УСТРОЙСТВО ЗАЩИТЫ ОТ ИМПУЛЬСНЫХ ПЕРЕНАПРЯЖЕНИЙ

Предложение относится к области электротехники, а именно к силовой коммутационной аппаратуре, и предназначено для защиты электрооборудования от импульсных перенапряжений.
Для защиты электрооборудования от импульсных перенапряжений применяются устройства, ограничивающие уровень перенапряжения путем шунтирования ими защищаемого оборудования при возникновении опасного для последних уровня напряжений.
Известны вентильные разрядники (Чунихин А.А., Жаворонков М.А. «Аппараты высокого напряжения», Москва, 1985 г., «Энергоатомиздат», с.395.) [1], содержащие последовательно соединенные искровые промежутки и сопротивление с нелинейной вольтамперной характеристикой. Защитные характеристики такого разрядника определяются пробивным напряжением искровых промежутков и коэффициентом нелинейности сопротивления.
Недостатками этого устройства являются нестабильность пробивного напряжения и его изменение вследствие нарушения герметичности искрового промежутка, сложность конструкции и ограниченный ресурс при длительном пропускании разрядного тока.
Известен ограничитель перенапряжения нелинейный (ОПН) («Series capacitors for power system. Protective equipment for series capacitor banks», опубликовано в «IEC 143-2», 1994 г., стр.75.) [2], содержащий сопротивление с высокой степенью нелинейности на основе оксида цинка (ZnO). ОПН ограничивает амплитуду перенапряжений так же, как и вентильный разрядник, но вследствие более высокой степени нелинейности он может быть применен без искровых промежутков.
Недостатком этого устройства является то, что оно не способно ограничить перенапряжения с большими амплитудами сопровождающего тока большой длительности в одном элементе. При мощных и длинных импульсах сопровождающего тока приходится набирать большое количество параллельно-последовательно соединенных отдельных элементов, что приводит к сложности конструкций, большим габаритам и, соответственно, к высокой стоимости защитного устройства.
Наиболее близким к предлагаемому техническому решению является устройство (ПАТЕНТ RU 2304835 С1, класс Н02Н 9/06, опубликован в БИ, 2007, №23) [3], содержащее разрядник вакуумный управляемый (РВУ) с двумя основными (катодным и анодным) электродами и одним управляющим электродом, блок запуска, подсоединенный к управляющему электроду, и соединенное последовательно с РВУ рабочее сопротивление, выполненное в виде параллельно соединенных нелинейного R и линейного Z сопротивлений. Устройство способно ограничивать перенапряжения с большими амплитудами сопровождающего тока большой длительности.
Недостатком этого устройства является наличие блока запуска, минимальная задержка включения которого более чем на порядок больше времени включения РВУ и составляет 10-15 мкс. Кроме того, требуется время на регистрацию возникновения перенапряжения и формирование импульса управления на входе блока запуска. Все это не позволяет обеспечить малое время включения устройства (менее 1 мкс), необходимое для ограничения перенапряжения на допустимом для защищаемого оборудования уровне при крутых фронтах импульса перенапряжения.
Технической задачей полезной модели является создание устройства, обеспечивающего существенное уменьшение времени реакции устройства на возникновение импульсного перенапряжения, исключение активных управляющих элементов (блока запуска) и автоматический отклик на возникновение перенапряжения (не требуется мониторинг сети).
Техническим результатом предложенного решения является повышение быстродействия устройства, упрощение его конструкции, а также уменьшение габаритных размеров.
Технический результат достигается тем, что устройство защиты от импульсных перенапряжений содержит РВУ с анодным электродом, катодным электродом и управляющим электродом и рабочее сопротивление, состоящее из нелинейного сопротивления R и линейного сопротивления Z. Существенным признаком нового схемного решения является то, что рабочее сопротивление выполнено в виде последовательно соединенных нелинейного R и линейного Z сопротивлений, при этом нелинейное сопротивление R подсоединено к анодному электроду, линейное сопротивление Z подсоединено к катодному электроду, а точка их соединения подсоединена к управляющему электроду РВУ, кроме того, нелинейное сопротивление R выбрано так, что его защитный уровень ограничения напряжения не менее максимального рабочего напряжения сети, а величина линейного сопротивления Z удовлетворяет неравенству:
t.мин.
Rпер
Z>U/I,
t.мин.
где U - минимальное напряжение на управляющем электроде, необходимое для включения разрядника вакуумного управляемого;
Rпер
I - значение тока в нелинейном сопротивлении R, при котором вольтамперная характеристика последнего переходит из области проводимости в область сопровождающего тока.
В качестве сопротивления с сильно нелинейной вольтамперной характеристикой можно использовать ОПН, стабилитроны, стабисторы и ограничительные диоды.
