РАЗРЯДНИК С ОТКРЫТЫМИ ВЫХОДАМИ ИЗ РАЗРЯДНЫХ КАМЕР
LIGHTNING PROTECTOR WITH OPEN OUTPUTS FROM DISCHARGE CHAMBERS

Область техники, к которой относится изобретение
Изобретение относится к разрядникам для защиты от перенапряжений, например, грозовых, электроустановок, высоковольтных линий электропередачи и электрических сетей. Изобретение также относится к высоковольтным линиям электропередачи, имеющим в своем составе элементы, снабженные такими разрядниками.
Уровень техники
Молниевые разряды являются одним из наиболее опасных явлений для эксплуатации высоковольтных линий электропередачи. При грозовом перенапряжении происходит перекрытие воздушного промежутка между токонесущим элементом линии электропередачи и заземленным элементом. После окончания импульса грозового перенапряжения это перекрытие под действием напряжения промышленной частоты, приложенного к токонесущему элементу, переходит в силовую дугу промышленной частоты.
k
В качестве решения проблемы образования силовой дуги при грозовом перенапряжении в международной заявке WO 2010082861 был предложен разрядник для грозозащиты электрооборудования или линии электропередачи, содержащий изоляционное тело, выполненное из твердого диэлектрика, два основных электрода, механически связанных с изоляционным телом, и два или более промежуточных электродов, выполненных с возможностью формирования разряда (например, стримерного) между каждым из основных электродов и смежным с ним промежуточным электродом и между смежными промежуточными электродами, причем смежные электроды расположены между основными электродами с взаимным смещением, по меньшей мере, вдоль продольной оси изоляционного тела. Разрядник по указанной международной заявке характеризуется тем, что промежуточные электроды расположены внутри изоляционного тела и отделены от его поверхности слоем изоляции, толщина которого выбрана превышающей расчетный диаметр D канала указанного разряда, при этом между смежными промежуточными электродами выполнены выходящие на поверхность изоляционного тела разрядные камеры (полости), площадь S поперечного сечения которых в зоне формирования канала разряда выбрана из условия , где g - минимальное расстояние между смежными промежуточными электродами.
При воздействии на такой мультикамерный разрядник импульса грозового перенапряжения электрическими разрядами пробиваются промежутки между электродами. Благодаря тому, что разряды между промежуточными электродами происходят внутри камер, объемы которых весьма малы, при расширении канала создается высокое давление газов, под действием которого каналы дуговых разрядов между электродами перемещаются к поверхности изоляционного тела и далее выдуваются наружу в окружающий воздух.
Вследствие возникающего дутья и удлинения каналов между электродами каналы разрядов охлаждаются, суммарное сопротивление всех каналов увеличивается, т.е. общее сопротивление разрядника возрастает, и происходит ограничение импульсного тока грозового перенапряжения. Ток грозового перенапряжения отводится через опору в землю и вслед за ним протекает сопровождающий ток промышленной частоты. При переходе тока через ноль дуга гаснет, и линия электропередачи продолжает бесперебойную работу.
Такой принцип работы мультикамерного разрядника является достаточно эффективным, поскольку конструкция разрядника получается простой, надежной и недорогой. В то же время вышеописанный разрядник обладает таким недостатком, как значительная длительность сопровождающего тока. Причиной этого является то, что сопровождающий ток имеет промышленную частоту и для гашения дуги необходим его переход через ноль. Частота переходов через ноль задается промышленной частотой и, следовательно, не может произвольно меняться. В связи с этим требуются дополнительные меры, направленные на гашение дуги непосредственно после протекания тока грозового разряда.
Раскрытие изобретения
Задачей настоящего изобретения является снижение длительности сопровождающего тока в мультикамерном разряднике путем обеспечения гашения дуги после прохождения импульса грозового перенапряжения до перехода сопровождающего тока, имеющего промышленную частоту, через ноль.
Задача настоящего изобретения решается с помощью разрядника для грозозащиты элементов электрооборудования или линии электропередачи, содержащий изоляционное тело, выполненное из диэлектрика, и пять или более электродов, механически связанных с изоляционным телом. Электроды расположены с обеспечением возможности формирования, под воздействием грозового перенапряжения, электрического разряда между соседними электродами.
