РАЗРЯДНИК С МУЛЬТИКАМЕРНЫМИ ШАЙБАМИ
DISCHARGER WITH MULTI-CHAMBER WASHERS

Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение относится к области электротехники, в частности, к защите электрооборудования, в том числе линий электропередачи, от перенапряжений, например, вызванных молниевыми разрядами.
Уровень техники
Из патента RU 171093 известен мультикамерный разрядник, содержащий продолговатое изоляционное тело, выполненное из диэлектрика, основной электрод, механически соединенный с изоляционным телом в средней части изоляционного тела, и узлы крепления, расположенные на концах разрядника для прикрепления разрядника к проводу линии электропередачи. Разрядник также содержит внутренние электроды, механически соединенные с изоляционным телом между основным электродом и одним или обоими концами изоляционного тела вдоль изоляционного тела. Внутренние электроды, по меньшей мере, частично покрыты слоем диэлектрика и выходят в разрядные камеры, расположенные в диэлектрике, с образованием в них разрядных промежутков между внутренними электродами. Разрядные камеры имеют выходные каналы, соединяющие разрядные камеры с наружной поверхностью изоляционного тела, то есть выходы на поверхность диэлектрика.
На фигурах в указанном патенте представлен возможный вариант выполнения разрядника, в соответствии с которым разрядные камеры располагаются вдоль изоляционного тела. Недостатком такой конфигурации является то, что количество возможных разрядных камер ограничивается длиной разрядника и длиной электродов, что ограничивает напряжение линии электропередачи, на которой может эксплуатироваться такой разрядник. Кроме того, в такой конфигурации может наблюдаться объединение выхлопов разрядных дуг из разрядных камер, в результате чего гашение разрядных дуг может быть затруднено.
Раскрытие изобретения
Задачей настоящего изобретения является увеличение возможного количества разрядных камер в разряднике при одновременном снижении вероятности объединения выхлопов разрядных дуг из разрядных камер.
Задача изобретения решается с помощью разрядника, предназначенного для грозозащиты линии электропередачи и предпочтительно прикрепляемого к проводу линии электропередачи одним или двумя концами. Разрядник содержит продолговатое изоляционное тело, выполненное с использованием диэлектрика, а также шайбы, выполненные с использованием диэлектрика и размещенные на продолговатом изоляционном теле. Шайбы содержат внутренние электроды, расположенные в шайбах и выходящие в разрядные камеры, которые образуют разрядные промежутки между электродами и выходят на наружную поверхность шайб. Кроме того, шайбы снабжены выходными электродами, имеющими непосредственное или через разрядный промежуток соединение с внутренними электродами и выходящими наружу шайб. Шайбы расположены на продолговатом изоляционном теле с образованием разрядных промежутков между выходными электродами соседних шайб.
Разрядные камеры имеют выходные каналы, соединяющие разрядные камеры (а точнее, разрядные промежутки между электродами) с наружной поверхностью шайбы. В предпочтительном варианте выходы разрядных камер расположены на внешней окружности шайбы. Выходные электроды могут выходить из плоских поверхностей шайбы. Внутренние электроды могут быть выполнены в виде шариков. Выходные электроды и/или внутренние электроды могут быть выполнены в виде цилиндров. Электроды предпочтительно изготовлены с использованием металла, например, они могут быть полностью металлическими, например, стальными или из другого металла.
Для обеспечения эффективных разрядов, при которых продукты разряда выбрасываются из разрядных камер, площади продольных сечений выходных каналов из разрядных камер (то есть величины, соответствующие перемноженным длине выхода на его ширину) должны быть больше площадей разрядных промежутков (то есть величин, соответствующих перемноженным длинам разрядных промежутков на их ширины). При таких условиях в разрядных камерах при разрядах будет формироваться повышенное давление, которое будет выбрасывать продукты разрядов из разрядных камер.
Разрядник также может быть снабжен основным электродом, механически соединенным с продолговатым изоляционным телом. Основной электрод соединен с выходным электродом одной или нескольких шайб непосредственно или через разрядный промежуток. Основной электрод может быть выполнен в виде трубки.
