§4.2. Вентильный разрядник как основной аппарат защиты подстанционного оборудования от набегающих импульсов

Принцип действия и основные характеристики. Основными элементами вентильного разрядника являются многократный искровой промежуток и соединенный последовательно с ним резистор с нелинейной вольт-амперной характеристикой. При воздействии на разрядник импульса грозового перенапряжения пробивается искровой промежуток и через разрядник проходит импульсный ток, создающий падение напряжения на сопротивлении разрядника. Благодаря нелинейной вольт-амперной характеристике материала, из которого выполнено сопротивление, это напряжение мало меняется при существенном изменении импульсного тока и незначительно отличается от импульсного пробивного напряжения искрового промежутка разрядника U_пр.и. Одной из основных характеристик разрядника является остающееся напряжение разрядника U_ост т. е. напряжение при определенном токе (5–14 кА для разных U_ном), который называется током координации. Импульсное пробивное напряжение искрового промежутка разрядника и близкое к нему напряжение U_ост должны быть на 20–25% ниже разрядного напряжения изоляции (координационный интервал).

После окончания процесса ограничения перенапряжения через разрядник продолжает проходить ток, определяемый рабочим напряжением промышленной частоты. Этот ток (так же, как и у трубчатых разрядников) называется сопровождающим током. Сопротивление нелинейного резистора разрядника резко возрастает при малых по сравнению с перенапряжениями рабочих напряжениях, сопровождающий ток существенно ограничивается, и при переходе тока через нулевое значение дуга в искровом промежутке гаснет. Наибольшее напряжение промышленной частоты на вентильном разряднике, при котором надежно обрывается проходящий через него сопровождающий ток, называется напряжением гашения U_гаш, а соответствующий ток — током гашения I_гаш. Гашение дуги сопровождающего тока должно осуществляться в условиях однофазного замыкания на землю, так как во время одной и той же грозы могут произойти перекрытие изоляции на одной фазе и срабатывание разрядника в двух других фазах. Таким образом, напряжение гашения должно быть равным напряжению на неповрежденных фазах при однофазном замыкании на землю:

U_гаш= к_з U_ном, (5.13)

где к_з — коэффициент, зависящий от способа заземления нейтрали (ниже будет показано, что к_з = 0,8; 1,1 соответственно для установок с заземленной и изолированной нейтралью); U_ном — номинальное линейное напряжение.

Эффективность действия разрядника характеризуется так называемыми защитными отношениями:

k = U_пр/U_гаш , (5.14)

k_защ=U_ост/ U_гаш, (5.15)

где U_пр– пробивное напряжение искрового промежутка разрядника при 50 Гц.

Основное значение для грозозащитных разрядников имеет снижение k_защ, которое может быть достигнуто двумя путями. Первый путь – получение более пологой вольт-амперной характеристики. Второй путь – увеличение тока гашения за счет улучшения дугогасящих свойств промежутка – позволяет снизить вольт-амперную характеристику во всем диапазоне токов.

Вентильные разрядники обладают определенной пропускной способностью, т.е. предельной величиной тока, который они могут многократно пропускать без изменения своих электрических характеристик. Пропускная способность разрядника зависит от теплостойкости его нелинейного резистора. До недавнего времени вследствие недостаточной пропускной способности вентильные разрядники отстраивались от внутренних перенапряжений, т.е. имели пробивное напряжение выше возможной величины внутренних перенапряжений и предназначались только для ограничения кратковременных перенапряжений грозового происхождения. Разработка нелинейных резисторов с более высокой пропускной способностью и применение новых принципов гашения дуги сопровождающего тока позволяют в настоящее время возложить на разрядники также и функцию ограничения более длительных внутренних перенапряжений. Это обстоятельство открывает перспективу дальнейшего снижения уровней изоляции электрооборудования и повышения его экономической эффективности.

