ЛИНИЯ ЭЛЕКТРОПЕРЕДАЧИ С ГРОЗОТРОСОМ, ЗАЩИЩЕННЫМ РАЗРЯДНИКОМ
POWER TRANSMISSION LINE WITH GROUND WIRE, PROTECTED BY DISCHARGER

Область техники, к которой относится изобретение
Изобретение относится к области электротехники, в частности к грозозащите электрооборудования, например, такого как линии электропередачи, в том числе высоковольтные.
Уровень техники
Из международной заявки WO 2009120114 известна высоковольтная линия электропередачи, содержащая три находящихся под высоким электрическим напряжением провода, соответствующих различным фазам. Каждый из проводов механически связан с собранными в гирлянды конусными изоляторами. Гирлянды изоляторов закреплены на опорах линии электропередачи. Некоторые изоляторы в соответствии с указанной международной заявкой представляют собой изоляторы-разрядники, обеспечивающие защиту проводов под высоким напряжением от грозовых разрядов.
Обычно для грозозащиты известных высоковольтных линий электропередачи помимо изоляторов-разрядников используются грозозащитные тросы. В заявке WO 2009120114 указывается, что в случае использования изоляторов-разрядников для верхнего провода от применения грозозащитного троса можно отказаться. При ударе молнии в верхний провод в этом случае ток молнии протекает по мультиэлектродным системам изоляторов-разрядников и, благодаря большому числу промежуточных электродов, дуга сопровождающего тока промышленной частоты не образуется. Таким образом, высоковольтная линия электропередачи продолжает работу без отключения. При этом провод верхней фазы выполняет функцию грозозащитного троса для нижних фаз, т.е. он предотвращает прямой удар молнии в них.
Однако применение грозозащитного троса предписывается нормативными документами, в связи с чем требуется защита от грозовых перенапряжений и самого грозотроса. Обычно для такой защиты параллельно изолятору, на котором крепится грозозащитный трос, устанавливают искровой промежуток, через который грозовое перенапряжение в случае попадания молнии в грозотрос разряжается в землю.
Недостатком такого решения является то, что после окончания молниевого разряда и его отекания в землю дуга в искровом промежутке продолжает гореть. Это связано с тем, что линия электропередачи с одним или более проводом под напряжением и одним или более грозозащитным тросом представляет собой электромагнитную систему, в которой благодаря электромагнитной связи между проводами, проходящими параллельно друг другу на длительном расстоянии, на грозотросе наводится напряжение. В том случае, если это напряжение падает до нуля (например, при дуговом разряде на заземленные элементы опоры), в работу линии электропередачи за счет электромагнитной связи проводов вносятся искажения, что приводит к потерям при передаче электроэнергии и снижению коэффициента полезного действия линии электропередачи.
Гашение разрядной дуги упрощено при использовании изоляторов-разрядников для подвешивания грозозащитного троса к опорам линии электропередачи. Однако использование изоляторов-разрядников для подвешивания грозотроса менее оправдано с экономической точки зрения по сравнению с подвешиванием проводов, по которым происходит передача электроэнергии, так как на грозозащитном тросе нет таких высоких напряжений, как на проводах, используемых для передачи электроэнергии на линиях электропередачи, рассчитанных на 35 кВ, 110 кВ и выше.
Раскрытие изобретения
Задачей настоящего изобретения является обеспечение защиты грозозащитного троса, подвешиваемого к опорам линий электропередач с помощью изоляторов, от грозовых перенапряжений, а также обеспечение гашения разрядной дуги после окончания молниевого разряда простым и недорогим способом, в частности без использования изоляторов-разрядников, предназначенных для грозозащиты высоковольтных проводов линий электропередачи.
Задача настоящего изобретения решается с помощью линии электропередачи, содержащей опоры, изоляторы, механически соединенные с опорами и выполненные с возможностью подвешивания к ним проводов. По меньшей мере один провод предназначен для передачи высоких напряжений (35 кВ, 110 кВ и выше), и по меньшей мере один провод выполнен в виде грозозащитного троса.