Изоляционное тело может быть снабжено узлами крепления, расположенными на концах разрядника для прикрепления разрядника к проводу и/или опоре линии электропередачи. Узлы крепления преимущественно выполнены с использованием металлических (например, стальных) элементов.
В предпочтительном варианте выполнения разрядник содержит один или два концевых электрода, размещенных на концах изоляционного тела, причем шайбы размещены между концевыми электродами или между основным электродом и одним или обоими концевыми электродами. Узлы крепления могут быть размещены на концевых электродах. Концевые электроды могут быть выполнены в виде металлических, например, дюралевых стаканов, внутренний размер которых обеспечивает возможность введения в них концов изоляционного тела. Между концевыми электродами и изоляционным телом преимущественно размещены прокладки.
В предпочтительном варианте осуществления изобретения разрядник содержит продольный силовой элемент, размещенный внутри продольного изоляционного тела. В одном из вариантов продольный силовой элемент может быть выполнен с использованием диэлектрика. Например, это может быть полимерный диэлектрический трос или стеклопластиковый стержень, который может быть гибким или негибким. В другом варианте продольный силовой элемент может быть выполнен с использованием металла, например, стали, и тогда он может называться продольный электрод. В частности, продольный силовой элемент может быть выполнен в виде троса, выступающего из изоляционного тела и прикрепляемого с помощью узлов крепления к проводу линии электропередачи.
Если разрядник содержит концевые электроды, то продольный силовой элемент может быть как электрически соединен с ними в том случае, когда выполнен с использованием металла, так и не иметь с ними электрического соединения.
Задача настоящего изобретения также решается с помощью линии электропередачи, снабженной разрядником по одному из вышеописанных вариантов.
Технический результат изобретения заключается в обеспечении возможности использования разрядников для защиты линий электропередачи с высокими рабочими напряжениями (110 кВ и выше). Достигается указанный технический результат за счет снабжения разрядника шайбами, имеющими множество разрядных камер, в которых происходит расходование энергии перенапряжения на выброс продуктов разряда из разрядных камер. За счет того, что разрядные камеры выполнены в диэлектрических шайбах, установленных на продолговатом изоляционном теле со взаимным смещением, удается повысить количество разрядных камер в разряднике при одновременном снижении вероятности объединения выхлопов разрядных дуг из разрядных камер. Кроме того, обеспечена надежная работа разрядника при защите электрооборудования, например, такого как линии электропередачи, при требуемом эксплуатационном напряжении электрооборудования (т.е. номинальном напряжении разрядника). Также обеспечиваются необходимые прочностные характеристики для обеспечения длительной работоспособности разрядника, в том числе в случае нескольких грозовых разрядов.
Краткое описание чертежей
На фиг. 1 показана шайба, устанавливаемая на разряднике.
На фиг. 2 показано устройство шайбы, устанавливаемой на разряднике.
На фиг. 3 показана часть линии электропередачи, снабженная разрядником в соответствии с настоящим изобретением.
На фиг. 4 показан другой вариант установки разрядника в соответствии с изобретением.
Осуществление изобретения
Далее подробно описывается разрядник с мультикамерными шайбами в соответствии с настоящим изобретением, предназначенный для грозозащиты электрооборудования, такого как линии электропередачи. Как показано на фиг. 1, шайба 1, выполненные с использованием диэлектрического материала, такого как, например, полимерные материалы, имеет внутреннее отверстие 2, а на наружной поверхности выходы 4 разрядных камер и выходные электроды 3. Выходы разрядных камер 4 расположены на внешней окружности шайбы 1, а выходные электроды 3 выходят из плоских поверхностей шайбы 1. Внутреннее отверстие 2 предназначено для размещения шайбы на продолговатом изоляционном теле, как это будет показано далее. Выходные электроды 3 могут иметь различную форму. На фиг. 1 и 2 выходные электроды 3 изображены в цилиндрической форме, они частично расположены внутри шайбы 1 и частично снаружи нее. На фиг. 1 также видно, что выходные электроды 3 снабжены изоляционными наплывами 8, соединенными с диэлектрическим телом шайбы 1 и предназначенными для увеличения длины утечки тока по внешней поверхности шайбы.
