Защитные аппараты и устройства

Принцип действия защитного аппарата состоит в том, что он предотвращает появление на электроустановке импульсов перенапряжения, опасных для изоляции, и не препятствует работе электроустановки при рабочем напряжении.

К защитным аппаратам и устройствам относятся:

1. Защитные промежутки.

2. Трубчатые разрядники.

3. Вентильные разрядники (РВ).

4. Ограничители перенапряжений (ОПН).

Простейшим защитным устройством является защитный искровой промежуток. Однако искровой промежуток имеет существенные недостатки:

− не защищает изоляцию во всем диапазоне длин волн;

− не гасит дугу.

Но все-таки он защищает от ряда перенапряжений, его рекомендуют применять лишь только при наличии АПВ. Несмотря на эти недостатки, он в силу своей простоты и дешевизны до сих пор нашел применение.

Защитный аппарат обеспечивает не только защиту изоляции от перенапряжений, но и гашение дуги сопровождающего тока в течение времени меньшего, чем время действия релейной защиты.

Простейшим защитным аппаратом является трубчатые разрядники, которые предназначены для защиты от грозовых перенапряжений изоляции линий электропередач, и в совокупности с другими защитными средствами для защиты изоляции электрооборудования станций и подстанций переменного тока частоты 50 Гц.

Основу разрядника (рис.1.6) составляет трубка из газогенерирующего материала (1). Один конец трубки закрыт 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 кольцевым 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.1.6.Принципиальная схема 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.

В настоящее время промышленность выпускает разрядники с фибробакелитовыми трубками (типа РТФ) и с трубками из винипласта (типа РТВ и РТВУ(РТВС)).

Вентильные разрядники предназначены для защиты изоляции электрооборудования станций и подстанций от грозовых и внутренних перенапряжений. Вольт-секундная характеристика вентильного разрядника хорошо согласуется с вольт-секундной характеристикой изоляции и должна лежать на 20−25 % ниже ее. Поэтому вентильные разрядники должны быть установлены на всех подстанциях 35 кВ и выше, если к ним подходят воздушные линии [1] (рис.1.7).Основными элементами вентильного разрядника являются многократный искровой промежуток (ИП) и соединенный последовательно с ним резистор (НР) с нелинейной вольт-амперной характеристикой. При набегании на разрядник грозового импульса происходит пробой искрового промежутка и к изоляции защищаемого электрооборудования прикладывается напряжение равное падению напряжения на нелинейном сопротивлении при протекании через него импульсного тока (остающееся напряжение Uост), безопасное для изоляции. Затем искровой промежуток должен разорвать дугу, возникшую при протекании по образовавшемуся каналу тока промышленной частоты.

Рис. 1.7. Защита изоляции электрооборудования подстанции вентильным разрядником

Все вентильные разрядники согласно ГОСТ 16357−83 разделены на

4 группы:

I. РВТ, РВРД;

II. РВМ, РВМГ, РВМК;

III. РВС;

IV. РВО (рис. 1.8а).

I (тяжелый режим) – для защиты от грозовых и коммутационных перенапряжений. II, III, IV (легкий режим) – в основном (кроме РВМК) для защиты от грозовых перенапряжений. Они имеют высокое пробивное напряжение (чем больше цифра, тем выше пробивное напряжение), поэтому отстроены от коммутационных перенапряжений.

Основу нелинейного сопротивления составляет электротехнический карборунд SiC. Он содержит 70 % Si и 30 % С (по массе). В разрядниках применяются диски из вилита и тервита. Вилитовые диски изготавливают из зерен карбита кремния и связующего (эмульсии мела в жидком стекле). Из этой массы прессуют диски и обжигают при температуре 380 ^oC.

При изготовлении тервитовых дисков в качестве связующего используется эмульсия глинозема в жидком стекле. Тервитовые диски обжигаются при температуре 1280−1300 ^oC. При этом часть запорных пленок выгорает, что повышает пропускную способность материала, но уменьшает степень нелинейности. Поэтому тервит можно использовать для гашения коммутационных токов.

Конструкция искрового промежутка зависит от группы разрядника. Простейший искровой промежуток имеют разрядники III и IV групп, отличающийся только диаметром электродов

Он состоит из двух латунных электродов, разделенных миканитовой шайбой. Электрическое поле между основными электродами близко к однородному. Для уменьшения пробивного напряжения между основными электродами применены вспомогательные электроды, между которыми при более низком напряжении возникает скользящий разряд, заряженные частицы которого попадают в основной промежуток и облегчают его пробой. Гашение сопровождающего тока происходит за счет охлаждения дуги холодными массивными электродами. Ток гашения искрового промежутка диаметром 55 мм − 80−100 А.

Искровые промежутки разрядников II группы должны разрывать большие токи, поэтому в них применен другой принцип гашения дуги. Он состоит из двух медных электродов (диска и кольца), расположенных между кольцевыми постоянными магнитами. Пробой промежутка происходит в самом узком месте, а затем дуга под действием магнитного поля начинает вращаться, хорошо охлаждается и гаснет при первом прохождении тока через ноль. Такой промежуток способен погасить ток до 250 А.

Искровой промежуток разрядников I группы состоит из двух медных электродов и керамической камеры, расположенной между кольцевыми постоянными магнитами. Дуга загорается в узком месте, под действием магнитного поля растягивается, загоняется в узкие щели, интенсивно деионизируется и гасится. Разрядники I группы способны гасить токи до 800 А.

а) б)

Рис. 1.8. Вентильный разрядник РВО−10 кВ (а) и ОПН−10 кВ (б)

Ограничители перенапряжений предназначены для защиты электрооборудования подстанций и сетей переменного тока частотой 50 Гц от грозовых и кратковременных коммутационных перенапряжений. Ограничитель перенапряжений состоит из высоконелинейного резистора, состоящего из последовательно-параллельно включенных варисторов, выполненных на основе окиси цинка, заключенных в герметически закрытый фарфоровый корпус (рис. 1.8б). В последнее время для изготовления корпусов стали применять полимерные материалы (стеклопластик, кремнеорганическую резину и т.д.)

ОПН не имеют искрового промежутка, поэтому через него постоянно протекает ток. В нормальном рабочем режиме ток через ОПН носит емкостный характер и составляет десятые доли милиампера. При возникновении волн перенапряжения резисторы переходят в проводящее состояние. Вследствие высокой нелинейности варисторов через ограничители протекает значительный импульсный ток, в результате чего величина перенапряжения снижается до уровня, безопасного для изоляции защищаемого электрооборудования. Когда перенапряжение снижается, ограничитель возвращается в непроводящее состояние.

Оксидно-цинковая (металлооксидная) керамика − это нелинейный материал, получаемый в результате высокотемпературного обжига (1280−1300 °С) смеси состоящей из окиси цинка (ZnO) и некоторого количества оксида другого металла: висмута, сурьмы, кобальта, марганца и т.п. (масса самой весомой из добавок составляет менее 4 % массы оксида цинка).

На вновь строящихся подстанциях ограничители перенапряжений устанавливаются для защиты от грозовых и внутренних перенапряжений вместо вентильных разрядников [3].