НЕЛИНЕЙНЫЙ ОГРАНИЧИТЕЛЬ ПЕРЕНАПРЯЖЕНИЙ

Полезная модель относится к области высоковольтной техники, а именно к электрическим сетям среднего и высокого классов напряжения, и может быть использована в устройствах для защиты электрооборудования и электрических сетей от атмосферных и внутренних перенапряжений, преимущественно в ограничителях перенапряжений нелинейных (ОПН).
Для защиты от перенапряжений электрооборудования в электрических сетях применяются различного типа ограничители перенапряжений, содержащие колонку последовательно соединенных нелинейных резисторов (варисторов) с высоким коэффициентом нелинейности, заключенных в фарфоровую или полимерные покрышки. Для обеспечения взрывобезопасности конструкции ОПН в покрышках ОПН требуется наличие взрывопредохранительных клапанов, отверстий для сброса избыточного давления при возникновении устойчивой дуги тока промышленной частоты внутри устройства. Повреждение ОПН может происходить при длительном воздействии квазистационарных перенапряжений, которые превышают допустимые значения приложенного напряжения частоты 50 Гц характеристики ОПН «напряжение-время» (ГОСТР 52725-2207 «Ограничители перенапряжений нелинейные для электроустановок переменного тока напряжением от 3 до 750 кВ», Москва, Стандартинформ, 2007).
С другой стороны изоляция некоторых видов электрооборудования (электрические машины, генераторы, изоляция трансформаторов со сниженным уровнем изоляции) требует глубокого ограничения атмосферных и внутренних перенапряжений для безаварийной эксплуатации. Защита данного типа электрооборудования требует применения ОПН со сниженными значениями остающихся напряжений при протекания импульсных токов. Это приводит к уменьшению выдерживаемых напряжений промышленной частоты характеристик «напряжение-время» при воздействии квазистационарных и феррорезонансных перенапряжений. Например, в сетях с изолированной нейтралью 3-35 кВ при однофазных замыканиях напряжение на здоровых фазах повышается до линейного, а также могут возникать феррорезонансные перенапряжений. Длительность воздействия таких перенапряжений может достигать несколько часов. При этом могут повреждаться стандартные ОПН, предназначенные для защиты изоляции электрических машин. В сетях 110 кВ с частично разземленной нейтралью трансформаторов при выпадении шлейфов в гирляндах изоляторах возникают неполнофазные режимы, которые приводят к возникновению опасных для ОПН квазистационарных и феррорезонансных перенапряжений в сети, что может приводить к повреждению ОПН.
Известно устройство для защиты от перенапряжений [патент РФ на изобретение №2144712, опубл. 20.01.2000 г.], содержащее, по меньшей мере, одну колонку варисторов, размещенную между двумя концевыми электродами в электроизоляционном стеклопластиковом цилиндре, расположенном в наружной полимерной оболочке. В стенке цилиндра по всей его высоте имеются сквозные каналы, соединяющие внутреннюю полость цилиндра с зазором между цилиндром и наружной полимерной оболочкой, причем каналы закрыты пробками, имеющими меньшую механическую прочность, чем электроизоляционный цилиндр. Каналы в стенке изоляционного цилиндра могут представлять собой сверления либо прорези.
Наличие каналов, закрытых легко удаляемыми пробками, обеспечивает отведение через стенку цилиндра ионизированного газа, образующегося при внутреннем дуговом замыкании варисторов.
Однако устройство обладает недостаточной механической прочностью вследствие обрезки армирующих волокон при изготовлении каналов в стеклопластиковом цилиндре. К недостаткам данной конструкции можно отнести ограниченную область применения ОПН по защите электрооборудования от перенапряжений при отсутствии искровых промежутков. К недостаткам также относится и сложность процесса изготовления устройства.
Известен ограничитель перенапряжения нелинейный изоляторного типа по патенту РФ на полезную модель №96694, опубл. 10.08.2010 г. ОПН содержит стеклопластиковый стержень, по крайней мере, одну колонку нелинейных варисторов, снабженных отверстиями для установки на стержень, ребристую защитную оболочку из кремнийорганической резины, которая нанесена непосредственно на боковые поверхности колонок нелинейных варисторов и металлические фланцы с оконцевателями, которые закреплены на торцах стеклопластикового стержня и в которых выполнены отверстия для установки в них пружин для поджима колонок варисторов и металлической шайбы для установки резьбового контакта.
Устройство предназначено для защиты линейной изоляции воздушных линий электропередач, при ограничении перенапряжений для электрооборудования подстанций со сниженными уровнями изоляции, ОРУ и ЗРУ электрических станций обладает недостаточной надежностью. Кроме того устройство может применяться только в подвесном исполнении, что существенно ограничивает область его применения.
Известно устройство для защиты от перенапряжений [патент РФ на изобретение №2390082, опубл. 01.12.2008 г.], содержащее колонку последовательно соединенных высоконелинейных варисторов, а также коммутаторы, шунтирующие часть высоконелинейных варисторов. При этом зашунтированная часть высоконелинейных варисторов конструктивно разделена на отдельные блоки, состоящие из варистора, коммутатора, изолирующей шайбы и электрических соединений, обеспечивающих шунтирование варистора коммутатором и последовательное соединение всех блоков. Все блоки установлены в одну колонку с не зашунтированной частью высоконелинейных варисторов и размещены в едином изоляционном корпусе.