В шайбе 1, как показано на фиг. 2 в полупрозрачном виде, расположены внутренние электроды 5. Внутренние электроды могут также иметь различную форму, например, цилиндрическую. На фиг. 2 они изображены в виде шариков 5. Между внутренними электродами 5 расположены разрядные камеры 6, которые выходят наружу шайбы 1 и в местах выхода наружу образуют выходы 4. Выходные электроды 3 соединены с ближайшими к ним внутренними электродами 5 разрядными промежутками в разрядных камерах 7. Однако возможен вариант, когда выходные электроды соединены с внутренними электродами непосредственно (прямо, гальванически). На фиг. 2 также показано внутреннее отверстие 2, в которое вставляется продолговатое изоляционное тело разрядника.
Как показано на фиг. 3 и 4, шайбы 1 располагаются на продолговатом изоляционном теле 10. В варианте по фиг. 3 выходные электроды шайб могут быть соединены гальванически (прямо, непосредственно, путем обеспечения электрического контакта между ними), а в варианте по фиг. 4 шайбы соединяются с образованием разрядных промежутков между выходными электродами соседних шайб. Образованный таким образом разрядник с мультикамерными шайбами может быть размещен на линии электропередачи несколькими способами.
На фиг. 3 показан способ подвешивания разрядника к проводу 30 линии электропередачи в виде шлейфового разрядника. К траверсе 20 подвешена гирлянда изоляторов 21, нижний конец которой снабжен креплением 22 для провода 30. По обе стороны от гирлянды изоляторов 21 к проводу 30 с помощью узлов крепления 11 подвешен разрядник, состоящий из продолговатого изоляционного тела 10 с мультикамерными шайбами 1. Кроме шайб 1 на изоляционном теле 10 размещен основной электрод 12 в виде металлической трубки или пластины, который образует разрядный промежуток с элементом 23, который может быть как частью опоры, так и отдельным от опоры заземленным элементом.
Изоляционное тело 10 может быть выполнено с использованием диэлектрического материала (например, полимерного материала). Узлы крепления 11 преимущественно выполнены с использованием металлических (например, стальных) элементов, например, в виде хомутов и/или пластин, надежно прижимающих элементы разрядника к проводу линии электропередачи. При необходимости узлы крепления могут иметь прокусывающие изоляцию элементы для обеспечения электрического соединения с проводом, если он имеет изоляцию. Площадь основного электрода преимущественно больше площади какого-либо выходного или внутреннего электрода, что обеспечивает возможность установки грозозащитного устройства около защищаемого электрооборудования с относительно большим допуском, обеспечиваемым тем, что основной электрод имеет относительно большую длину. В связи с этим обеспечить касание опоры или образование с ней искрового промежутка более длинным основным электродом можно значительно проще и в большем диапазоне положений, чем с помощью короткого основного электрода.
На концах изоляционного тела могут быть размещены концевые электроды. Концевые электроды, которые также могут называться оконцевателями, могут быть выполнены в виде металлических (например, дюралевых) стаканов, внутренний размер которых позволяет вставлять в них концы изоляционного тела. Между концевыми электродами и изоляционным телом могут быть размещены прокладки (например, силиконовые). Оконцеватели могут быть снабжены элементами крепления или крепиться с помощью элементов крепления к проводу. В частности, концевые электроды могут содержать крепления или зацепы для закрепления или зацепления на элементах электрооборудования.