Нелинейные резисторы вентильных разрядников. Основу нелинейного резистора разрядника составляет порошок электротехнического карборунда SiC. На поверхности зерен карборунда имеется запорный слой толщиной порядка 100 мкм из окиси кремния SiO. Удельное сопротивление собственно зерен карборунда невелико – около 10^-2 Омм. Сопротивление запорного слоя нелинейно зависит от напряженности электрического поля. При малых напряженностях поля (при небольших напряжениях на резисторе) удельное сопротивление запорного слоя составляет 10⁴–10⁶ Омм, все напряжение ложится на запорный слой, и он определяет значение сопротивления нелинейного резистора. При повышении напряженности поля сопротивление запорного слоя резко падает, и значение сопротивления нелинейного резистора начинает определяться собственно карборундом.

Свойства материала резко менять свое сопротивление в зависимости от напряжения, обеспечивая пропускание очень больших токов при высоких напряжениях и весьма малых – при пониженных напряжениях, называют «вентильными». Отсюда и название аппарата: вентильный разрядник (РВ).

Нелинейные резисторы вентильных разрядников выполняются в виде дисков, состоящих из карборундового порошка и связующего материала. В настоящее время применяются диски из вилита и тервита. Для изготовления вилитовых дисков в качестве связки применяется жидкое стекло. Это позволяет спекать диски при сравнительно низкой температуре (около 300°С). Тервитовые диски при изготовлении обжигаются при температуре свыше 1000С, при этом часть запорных пленок выгорает, что повышает пропускную способность материала, но уменьшает степень нелинейности.

Пропускная способность нелинейного элемента разрядника характеризуется предельной энергией, которая может быть выделена без разрушения дисков; она зависит и от максимального значения тока, и от его длительности.

В условиях эксплуатации для грозовых перенапряжений характерны токи с большими максимальными значениями и малой длительностью. При внутренних перенапряжениях, напротив, через разрядник могут проходить значительно меньшие токи длительностью около нескольких миллисекунд. Поэтому пропускную способность вентильных разрядников принято характеризовать максимальным значением импульса тока 20/40 мкс и током прямоугольной формы длительностью 2 мс (в некоторых случаях максимальным значением импульса тока 3/8 мс). Эти воздействия разрядники должны выдерживать не менее 20 раз.

Предельным максимальным значением импульсного тока для вилитовых и тервитовых дисков является ток I_доп=5-14 кА. Как известно, токи молнии могут достигать значительно больших значений. Ограничение токов, проходящих через разрядник, до допустимой величины возлагается на схему защитного подхода к подстанции.

При длительности 2 мс для вилитовых дисков диаметром 150 мм предельными являются токи до 400 А, поэтому вилитовые разрядники предназначаются в основном для защиты от грозовых перенапряжений. Тервит обладает значительно большей пропускной способностью: до 750 А (при длительности 2 мс) для дисков диаметром 70 мм и до 1500 А для дисков диаметром 115 мм. В связи с этим разрядники с тервитовыми резисторами могут использоваться как для защиты от грозовых перенапряжений, так и для ограничения внутренних перенапряжений.

Искровые промежутки вентильных разрядников. Работа вентильного разрядника начинается с пробоя искровых промежутков (ИП) и заканчивается гашением дуги сопровождающего тока. На каждом из этих этапов работы разрядника к ИП предъявляются различные требования.

На первом этапе процесс определяется вольт-секундной характеристикой ИП. Для успешной защиты подстанционной изоляции эта характеристика должна быть достаточно пологой. Получить такую вольт-секундную характеристику удается только с помощью многократных ИП, т. е. большого числа последовательно включенных единичных промежутков, а также с помощью активизации единичных промежутков.

Простейший единичный промежуток состоит из двух латунных электродов, разделенных миканитовой шайбой. Электрическое поле между электродами близко к однородному. При приложении к промежутку напряжения в воздушных прослойках между поверхностью электродов и миканитом из-за разницы диэлектрических проницаемостей воздуха и миканита возникает высокая напряженность поля и начинается ионизация, снабжающая начальными электронами межэлектродное пространство. Промежуток в результате этого пробивается при коэффициентах импульса, близких к единице, за десятые доли микросекунд (активизация промежутка).