Сущность изобретения заключается в том, что параллельно изолятору и/или на изоляторе, с помощью которого подвешивается грозозащитный трос, устанавливают длинноискровой и/или длинномерный мультиэлектродный разрядник, рассчитанный на эксплуатацию в электрических сетях с меньшими напряжениями электропередачи (например, до 6 или 10 кВ). В качестве длинноискрового или длинномерного мультиэлектродного разрядника может использоваться, например, экран-разрядник.
Технический результат, достигаемый настоящим изобретением, заключается в обеспечении гашения разрядной дуги, проходящей между грозозащитным тросом и элементом опоры линии электропередачи, непосредственно после окончания грозового импульса перенапряжения при использовании более простого и дешевого разрядника, чем это необходимо для защиты проводов, находящихся под высоким напряжением (35 кВ, 110 кВ и более).
Краткое описание чертежей
На фиг. 1 представлена опора линии электропередачи с грозозащитным тросом, проводами для передачи электроэнергии и разрядником, защищающим изолятор, на котором подвешен грозозащитный трос.
На фиг. 2 показан длинно-искровой разрядник для защиты изолятора грозотроса.
На фиг. 3 показан длинномерный мультиэлектродный разрядник.
Осуществление изобретения
Далее со ссылкой на фиг. 1 описывается вариант осуществления изобретения. Опора 1 линии электропередачи снабжена траверсами 2 и 3. К траверсе 2 крепится изолятор 4, с помощью которого закрепляется грозозащитный трос 7, который также может называться грозотрос. К траверсе 3 с обеих сторон от опоры 1 крепятся гирлянды изоляторов 5 и 6, которые удерживают в подвешенном состоянии провода 8 и 9, по которым передается электроэнергия. Другими словами, на провода 8 и 9 подано напряжение промышленной частоты.
Провод для передачи электроэнергии может быть один или больше двух. Например, распространенным вариантом является использование трех проводов для передачи трех фаз напряжения с промышленной частотой. Грозозащитных тросов может быть более одного в зависимости от выбранной схемы защит линии электропередачи от грозовых перенапряжений с помощью тросов, установленных выше проводов, по которым передается электроэнергия.
С целью обеспечения стекания импульса перенапряжения с грозозащитного троса на землю (например, через опору) путем формирования электрического разряда с предотвращением образования разрядной дуги или ее гашением сразу после окончания импульса перенапряжения параллельно изолятору, на котором подвешен грозозащитный трос, устанавливают разрядник 10, через который проходит разряд 11.
В одном из вариантов разрядник может быть длинноискровым (см. фиг. 2), то есть выполненным в виде продолговатого (например, стержневого или стержнеобразного) электрода, соединенного механически, а также электрически непосредственно (прямо, гальванически), или через разрядный промежуток, или промежуток с емкостной или электромагнитной связью с опорой (в частности, траверсой 2) с помощью крепежного узла 15 и покрытого слоем изоляции (изоляционным телом), поверх которого размещен основной электрод 12, который на фиг. 2 соединен посредством искрового промежутка 13 с грозозащитным тросом 7. Основной электрод 12 может соединяться с грозозащитным тросом и непосредственно (прямо, гальванически). Помимо основного электрода на слое изоляции на расстоянии друг от друга могут быть размещены промежуточные электроды 14, выполненные, например, в виде кольцевых электродов, надетых на слой изоляции.
При использовании длинноискрового разрядника во время приложения импульса перенапряжения между продолговатым электродом и основным электродом вдоль слоя изоляции развивается скользящий по поверхности разряд 16, переходящий в разрядную дугу, которая сразу после окончания импульса перенапряжения прекращается.
В другом варианте разрядник может быть длинномерным мультиэлектродным (см. фиг. 3), то есть выполненным в виде продолговатого (например, стержнеобразного) диэлектрического тела 17, на котором на расстоянии друг от друга размещены основные 18, 19 и промежуточные электроды 20. На фиг. 3 показано, что основные электроды 19, 18 соединены непосредственно с опорой (в частности, траверсой 2) и грозозащитным тросом 7 соответственно (т.е. электрод 19 с опорой, а другой с грозотросом) и также выполняют роль крепежных узлов. В других вариантах исполнения они могут быть соединены с опорой и тросом посредством искровых промежутков.