Разрядник, показанный на фиг. 3, работает следующим образом. Молниевый разряд попадает в линию электропередачи или наводит в ней перенапряжение, которое пробивает разрядный промежуток между узлом крепления 11 (правым на фиг. 3) и выходным электродом ближайшей к нему шайбы 1. Далее внутри шайбы происходят разряды в разрядных камерах между выходным электродом и внутренним электродом, далее между внутренними электродами и затем между внутренним электродом и выходным электродом. Затем происходит искровой разряд между выходными электродами соседних шайб и последовательность разрядов повторяется в следующей шайбе и так далее.
Вследствие появления перенапряжения на выходном электроде шайбы, ближайшей к основному электроду 12, происходит разряд между ними и далее искровой разряд происходит между основным электродом 12 и заземленным элементом 23. Таким образом, все искровые промежутки между проводом и землей оказываются пробитыми разрядами и избыточный заряд, образовавшийся на проводе вследствие молниевого удара, стекает по замкнутой цепи на землю. После стекания этого заряда разряды в разрядных промежутках прекращаются при переходе тока промышленной частоты через ноль благодаря тому, что разрядник имеет большое количеств разрядных промежутков, и линия электропередачи автоматически восстанавливает свою работоспособность без ее отключения.
Разрядник, показанный на фиг. 4, не имеет основного электрода и одним концом закреплен на проводе 30, а другим концом на опоре 25, на которой установлен опорный изолятор 26, к котором прикреплен провод 30. Продолговатое изоляционное тело 10, содержащее мультикамерные шайбы 1 с выходными электродами 3, крепится с помощью оконцевателей 15, преимущественно выполненных с использованием металла. Шайбы 1 соединяются между собой при помощи выходных электродов 3, между которыми расположены искровые воздушные промежутки. В обычном состоянии, при отсутствии перенапряжений они обеспечивают необходимую изоляцию провода 30 от опоры 25.
Один оконцеватель 15 крепится непосредственно к заземленной опоре 25, а другой оконцеватель 15 крепится к зажиму 16, размещенному на проводе 30. Зажим 16 преимущественно выполнен с использованием металла и может быть снабжен прокусывающим зажимом для прокусывания изоляции, если провод 30 снабжен такой.
Принцип действия разрядника на фиг. 4 аналогичен разряднику на фиг. 3 за исключением того, что у разрядника на фиг. 4 нет основного электрода и он крепится, с одной стороны, к заземленному объекту (опоре 25). При появлении на проводе 30 перенапряжения, через элемент 15 оно попадает на оконцеватель 15 и между оконцевателем 15 и выходным электродом 3 ближайшей шайбы 1 происходит искровой разряд. Далее в шайбе 1 проследовательно пробиваются искровые промежутки между выходным электродом и внутренним электродом, между внутренними электродами и далее между внутренним электродом и выходным электродом. Затем происходит разряд между выходным электродами 3 соседних шайб 1 и процесс повторяется. С выходного электрода шайбы, ближайшей к оконцевателю 15, закрепленному на опоре 25, происходит разряд на оконцеватель 15 и через замкнутую таким образом цепь на землю стекает ток, вызванный приданием молнией проводу линии электропередачи избыточного заряда.
После стекания этого заряда разряды в разрядных промежутках прекращаются при переходе тока промышленной частоты через ноль благодаря тому, что разрядник имеет большое количеств разрядных промежутков, и линия электропередачи автоматически восстанавливает свою работоспособность. Поскольку разрядный промежуток вдоль изоляционного тела с помощью внутренних электродов разбит на множество малых разрядных промежутков, они пробиваются при относительно малых напряжениях последовательно (каскадно) и формируется общий канал разряда перенапряжения на землю через множество последовательно соединенных разрядных промежутков. Благодаря каскадности срабатывания разрядных промежутков обеспечивается низкое разрядное напряжение срабатывания грозозащитного устройства в целом.
Для обеспечения эффективных разрядов, при которых продукты разряда выбрасываются из разрядных камер, площади продольных сечений выходных каналов из разрядных камер (то есть величины, соответствующие перемноженным длине выхода на его ширину) должны быть больше площадей разрядных промежутков (то есть величин, соответствующих перемноженным длинам разрядных промежутков на их ширины). При таких условиях в разрядных камерах при разрядах будет формироваться повышенное давление, которое будет выбрасывать продукты разрядов из разрядных камер.