Гашение сопровождающего тока простейшими искровыми промежутками основано на естественном восстановлении электрической прочности между холодными электродами. Предельная амплитуда тока гашения составляет I_гаш = 80 - 100 А.

Использование единичного искрового промежутка с интенсификацией процесса гашения дуги позволяет получить I_гаш=250 А. Промежуток представляет собой кольцевую щель между двумя медными концентрически расположенными электродами. Щель пронизывается магнитным полем, создаваемым постоянными магнитами. Активизация искрового промежутка осуществляется за счет ионизации в месте контакта специальных электродов с диэлектрической прокладкой. Возникающая в результате пробоя промежутка дуга под действием магнитного поля начинает с большой скоростью вращаться по кольцевой щели, интенсивно охлаждаясь. При обрыве дуги в промежутке восстанавливающаяся прочность нарастает значительно быстрее, чем в обычном промежутке с неподвижной дугой. В результате в искровом промежутке с вращающейся дугой могут гаситься значительно большие сопровождающие токи, что позволяет уменьшить число дисков, а, следовательно, и остающееся напряжение. Для разрядников с простейшими искровыми промежутками защитное отношение составляет 2,6, а для разрядников с магнитным гашением дуги—2,2, т.е. при том же напряжении гашения остающееся напряжение на 25% ниже. Дальнейшее снижение защитного отношения до 1,7 может быть достигнуто путем применения так называемых токоограничивающих искровых промежутков. В этих промежутках дуга сопровождающего тока с помощью магнитного поля вводится в узкую щель и интенсивно деионизируется. Сопротивление дуги растет, и на искровых промежутках создается достаточно большое падение напряжения ΔU. В этих условиях нелинейный резистор должен ограничивать сопровождающий ток до значения I_гаш при напряженииU_гаш - ΔU .

Сопровождающий ток находится в фазе с рабочим напряжением на разряднике. Поэтому после гашения тока, которое происходит при его прохождении через нулевое значение, напряжение на промежутках восстанавливается приблизительно по синусоиде промышленной частоты и медленнее, чем электрическая прочность промежутков. Важную роль в процессе гашения сопровождающего тока играет равномерное распределение восстанавливающегося напряжения между последовательно соединенными единичными промежутками, которое достигается с помощью шунтирования промежутков резисторами с большим сопротивлением.

В импульсном режиме распределение напряжения между промежутками определяется их собственными емкостями и емкостями по отношению к земле, нелинейному элементу и вводу, т. е. многократный искровой промежуток разрядника представляет собой емкостную цепочку, подобную, например, схеме замещения гирлянды изоляторов. Импульсное напряжение по такой цепочке распределяется очень неравномерно, что обеспечивает быстрый каскадный пробой всех промежутков разрядника. Таким образом, сочетание неравномерного распределения напряжения по промежуткам с предварительной ионизацией (активизацией) единичного промежутка с однородным полем обеспечивает низкие коэффициенты импульса и пологий характер вольт-секундной характеристики вентильного разрядника.

В разрядниках на напряжения 110 кВ и выше число единичных промежутков очень велико и неравномерность распределения напряжения приводит при крутых фронтах волн к коэффициентам импульса меньше единицы. Для того чтобы удержать коэффициент импульса близким к единице, разрядники на эти напряжения снабжаются экранирующими кольцами, которые способствуют выравниванию распределения напряжения по промежуткам.

Разрядники всех классов напряжений разделены на четыре группы. Наилучшими защитными свойствами обладают разрядники I группы, имеющие наименьшие значения остающегося напряжения. Далее идут разрядники II, III и IV групп. Выпускаемые промышленностью серии разрядников распределены по группам: I группа - серии РВТ и РВРД; II группа - серии РВМ, III группа - серии РВС, IV группа - серии РВП.