Недостатком данной конструкции является последовательная установка коммутаторов, изолирующей шайбы с не зашунтированной частью высоконелинейных резисторов (варисторов), что приводит к увеличению габаритных размеры конструкции. Использование в качестве коммутаторов искровых промежутков с воздушным зазором не позволяет применять жидкие и твердые изоляционные материалы между корпусом и варисторами с повышенной теплопроводностью, что уменьшает величину отвода тепла от тела варисторов при протекании импульсных токов и нагреве, что приводит к снижению величины воздействующей токовой нагрузки на варисторы.
Техническим результатом предлагаемого решения является упрощение конструкции и повышение надежности работы устройства.
Для достижения заявленного технического результата в нелинейном ограничителе перенапряжения, содержащем установленную в защитном корпусе колонку последовательно соединенных высоконелинейных варисторов, предложена новая схема защиты устройства от перенапряжений. В схему ОПН введен, по крайней мере, один газовый разрядник, который установлен параллельно варисторам и соединен с ними через электрод.
Электроды выполнены в виде фуговой пластины и соединены с газовыми разрядниками с помощью болтового или заклепочного соединения.
Количество газовых разрядников определяют в зависимости от величины остающегося напряжения на ОПН.
Включение в устройство газовых разрядников, шунтирующих часть варисторов, ограничивает перенапряжение и обеспечивает защиту ОПН при протекании больших импульсных токов и взрывобезопасность при протекании токов дуги короткого замыкания.
Предлагаемый ОПН представлен на рисунках, где показан:
Фиг. 1 - устройство в разрезе,
Фиг. 2 - соединение электрода с газовым разрядником,
Фиг. 3 - соединение электрода с варисторами и газовым разрядником.
Нелинейный ограничитель перенапряжений (фиг. 1) представляет собой корпус 1, выполненный из защитного изоляционного материала с высокими влагозащитными и тркингэрроизионными свойствами (например, силиконовой или кремнийорганической резины). В корпусе 1 установлена колонка последовательно соединенных высоконелинейных резисторов (варисторов) 2. Варисторы 2 отделены от корпуса 1 слоем электроизоляционного материала 3 с высокими механическими характеристиками, который защищает аппарат при механических нагрузках.
Внутри корпуса 1 установлены газовые разрядники 4, не менее одного. Каждый газовый разрядник содержит не менее одного искрового промежутка. Каждый газовый разрядник 4 с помощью металлических электродов 5 подключен параллельно варисторам. Варисторы имеют форму цилиндра, а электроды 5 выполнены в форме круглой пластины. Для соединения варисторов с электродами пластины электродов прокладывают между слоями варисторов, при этом нижний ряд варисторов поджимает электрод к верхнему ряду, обеспечивая контакт варисторов с электродами (фиг. 2). С газовым разрядником, также имеющим цилиндрическую форму, пластина электрода соединена посредством болтов 6 или заклепок (фиг. 3).
Изоляционный материал газовых разрядников имеет меньшие механические характеристики, чем основной изоляционный материал 3 корпуса 1 ОПН.
Ограничитель напряжения работает следующим образом. При воздействии перенапряжений остающееся напряжение на ОПН определяется суммой остающихся напряжений на каждом варисторе. При протекании импульсного тока и достижении на варисторе определенной величины остающегося напряжения срабатывает искровой промежуток в газовом разряднике и тем самым шунтирует варистор. При этом остающееся напряжение на ОПН определяется суммой остающихся напряжений на не зашунтированных варисторах. После перенапряжений в газовых разрядниках горит дуга с токами порядка 1-2 мА, что позволяет ее погасить при первом прохождении тока через ноль.
В зависимости от необходимой величины остающегося напряжения на ОПН устанавливается два и более газовых разрядника. Газовые разрядники по своим характеристикам имеют такие же параметры, как и у варисторов. Номинальный разрядный ток разрядников составляет 5 кА или 10 кА.
При повреждении ОПН происходит рост температуры и возникает дуга короткого замыкания внутри аппарата. Корпус разрядника имеет меньшие значения механической прочности и температуры плавления, что приводит к протеканию дуги тока через искровые промежутки разрядников и в дальнейшем через внешний защитный изоляционный материал с выходом на внешнюю поверхность ОПН. Газовые разрядники в конструкции ОПН позволяют избежать взрывного характера повреждения ограничителя и разлета осколков поврежденных варисторов.
Экономическая эффективность использования предлагаемого технического решения обусловлена значительным упрощением конструкции и технологии производства ОПН. Предлагаемая конструкция позволила исключить использование операций ручной сборки. Введение в конструкцию ОПН газоразрядников привело к повышению надежности работы и увеличению срока службы устройства при воздействии квазистационарных перенапряжений, что позволило более эффективно защитить оборудование со сниженными характеристиками импульсной прочности изоляции от перенапряжений сети и снизить благодаря этому аварийность защищаемого оборудования - электрических машин, трансформаторов.