Сущность предложенного технического решения поясняется иллюстрациями, где
на фиг.1 показана принципиальная схема устройства защиты от импульсных перенапряжений,
пер
на фиг.2 приведена типичная вольтамперная характеристика нелинейного элемента, где по оси ординат отложено напряжение U относительно напряжения U перехода вольтамперной характеристики из области проводимости в область сопровождающего тока,
на фиг.3 показана схема экспериментального стенда,
на фиг.4 показаны осциллограммы напряжения во времени при воздействии импульса перенапряжения на устройство защиты от импульсных перенапряжений.
Устройство защиты от импульсных перенапряжений (фиг.1) содержит РВУ 1 с анодным электродом 2, катодным электродом 3 и управляющим электродом 4 и рабочее сопротивление 5, подсоединенное параллельно РВУ 1. Рабочее сопротивление 5 выполнено в виде последовательно соединенных нелинейного 6 и линейного 7 сопротивлений, при этом нелинейное сопротивление 6 подсоединено к анодному электроду 2, линейное сопротивление 7 подсоединено к катодному электроду 3, а точка их соединения подсоединена к управляющему электроду 4 РВУ 1. Такое устройство подключается параллельно защищаемому объекту в каждой фазе напряжения сети.
Устройство защиты от импульсных перенапряжений работает следующим образом.
t
R
R
При возникновении перенапряжения выше защитного уровня в первый момент времени рабочее сопротивление 5, состоящее из нелинейного сопротивления 6 и линейного сопротивления 7, ограничивает уровень напряжения на устройстве до защитного уровня ограничения напряжения. В этом случае на управляющем электроде 4 РВУ 1 формируется импульс напряжения U=Z·I, где Z - величина линейного сопротивления 7; I - ток в нелинейном сопротивлении 6. Надежное включение РВУ 1 осуществляется при выполнении неравенства
t.мин
Rпер
Z>U/I,
t.мин
где U - минимальное напряжение на управляющем электроде, необходимое для включения РВУ 1;
Rпер
I - значение тока в нелинейном сопротивлении 6, при котором вольтамперная характеристика нелинейного сопротивления 6 переходит из области проводимости в область сопровождающего тока (фиг.2).
Ток в цепи управляющего электрода 4 будет определяться вольт-секундной характеристикой нелинейного сопротивления 6, а его длительность временем включения РВУ 1.
p
1
2
Решение технической задачи подтверждено испытаниями устройства защиты от импульсных перенапряжений на экспериментальном стенде (фиг.3). Стенд содержит накопительный конденсатор емкостью С равной 0,4 мкФ на максимальное напряжение 100 кВ, который заряжался от высоковольтного трансформатора Т через диод VD и зарядное сопротивление R равное 256 кОм. Высоковольтный импульс напряжения формировался на входе устройства защиты от импульсных перенапряжений, содержащего РВУ 1 и рабочее сопротивление 5 (6 - нелинейное сопротивление R - тип ОПН-КС 6/7, 2 и линейное сопротивление 7 - Z равное 20 Ом), после включения разрядника Р при разряде емкости C через сопротивление R равное 500 Ом. Максимальная амплитуда импульса напряжения ограничивалась рабочим напряжением разрядника Р и составляла 30 кВ.
В результате испытаний показано, что предлагаемое устройство защиты от импульсных перенапряжений позволяет ограничить импульсные перенапряжения с длительностью фронта менее одной микросекунды. Типичные осциллограммы воздействующего 1 и ограниченного 2 импульсов напряжения представлены на фиг.4.
Выполненные испытания экспериментально подтвердили правильность принятых технических решений и работоспособность быстродействующего устройства защиты от импульсных перенапряжений. Уровень ограничения такого устройства определяется напряжением ограничения применяемого нелинейного сопротивления. Высокая коммутационная способность устройства обеспечивается способностью РВУ многократно пропускать импульсные токи амплитудой до сотен килоампер и длительностью до сотен микросекунд.
Предлагаемое устройство защиты от импульсных перенапряжений целесообразно использовать в сетях с большим по амплитуде и по длительности током сопровождения.
Применение предлагаемого устройства защиты от импульсных перенапряжений позволит повысить эффективность защиты электротехнического оборудования от перенапряжений с высокой скоростью нарастания напряжения и большой величиной сопровождающего тока.
Работа выполнена при поддержке Российского фонда фундаментальных исследований (проект №09-08-00368).
Источники информации принятые во внимание при составлении заявки:
[1]. Чунихин А.А., Жаворонков М.А. «Аппараты высокого напряжения» М: 1985 г., «Энергоатомиздат», с.395.
[2]. «Series capacitors for power system. Protective equipment for series capacitor banks», опубликовано в «IЕС 143-2», 1994 г., стр.75
[3]. ПАТЕНТ RU 2304835 С1, класс Н02Н 9/06, опубликован в БИ, 2007, №23.