Разрядник по фиг. 3 также может содержать продольный (например, стержневой или в форме проволоки или троса) силовой элемент, размещенный внутри изоляционного тела. Благодаря продольному силовому элементу удается повысить механическую прочность разрядника, который может иметь значительный вес. Продольный силовой элемент может быть выполнен с использованием диэлектрика. Например, это может быть полимерный диэлектрический трос или стеклопластиковый стержень, который может быть гибким или негибким. В другом варианте продольный силовой элемент может быть выполнен с использованием металла, например, стали, и тогда он может называться продольный электрод. Продольный электрод преимущественно электрически соединяется с проводом линии электропередачи для разрядника, показанного на фиг. 3, а основной электрод с опорой линии электропередачи.
Для варианта, показанного на фиг. 4, внутри изоляционного тела 10 в основном может применяется продольный силовой элемент, выполненный из диэлектрика, например, это может быть стеклопластиковый стержень. Однако также может применяться и продольный электрод (то есть продольный силовой элемент, выполненный с использованием металла), однако он должен быть соединен только с проводом или только с опорой (или не иметь соединения с ними вообще) для того, чтобы не замыкать провод на землю. Соединение как продольного электрода, так и основного электрода с соответствующими элементами электрооборудования может осуществляться как непосредственно (прямо), так и посредством других электродов, разрядных промежутков.
Продольный электрод может быть отделен от концевых электродов, если они предусмотрены в конструкции, слоем изоляции или искровым промежутком, однако в предпочтительном варианте продольный электрод электрически соединен с концевыми электродами (для варианта на фиг. 3). В частности, на концах продольного электрода могут быть установлены (например, приварены) металлические шайбы или бобышки, которые охватываются концевыми электродами, например, в форме металлических стаканов, выполняющих роль оконцевателей. Помимо охвата концевыми электродами шайб или бобышек, например, путем обжатия, преимущественно частично охватывается и изоляционное тело. При необходимости оконцеватели могут быть выполнены и в другой форме, в которой продольный электрод соединяется непосредственно с оконцевателем.
В предпочтительном варианте выполнения продольный электрод выполнен в виде троса, выступающего из изоляционного тела и прикрепляемого с помощью узлов крепления к проводу линии электропередачи. В этом случае продольный электрод обладает некоторой гибкостью и повышенной прочностью, которые полезны для надежного функционирования шлейфового разрядника, показанного на фиг. 3. В преимущественном варианте выполнения продольный электрод выполнен с использованием стали.
В преимущественном варианте толщина слоя изоляционного тела, отделяющего продольный электрод от основного электрода 12, имеет величину
p
пр
D>U/E,
p
где U - разрядное напряжение между основным электродом и продольным электродом, т.е. напряжение, при котором происходит развитие разряда (остальные обозначения соответствуют вышеприведенным). Благодаря такому выбору толщины слоя изоляционного тела обеспечивается возможность длительной эксплуатации разрядника даже при многократных разрядах перенапряжений (в том числе грозовых), поскольку при напряжениях разряда не происходит пробоя изоляционного тела.
В предпочтительном варианте толщина слоя изоляционного тела, отделяющая продольный электрод от внутренних электродов должна иметь величину
i
pi
пр
D>U/E,
pi
где U - разрядное напряжение между i-м внутренним электродом и продольным электродом, т.е. напряжение, при котором происходит развитие разряда между i-м внутренним электродом и соседним внутренним электродом или основным электродом или концевым электродом (остальные обозначения соответствуют вышеприведенным). При таких соотношениях обеспечивается возможность длительной эксплуатации разрядника даже при многократных разрядах перенапряжений (в том числе грозовых), поскольку при напряжениях разряда не происходит пробоя изоляционного тела.