При использовании длинномерного мультиэлектродного разрядника во время приложения импульса перенапряжения между основными электродами 18, 19 последовательно пробиваются с образование разрядных дуг 21 разрядные промежутки между основным электродом 18 и промежуточным электродом 20, между промежуточными электродами 20 и между промежуточным электродом 20 и вторым основным электродом 19. Поскольку разрядные дуги имеют меньшие длины, сразу после окончания импульса перенапряжения они гасятся.
Изготавливаться такое разрядник может следующим образом. Экструдируют изоляционное тело, на котором затем размещают промежуточные электроды и основной электрод, выполненный в виде трубки. Далее на концах изоляционного тела размещают оконцеватели, изоляционное тело сгибают в петлю и оконцеватели помещают в металлический узел крепления. В том случае, когда в изоляционное тело вводят продолговатый электрод, это делают до размещения оконцевателей на изоляционном теле, преимущественно до размещения на изоляционном теле промежуточных электродов и основного электрода.
Далее описываются различные варианты выполнения разрядника, предусматривающие использование продолговатого электрода внутри изоляционного тела, то есть относящиеся к длинноискровому разряднику. Однако те особенности, которые имеет разрядник в соответствии с настоящим изобретением безотносительно продолговатого электрода, могут относиться к разряднику и без такого продолговатого электрода, то есть к длинномерномуе мультэлектродному разряднику.
p
пp.
пр
пр
пр
Изоляционное тело может быть выполнено как из полимерного диэлектрического материала (например из полиэтилена), так и из других видов материалов. При воздействии перенапряжения U на токоотводящее устройство недопустим пробой твердой изоляции между промежуточными электродами и продолговатым электродом, т.е. необходимо, чтобы разряд между основными электродами (один из которых может быть соединен со продолговатым электродом или в качестве одного из которых может быть принят продолговатый электрод) развивался, проходя только через промежуточные электроды и через воздушные искровые промежутки. Таким образом, разрядное напряжение разрядника (искровых промежутков, расположенных на его поверхности) должно быть меньше, чем пробивное напряжение изоляции U<U Пробивное напряжение можно выразить через толщину изоляции Δ (т.е. толщину слоя изоляционного тела) и пробивную напряженность материала Е, из которого изготовлено изоляционное тело: U=Δ⋅Е. Следовательно, толщина изоляции должна соответствовать условию
.
i
Таким образом, для обеспечения необходимой электрической прочности изоляции толщина Δ изоляционного тела между продолговатым электродом и i-м промежуточным электродом (i=1, 2, …m) должна выбираться из условия
,
p,i
где U - разрядное напряжение между i-м промежуточным электродом и вторым основным электродом;
пр
Е - пробивная напряженность изоляционного материала, из которого выполнено изоляционное тело.
p,i
i
В целях удешевления устройства, а также для дальнейшего снижения разрядных напряжений толщина изоляции между промежуточными электродами и продолговатым электродом может быть сделана различной для различных промежуточных электродов. Чем дальше i-й промежуточный электрод находится от второго основного электрода, тем больше должно быть разрядное напряжение U между ними и, соответственно, тем толще должен быть слой изоляции Δ. Другими словами, толщина изоляции между продолговатым электродом и i-м промежуточным электродом должна быть связана прямой зависимостью с расстоянием между i-м промежуточным электродом и вторым основным электродом (в общем случае - тем основным электродом, который электрически связан со продолговатым электродом).