В разряднике согласно настоящему изобретению электроды расположены внутри изоляционного тела и отделены от его поверхности слоем изоляции, причем соседние электроды выступают в разрядные камеры, имеющие выходы на поверхность изоляционного тела. Отличительным признаком настоящего изобретения является то, что, по меньшей мере, одна разрядная камера имеет два или более выхода на поверхность изоляционного тела.
В преимущественном варианте осуществления выходы на поверхность изоляционного тела начинаются от разрядного промежутка между соседними электродами. Кроме того, выходы на поверхность изоляционного тела предпочтительно расположены в плоскости, составляющей с линией, проходящей вдоль разрядных камер, угол от 60° до 90°.
В преимущественном варианте осуществления изобретения произведение длины выхода из разрядной камеры на наибольшую его ширину для каждого выхода было больше произведения наименьшего расстояния между электродами и ширины разрядной камеры в направлении, поперечном линии, соединяющей электроды. При этом может быть предпочтительно, чтобы сумма произведений длины выхода из разрядной камеры на наибольшую его ширину для всех выходов больше произведения наименьшего расстояния между электродами и ширины разрядной камеры в направлении, поперечном линии, соединяющей электроды
По меньшей мере, одна разрядная камера может быть соединена, по меньшей мере, с одной напорной камерой через разрядные промежутки между соседними электродами. Кроме того, по меньшей мере, две разрядные камеры могут быть соединены с одной общей напорной камерой через разрядные промежутки между соседними электродами. Общая напорная камера предпочтительно расположена вдоль электродов. Пары электродов, образующие разрядные промежутки, преимущественно расположены вдоль или поперек напорной камеры или под углом к ней. Напорная камера может быть соединена, по меньшей мере, с одной разрядной камерой в части разрядных промежутков между электродами проходами с площадью поперечного сечения меньше минимальной площади сечения разрядного промежутка в плоскости, параллельной поперечному сечению проходов. Напорная камера также может иметь переменное в продольном направлении поперечное сечение.
Задача настоящего изобретения также решается с помощью изолятора-разрядника для крепления, в качестве одиночного изолятора или в составе колонки или гирлянды изоляторов, высоковольтного провода в электроустановке или на линии электропередачи. Изолятор-разрядник содержит изоляционное тело и арматуру в виде установленных на его концах первого и второго элементов арматуры, причем первый элемент арматуры выполнен с возможностью соединения, непосредственно или посредством крепежного устройства, с высоковольтным проводом или со вторым элементом арматуры предшествующего высоковольтного изолятора указанных колонки или гирлянды, а второй элемент арматуры выполнен с возможностью соединения с опорой или с первым элементом арматуры последующего высоковольтного изолятора указанных колонки или гирлянды.
Такой изолятор-разрядник содержит разрядник по любому из вышеописанных вариантов, установленный с возможностью формирования, под воздействием грозового перенапряжения, электрического разряда между первым элементом арматуры и, по меньшей мере, одним смежным с ним электродом, а также вторым элементом арматуры и, по меньшей мере, одним смежным с ним электродом.
Задача настоящего изобретения также решается с помощью экрана-разрядника, содержащего изоляционное тело, выполненное с возможностью механического закрепления на элементе электрооборудования или линии электропередачи с обеспечением, по меньшей мере, частичного огибания указанного или соседнего с ним элемента электрооборудования или линии электропередачи. Экран-разрядник содержит разрядник по любому из вышеописанных вариантов, установленный на расстоянии от огибаемого элемента электрооборудования или линии электропередачи.
Задача настоящего изобретения также решается с помощью линии электропередачи, содержащей опоры, одиночные изоляторы и/или изоляторы, собранные в колонки или гирлянды, и, по меньшей мере, один находящийся под высоким электрическим напряжением провод, связанный непосредственно или посредством крепежных устройств с элементами арматуры одиночных изоляторов и/или первых изоляторов колонок или гирлянд изоляторов, причем каждый одиночный изолятор или каждая колонка или гирлянда изоляторов закреплен(закреплена) на одной из опор посредством элемента своей арматуры, смежного с указанной опорой. В соответствии с изобретением линия электропередачи содержит, по меньшей мере, один разрядник по любому из вышеописанных вариантов и/или, по меньшей мере, один экран-разрядник по вышеописанному варианту и/или, по меньшей мере, один из изоляторов представляет собой изолятор-разрядник по вышеописанному варианту.