Благодаря тому, что разрядные камеры размещены в диэлектрических шайбах, увеличивается толщина слоя изоляционного тела, отделяющая продольный электрод от внутренних электродов. Кроме того, поскольку шайбы имеют больший диаметр, чем продольное изоляционное тело (в предпочтительном варианте выполненное в виде цилиндрического тела), по внешней окружности шайбы удается разместить большее количество внутренних электродов и разрядных камер между ними, чем если бы внутренние электроды располагались в изоляционном теле (даже по спирали или окружности).
Кроме того, так как внешняя окружность шайбы больше, чем окружность изоляционного тела, выходы из разрядных камер, выходящие на эту поверхность, будут разнесены дальше, чем в случае выходов разрядных камер на поверхность продолговатого изоляционного тела. Тем самым обеспечивается большее расстояние между выходами из разрядных камер и, соответственно, снижается вероятность объединения разрядных дуг (выхлопов) из разрядных камер при одновременном увеличении количества внутренних электродов и разрядных камер между ними.
Разрядник с продольным электродом может изготавливаться следующим образом. Сначала подготавливают продольный электрод, роль которого может выполнять металлический пруток, путем очистки и выравнивания поверхности электрода. Далее на электрод наносят один или несколько слоев диэлектрика, формируя тем самым изоляционное тело.
Продольный электрод может быть изготовлен из медного или алюминиевого сплава. В этом случае продольный электрод будет обладать относительно высокой электрической проводимостью и обеспечивать удобство формирования на нем изоляционного тела в связи с относительно высокой пластичностью и относительно низкой температурой плавления указанных материалов. Недостатком изготовления продольного электрода из сплавов меди или алюминия является недостаточная механическая прочность электрода при дальнейшей эксплуатации грозозащитного разрядника, в составе которого используется такой разрядный элемент, что может вызывать нежелательную деформацию электрода.
Продольный электрод также может быть изготовлен с использованием стали различных сплавов. В таком случае обеспечивается высокая механическая прочность электрода при эксплуатации грозозащитного разрядника, в результате чего удается избежать нежелательных деформаций электрода, сохраняя тем самым работоспособность разрядника в течение длительного времени эксплуатации.
Однако для стального продольного электрода будет наблюдаться усложнение формирования на нем изоляционного тела в связи с тем, что экономически обоснованным является изготовление длинномерных изделий, представляющих собой продольный электрод с нанесенным на него изоляционным телом, которые уже после стадии изготовления делятся, например, путем разрезания, на разрядные элементы относительно небольшой длины, далее применяемые в грозорязрядниках. Поскольку изделия на стадии изготовления имеют большую длину, то их необходимо наматывать на катушку с относительно малыми радиусами изгиба, что вызывает деформацию стальным продольным электродом изоляционного тела, поскольку непосредственно после нанесения на электрод изоляционное тело еще имеет повышенную температуру, а устойчивость к механическим деформациям у изоляционного тела ниже, чем у продольного электрода, изготовленного из стали.
В еще одном варианте разрядный элемент, состоящий из продольного электрода и изоляционного тела, может быть изготовлен путем формирования изоляционного тела на медном или алюминиевом продольном электроде, после чего из изоляционного тела извлекают медный или алюминиевый продольный электрод и вводят в него стальной продольный электрод. Благодаря такому способу формирования изоляционного тела обеспечивается, с одной стороны, пластичность разрядного элемента в процессе изготовления, и, с другой стороны, заданные прочностные механические и электрические характеристики разрядного элемента после завершения его изготовления.
Изготовленный в соответствии с любым из вышеописанных вариантов или их комбинацией или комбинацией отдельных признаков этих вариантов, разрядник может быть использован в устройстве для грозозащиты линий электропередачи, содержащей опоры с изоляторами, по меньшей мере, один находящийся под электрическим напряжением провод, связанный с изоляторами посредством крепежных устройств, и, по меньшей мере, одно устройство для грозозащиты элементов линии электропередачи, которое представляет собой разрядник с мультикамерными шайбами по любому из вышеописанных вариантов.