0
Чем ближе продолговатый электрод к промежуточному электроду, тем больше емкость С между этими электродами и тем ниже разрядные напряжения разрядника. Поэтому для снижения разрядных напряжений целесообразно расположение продолговатого электрода вдоль всего изоляционного тела таким образом, чтобы каждый промежуточный электрод находился напротив продолговатого электрода. Однако могут быть случаи, когда гарантированное отсутствие пробоев изоляции важнее, чем снижение разрядных напряжений. При этом продолговатый электрод может располагаться не по всей длине изоляционного тела, а перекрывать только какую-то его часть. В таком варианте часть промежуточных электродов, расположенных ближе ко второму основному электроду, будет находиться напротив продолговатого электрода, а другая часть промежуточных электродов будет расположена со смещением вдоль продольной оси продолговатого электрода. При этом расстояния между этими промежуточными электродами и концом продолговатого электрода (толщины изоляции) будут существенно больше, чем при расположении продолговатого электрода на всю длину изоляционного тела. И в этом случае разрядные напряжения в устройстве по изобретению будут ниже, чем в устройствах-аналогах, но не в такой значительной мере, как в случае расположения продолговатого электрода вдоль всего изоляционного тела. Очевидно, что максимальное увеличение толщин изоляции между промежуточными электродами и продолговатым электродом при одновременном снижении разрядных напряжений достигается при расположении продолговатого электрода только напротив одного промежуточного электрода, ближайшего ко второму основному электроду.
Промежуточные электроды могут располагаться на изоляционном теле со смещением (поворотом) в окружном направлении вокруг продольного или другого направления изоляционного тела. Число промежуточных электродов выбирается в зависимости от формы их выполнения, проектируемой величины перенапряжения и других условий. Данная конструкция закрепляется с помощью узла крепления, преимущественно выполненного металлическим, к защищаемому электрооборудованию, например к опоре линии электропередачи.
Когда узел крепления выполнен металлическим (токопроводящим), он одновременно представляет собой как средство механического крепления, так и контактный токопроводящий узел. Для закрепления на электрооборудовании разрядника узел крепления может иметь элемент закрепления, например, путем зацепления (в частности, с помощью крюка) или зажима (в частности, с помощью винтового или другого соединения). Кроме того, узел крепления в предпочтительном варианте имеет металлические гнезда для размещения в них и закрепления сведенных друг к другу концов дугообразно согнутого в виде петли оконцевателей, надетых на изоляционное тело и в одном из вариантов механически/электрически соединенных с продолговатым электродом, который преимущественно является металлическим.
Продолговатый электрод может быть введен в изоляционное тело с помощью механического силового внедрения (проталкивания) продолговатого электрода (например, стержня) внутрь тела (с учетом упругости материала стенки оболочки) до выхода его конца из изоляционного тела. Продолговатый электрод может вводиться в изоляционного тело при нагреве продолговатого электрода и/или изоляционного тела, при котором обеспечивается пластическая деформация изоляционного тела, что упрощает ввод продолговатого электрода в него. После ввода нагрев прекращается, изоляционного тело остывает и продолговатый электрод прочно охватывается изоляционным телом.
К концам продолговатого электрода могут быть прикреплены (например, приварены) шайбы или бобышки, на которые затем могут быть одеты металлические стаканы, частично охватывающие изоляционное тело и выполняющие роль оконцевателей. При необходимости оконцеватели могут быть выполнены и в другой форме, например, раскрытой в патенте ЕА 017500, в которой продолговатый электрод соединяется непосредственно с оконцевателем. Оконцеватели далее закрепляются в гнездах металлического узла крепления, например, путем обжима оконцевателей.
Узел крепления может быть выполнен металлическим (токопроводящим) и иметь, например, элемент зацепления, посредством которого разрядник подвешивается, например, на линию электропередачи. В другом варианте узел крепления может иметь зажим, посредством которого он может крепиться на опоре или электроде изолятора. Все элементы узла крепления могут быть выполнены металлическими, и в связи этим узел крепления может представлять собой токопроводящий контактный узел, через который скачок перенапряжения от токопроводящего элемента линии электропередачи поступает к мультиэлектродной системе, образованной на изоляционном теле, или наоборот.
Мультиэлектродная система образована за счет наличия промежуточных электродов на изоляционном теле, например на части ее длины со стороны одного из концов продолговатого электрода (например, металлического стержня). Промежуточный электрод может представлять собой металлическую пластинку круглой или прямоугольной или иной формы, которую закрепляют на наружной поверхности изоляционного тела. Например, такая пластинка может быть механически закреплена на изоляционном теле, или приклеена к ней, или термически внедрена в тело оболочки с выводом наружной поверхности пластинки, открытой наружу.