Благодаря настоящему изобретению достигается такой технический результат, как гашение дуги разряда после прохождения импульса грозового перенапряжения до перехода сопровождающего тока, имеющего промышленную частоту, через ноль. Это происходит вследствие того, что разрядная дуга при нескольких выходах из разрядной камеры разделяется на несколько ветвей и ее общая длина увеличивается. Благодаря этому увеличивается ее сопротивление и ее проще погасить или разорвать.
Краткое описание чертежей
На фиг. 1 показан разрез разрядной камеры разрядника в соответствии с настоящим изобретением.
Осуществление изобретения
Далее настоящее изобретение будет описано со ссылкой на сопровождающие чертежи и частные варианты осуществления. Такое описание дается с целью пояснения изобретения на частных примерах и не предназначено для ограничения объема охраны настоящего изобретения, определяемого формулой изобретения. В то же время при необходимости в формуле изобретения могут быть приведены признаки из описания с целью более точного определения объема охраны.
На фиг. 1 показан пример разрядника для грозозащиты элементов электрооборудования или линии электропередачи в продольном частичном разрезе в области разрядной камеры. Разрядник содержит изоляционное тело 1, выполненное из диэлектрика, и продольно расположенные электроды 2, механически связанные с изоляционным телом. Необходимо учитывать, что в соответствии с настоящим изобретением минимальное количество электродов равно пяти, а разрядных промежутков между ними (и, соответственно, разрядных камер) может быть как минимум четыре.
Электроды расположены с обеспечением возможности формирования, под воздействием грозового перенапряжения, электрического разряда 5 между соседними электродами. Для этого электроды формируют разрядные промежутки между собой, которые имеют такой размер и форму, что могут пробиваться электрическими разрядами при приложении к электродам грозового перенапряжения (например, вследствие удара молнии), однако при отсутствии грозового перенапряжения электрические разряды между электродами сформироваться не могут - это необходимо для того, чтобы напряжение на токонесущих элементах линии электропередачи или других электроустановках, не замыкалось на землю.
В разряднике согласно настоящему изобретению электроды 2 расположены внутри изоляционного тела 1 и отделены от его поверхности слоем изоляции. Соседние электроды 2 выступают в разрядные камеры 3, имеющие выходы 4 на поверхность изоляционного тела. При подаче на один из электродов 2 грозового перенапряжения разрядные промежутки между соседними электродами 2 пробиваются искровыми разрядами 5, которые затем переходят в дуговой разряд, и через разрядник начинает протекать ток, вызванный зарядом, полученным защищаемым элементом электроустановки или линией электропередачи в результате молниевого удара.
По мере протекания тока канал дугового разряда 5 расширяется и за счет ограниченного объема разрядной камеры создает высокое давление газов. Поскольку разрядные камеры открыты в окружающее пространство, газ начинает вытекать из камер и этот поток газа выдувает дуговые разряды из камер наружу, образуя плазменные облака 6. Вследствие этого дуговые каналы удлиняются и растет сопротивление.
В показанном на фиг. 1 варианте реализации изобретения разрядная камера 3, в которую выходит электрод 2, имеет два выхода 4, которые начинаются около разрядного промежутка между электродами 2. Благодаря наличию двух выходов 4 из разрядной камеры 3 разрядная дуга 5 разделяется на две ветви и ее общая длина увеличивается. Вследствие этого увеличивается ее сопротивление и ее проще погасить или разорвать.
На фиг. 1 показан вариант с двумя выходами (каналами) 4, расположенными в плоскости, параллельной линии, соединяющей разрядные камеры 3. В то же время необходимо отметить, что таких выходов может быть более двух и они могут располагаться в плоскости, составляющей с линией, проходящей вдоль разрядных камер, любой угол, однако этот угол предпочтительно находится в диапазоне от 60° до 90°, поскольку при этом будет обеспечиваться то, что разрядные дуги соседних камер на выходах из изоляционного тела не будут пересекаться. Кроме того, на фиг. 1 показано, что оба выхода 4 из разрядных камер 3 начинаются около разрядного промежутка между электродами 2, однако в общем случае выходы из разрядных камер могут разветвляться и не в разрядной камере, а в толще изоляционного тела 1.
