел крепления; 3 – металлический оголовник опоры; 4 – металлическая трубка; 5 – провод линии; 6 – канал разряда; 7 – изолятор; 8 – столб опоры

Рассмотрим принцип работы РДИ на примере петлевого разрядника РДИ10-П. На рис. 7.26 показан разрядник РДИ10-П, установленный на опоре ВЛ10 кВ. Металлический стержень, покрытый слоем изоляции, согнут в виде петли 1 и укреплен при помощи зажима 2 к штырю изолятора 7. В средней части петли 1 поверх изоляции установлена металлическая трубка 4. Разрядник устанавливается таким образом, чтобы между этой трубкой и проводом 5 оставался воздушный промежуток S.

Петля 1 имеет такой же потенциал, что и опора 8. Вследствие относительно большой емкости между металлической трубкой 4 и металлической жилой петли 1 все перенапряжение, приложенное между проводом 5 и опорой 8, оказывается приложенным между проводом 5 и трубкой 4. При достаточно большой величине перенапряжения искровой промежуток S пробивается, и перенапряжение прикладывается между трубкой 4 и металлической жилой петли 1 к ее изоляции. Под действием приложенного перенапряжения с трубки 4 вдоль поверхности изоляции петли 1 развивается скользящий разряд 6 по одному или по обоим плечам петли 1 до тех пор, пока он не замкнется на узле крепления 2, гальванически связанным с опорой 8.

Рис. 7.27. Конструкция изоляционной трубки для РДИ10-П: 1 – металлорукав; 2 – слой из полупроводящего полиэтилена толщиной 1,0 мм; 3 – изоляция из полиэтилена высокого давления толщиной 2,5 мм; 4 – слой из светостабилизированного полиэтилена толщиной 1 мм

Благодаря большой длине перекрытия по поверхности петли l, общая длина перекрытия L = l + S оказывается весьма велика, и импульсное перекрытие не переходит в силовую дугу промышленной частоты.

Петля разрядника согнута из стального прутка диаметром 8 мм, на который надета изоляционная трубка специальной конструкции (рис.7.27).

РДИ предназначены для защиты линий электропередачи как с неизолированными, так и с изолированными проводами. В последнем случае на изолированный провод устанавливается прокусывающий зажим, а искровой воздушный промежуток образуется между металлической трубкой и прокусывающим зажимом.

Следует отметить, что РДИ не только исключают дуговые замыкания и отключения линии, возникающие вследствие грозовых перенапряжений, но и предотвращают пережог изолированных проводов. В то же время области применения РДИ полностью пока еще не определены.

Рис. 7.28. Пример вольт-амперной характеристики нелинейного резистора ОПН:

1 – участок с сопротивлением 10⁹ Ом; 2 – рабочий участок с нелинейной характеристикой; 3 – участок больших значений токов; 4 – участок предельных значений токов

Нелинейные ограничители перенапряжений.

Основным элементом конструкции нелинейного ограничителя перенапряжений (ОПН) является резистор из металлооксидной керамики на основе окиси цинка (ZnO). Такие резисторы обладают значительно большей нелинейностью, чем резисторы на основе карборунда. Характерной их особенностью является экстремально нелинейная вольт-амперная характеристика (рис. 7.28), независящая от полярности напряжения. В области малых значений тока, соответствующих воздействующим напряжениям ниже уровня длительного допустимого рабочего напряжения, значение сопротивления резистора превышает 10⁹ Ом. В области значений тока, превышающих предельные нормируемые для данного резистора значения импульсных токов, сопротивление резистора составляет десятые доли Ома. В связи с этим при рабочем напряжении или резонансных перенапряжениях через ОПН проходит ток порядка долей миллиампера. Это позволяет исключить искровой промежуток и подключать резистор ОПН непосредственно к сети.

Металлооксидная керамика резистора получается в результате высокотемпературного обжига (до 1300 °С) порошка с размером зерен порядка 10^3 мм, состоящего из окиси цинка и некоторого количества оксидов других металлов: висмута, сурьмы, кобальта, марганца и т.п. Масса оксида цинка составляет более 90 % массы керамики. Следует отметить, что нелинейность и стабильность характеристик металлооксидного резистора зависит от наличия и состава оксидов других металлов в керамике, режима обжига материала, температуры варистора и окружающей среды, длительности и формы протекающего через варистор тока. Отсюда следует, что на характеристики ОПН влияют технология изготовления и конструктивные особенности аппарата, условия его выбора и особенности его эксплуатации.

Рис. 7.29. Металлооксидные резисторы

Резисторы ОПН выпускаются в виде дисков диаметром от нескольких миллиметров до ста миллиметров и толщиной от единиц до нескольких десятков миллиметров (рис. 7.29). Диски большего диаметра используют для ОПН на большие разрядные токи, а большая высота (толщина) дисков, как правило, определяет большие значения остающегося напряжения на диске. Торцы дисков металлизированы и обеспечивают контакт между собой.

Рис. 7.30. Металлооксидный ОПН с фарфоровым

корпусом

Диски нелинейных резисторов располагаются внутри изоляционного корпуса ОПН (рис. 7.30). Для корпуса применяют различные материалы: электротехнический фарфор, керамика, стеклопластик для остова корпуса и внешней оболочкой с ребрами из силиконовой резины и т.п.

Общая вольт-амперная характеристика группы резисторов, элемента ОПН и ОПН в целом, определяется совокупностью вольт-амперных характеристик отдельных резисторов в зависимости от условий соединения. Ограничители высокого напряжения, как правило, состоят из большого количества отдельных резисторов, соединенных параллельно и последовательно, обеспечивая необходимую пропускную способность (по току) и защитный уровень (по напряжению). Оптимальным условием конструктивного исполнения ОПН является равномерное распределение по напряжению и по току для всех резисторов и элементов (из групп соответствующим образом соединенных резисторов) ОПН.

Преимуществами ОПН являются возможность глубокого ограничения грозовых и внутренних перенапряжений, в том числе междуфазных, малые габариты, позволяющие использовать их в качестве опорных изоляционных колонн, большая пропускная способность. ОПН применяются в настоящее время в диапазоне напряжений от 0,2 до 750 кВ.

Уровень ограничения коммутационных перенапряжений с помощью ОПН составляет (1,65–1,8)U_ф. Уровень ограничения грозовых перенапряжений составляет (2,2–2,4)U_ф в сетях 110 кВ и снижается до 2U_ф для линий электропередачи 750 кВ.

Рис. 7.31. Схема включения ОПН для ограничения перенапряжений междуфаз-ных и относительно земли

Применительно к ОПН отсутствует понятие напряжения гашения. Однако длительное воздействие резонансных перенапряжений, связанных с прохождением через ОПН больших токов, может нарушить тепловую устойчивость аппарата и привести к аварии. В связи с этим для ОПН установлены допустимые длительности приложения повышенных напряжений, которые должны быть скоординированы с действием релейных защит.

Применение ОПН позволяет глубоко ограничивать также и междуфазные перенапряжения. Для этого может быть использована схема с искровыми промежутками (рис. 7.31). В нормальном режиме каждый резистор НР1 – НР2 включен на фазное напряжение. При коммутационных перенапряжениях, которые всегда несимметричны, пробиваются искровые промежутки ИП. Вследствие этого резисторы НР2 соединяются параллельно, а резисторы НР1 включаются попарно на междуфазные напряжения. С восстановлением нормального режима ток в искровых промежутках снижается до миллиампер и дуга в них гаснет.

Перечисленные явные технические и эксплуатационные преимущества ОПН приводят к тому, что в последнее время они постепенно заменяют РТ и РВ во всех областях их применения.