Промежуточные электроды могут быть выполнены в виде продолговатых металлических пластин, на одном из концов которых выполнены отверстия (ушки). Пластины загибаются вокруг изоляционного тела для образования кольцевой формы промежуточного электрода и концы пластин без отверстий после охвата изоляционной оболочки вводятся в отверстия (ушки) на других концах своих же пластин и загибаются с охватом части ушка так, чтобы электрод не расцепился. Такое исполнение электродов для набора промежуточных электродов является достаточно простым и технологичным.
В другом варианте выполнения промежуточные электроды могут быть выполнены в виде пружин из проволоки, описанных в патенте ЕА 017328. Такие пружины могут быть навиты непосредственно на изоляционном теле или предварительно изготовлены с последующим надеванием на изоляционное тело.
Благодаря выполнению промежуточных электродов в виде колец их емкость относительно продолговатого электрода увеличивается, и тем самым усиливается эффект каскадности срабатывания разрядника, т.е. снижаются его разрядные напряжения, необходимые для пробоя межэлектродных промежутков. Исследования показали, что для гашения дуги полезно, чтобы отдельные ее участки (дуги), которые образуются благодаря применению промежуточных электродов, находились на как можно большем удалении друг от друга. При таком взаимном расположении участков дуги затруднено образование единого канала дуги при ее раздувании в процессе протекании тока, и кроме того, упрощается гашение дуги.
Промежуточные электроды на изоляционном теле преимущественно расположены на части ее длины со стороны одного из концов изоляционного тела, а на другой части изоляционного тела (предпочтительно в средней части) размещен основной электрод. Этот основной электрод предпочтительно выполнен в виде охватывающей изоляционное тело металлической трубки или закрепленной на изоляционном теле пластины.
Площадь основного электрода преимущественно больше площади какого-либо промежуточного электрода, что обеспечивает возможность установки разрядника около защищаемого электрооборудования с относительно большим допуском, обеспечиваемым тем, что основной электрод имеет большую длину, чем промежуточный электрод. При защите электрооборудования, например линий электропередачи, разрядник соединяется с защищаемым элементом оборудования, например с проводом, непосредственно или через искровой разрядный промежуток. В связи с этим обеспечить касание провода или образование искрового промежутка более длинным основным электродом можно значительно проще и в большем диапазоне положений, чем с помощью короткого промежуточного электрода.
Защита электрооборудования от грозовых перенапряжений при использовании описанного разрядника осуществляется следующим образом. При попадании молнии в линию электропередачи происходит импульсное перекрытие ближайшего изолятора или изоляционного промежутка. После импульсного перекрытия изоляции возможно либо дальнейшее развитие электрического разряда с переходом в силовую дугу рабочего напряжения, что означает короткое замыкание линии, либо восстановление электрической прочности изоляции после протекания тока молнии через канал разряда и опору в землю и продолжение нормального режима работы линии без ее отключения.
Вероятность возникновения силовой дуги главным образом зависит от номинального напряжения линии и длины пути перекрытия. При заданном номинальном напряжении вероятность установления силовой дуги приблизительно обратно пропорциональна длине перекрытия. За счет увеличения длины перекрытия возможно уменьшить вероятность возникновения дуги и, соответственно, сократить количество отключений линии.
В связи с этим разрядник обеспечивает возможность создания достаточно длинного пути искрового перекрытия за счет использования эффекта поверхностного разряда по поверхности диэлектрика. Длина пути искрового перекрытия по поверхности импульсного грозового разрядника должна быть больше, чем длина пути искрового перекрытия защищаемого элемента линии.
При появлении перенапряжения на разряднике оно оказывается приложено между продолговатым электродом и основным электродом. Благодаря наличию продолговатого электрода напряженность поля вблизи основного электрода значительно возрастает. Наибольшая напряженность поля наблюдается на краю основного электрода. Из-за этого при относительно низких значениях перенапряжения в воздухе около края основного электрода формируется канал скользящего разряда, поддерживаемый емкостным током и скользящий в сторону оконцевателя. При перенапряжениях с величиной, близкой к напряжению срабатывания разрядника, канал разряда обычно формируется в одну из сторон разрядника. При значительных перенапряжениях канал разряда развивается в обе стороны, к обоим оконцевателям.
Разрядные напряжения, необходимые для формирования скользящего разряда, являются достаточно низкими. Это означает, что при относительно небольшой величине импульса перенапряжения происходит перекрытие весьма длинного пути по поверхности диэлектрика (например, изоляционного тела). Параметры разрядника выбираются таким образом, чтобы его напряжение срабатывания было меньше, чем разрядное напряжение защищаемого элемента электрооборудования, а длина пути перекрытия была намного больше длины пути перекрытия защищаемого элемента. За счет такого увеличения длины перекрытия предотвращается формирование силовой дуги промышленной частоты и исключается необходимость отключения электроэнергии, передаваемой по линии электропередачи.
При воздействии импульса перенапряжения на линию электропередачи (ее провод) сначала пробивается искровой разрядный промежуток между высоковольтным проводом линии электропередачи и основным электродом, а затем разряд развивается от основного электрода через промежуточные электроды (последовательно пробивая промежутки между ними) к оконцевателям и узлу крепления, соединенного с заземленным элементом линии электропередачи. Таким образом, происходит каскадное, т.е. последовательное, перекрытие промежутков между промежуточными электродами с образованием дуговых разрядов (дуг). Благодаря каскадности срабатывания разрядных промежутков обеспечивается низкое разрядное напряжение срабатывания разрядника в целом.
При воздействии перенапряжения на разрядник недопустим пробой изоляционного тела между промежуточными электродами (а также основным электродом) и продолговатым электродом (например, стержнем). В связи с этим пробивное напряжение изоляционного тела должно быть выше разрядного напряжения разрядника, в качестве которого может быть принято разрядное напряжение искровых промежутков по поверхности изоляционного тела.
Промежуточные электроды могут располагаться на изоляционном теле последовательно на расстоянии друг от друга и по прямой линии. Также возможен вариант исполнения, в котором промежуточные электроды расположены на изоляционном теле по спирали (т.е. со смещением в окружном направлении друг относительно). Такое расположение дает возможность разместить на разряднике большее число промежуточных электродов, чем в варианте без смещения по окружности, и тем самым дополнительно улучшить дугогасящую способность разрядника за счет увеличения количества промежутков, на которые разбивается дуга.
Поскольку дугогасящая и грозозащитная способность разрядника по настоящему изобретению зависит от количества разрядных промежутков, то на изоляционном теле возможно размещение мультиэлектродных и мультикамерных систем, описанных, например, в международной заявке WO 2010082861.
Возможны варианты, когда продолговатый электрод не имеет электрического соединения с узлом крепления. Например, продолговатый электрод может быть изолирован от оконцевателя, или оконцеватели изолированы от узла крепления, или же узел крепления выполнен из диэлектрика. В таких случаях наличие продолговатого электрода по прежнему будет способствовать развитию скользящего разряда, так как между продолговатым электродом и оконцевателями, или узлом крепления, или заземленными элементами защищаемого электрооборудования устанавливается емкостная связь и продолговатый электрод может приобретать (в т.ч. за счет токов утечки) потенциал, близкий к потенциалу земли или достаточный для развития скользящего разряда.
В том случае, если продолговатый электрод отсутствует, то перекрытие разрядных промежутков между промежуточными электродами и другими электродами и элементами разрядника может происходить не за счет эффекта скользящего разряда, а за счет превышения напряжения между электродами предела, при котором происходит пробой разрядного промежутка.
Необходимо отметить, что длинноискровой разрядник и длинномерный мультиэлектродный разрядник могут иметь различную форму: прямую, дугообразную, петлевую и т.п. В одном из вариантов они могут огибать элемент электроустановки, к которому они присоединены, на некотором расстоянии от него, как это описано в международных заявках WO 2015167359 и WO 2015167360. В таких случаях они могут помимо основной функции разрядника также выполнять роль экрана, что будет снижать вероятность развития коронных разрядов около линий электропередачи.