Для того чтобы в разрядной камере успело сформироваться давление, необходимое для вынесения разрядной дуги из изоляционного тела и последующего разрыва, необходимо, чтобы произведение длины выхода из разрядной камеры на наибольшую его ширину для каждого выхода было больше произведения наименьшего расстояния между электродами и ширины разрядной камеры в направлении, поперечном линии, соединяющей электроды. Тогда для того, чтобы разрядная дуга смогла выйти из разрядной камеры, потребуется подпор давления, создаваемого разрядной дугой непосредственно в камере. В предпочтительном варианте необходимо, чтобы больше произведения наименьшего расстояния между электродами и ширины разрядной камеры в направлении, поперечном линии, соединяющей электроды, была сумма произведений длины выхода из разрядной камеры на наибольшую его ширину для всех выходов.
Для того чтобы обеспечить не только удлинение дуговых каналов, но и их разрыв, разрядник может быть снабжен напорной камерой, расположенной вдоль электродов и соединенными с разрядными камерами через разрядные промежутки между соседними электродами. Такая напорная камера может быть общей для нескольких разрядных камер. Разрядные камеры в части разрядных промежутков могут быть соединены с общей напорной камерой.
Разрядные камеры могут быть соединены с напорными камерами или с общей напорной камерой через проходы, площадь поперечного сечения которых может быть меньше минимальной площади сечения разрядного промежутка в плоскости, параллельной поперечному сечению проходов. Это позволит регулировать поток газа из разрядной камеры (разрядного промежутка) в напорную камеру независимо от размеров разрядного промежутка и разрядной камеры в целом. Благодаря этому размеры разрядных промежутков и разрядных камер могут подбираться под необходимые условия эксплуатации независимо от условий, выполнение которых необходимо для гашения разряда и реализуется с помощью напорной камеры и проходов соответствующих сечений.
В то же время необходимо отметить, что возможны варианты, когда проходы имеют одинаковые сечения с разрядной камерой или с разрядным промежутком или когда разрядные промежутки выходят непосредственно в напорную камеру. Таким образом, разрядные промежутки разделяют электроды и соединяют разрядные камеры с напорной камерой непосредственно или через проходы.
Во время начала дугового разряда и расширения его канала высокое давление газа распространяется в обе камеры - напорную и разрядную, однако из разрядной камеры газ выходит наружу, а в напорной камере создается напор (повышенное давление) газа. Таким образом, благодаря разделению камер разрядным промежутком в них могут быть обеспечены разные процессы при одном и том же источнике, запускающем эти процессы. Однако разрядный промежуток (и при наличии проход) не только отделяет разрядные камеры от напорных, но и соединяет их.
Как только дуговой разряд перестает формировать высокое давление в этих камерах (например, когда канал дугового разряда выдут наружу из разрядной камеры), напор газа в напорной камере создает дополнительный поток газа из напорной камеры в разрядную через проход, если предусмотрен, и далее через пространство между электродами (т.е. разрядный промежуток, а точнее место формирования разряда) и далее наружу из разрядника. Благодаря такому дополнительному потоку газа, обеспеченному повышенным давлением в напорной камере, сформированным при начале дугового разряда, канал дугового разряда, вынесенный из разрядной камеры, может быть разорван и, тем самым, сопровождающий ток будет прекращен еще до перехода тока промышленной частоты через ноль - в оптимальном варианте сразу после протекания заряда, вызванного молниевым ударом.
Полученное техническое решение эффективно разделяет задачи формирования условий для электрического разряда и обеспечения требуемых для эффективного гашения разрядной дуги параметров потока газа путем подбора соответствующей конфигурации напорной и/или разрядной камер, и/или проходов, если они предусмотрены. Благодаря этому обеспечивается возможность независимого усовершенствования процессов, протекающих в разряднике.
Напорные камеры преимущественно расположены вдоль электродов. Благодаря этому удается не увеличивать или увеличивать несущественно габариты разрядника. В то же время возможны и другие конфигурации и расположения напорных камер при выполнении условия, указанного в формуле изобретения, - напорная и разрядная камеры должны быть разделены между собой и соединяться разрядным промежутком, то есть пространством между электродами.
Пары электродов, образующих разрядные промежутки, могут быть расположены вдоль напорной камеры, т.е. линия, соединяющая электроды по кратчайшему расстоянию между ними в разрядном промежутке параллельна линии, проходящей вдоль напорной камеры (можно также сказать, что разрядный промежуток параллелен напорной камере). Это обеспечивает минимизацию габаритов разрядника.
Однако возможны и другие варианты, когда пары электродов, образующих разрядные промежутки, расположены поперек или под углом к напорной камере, т.е. линия, соединяющая электроды по кратчайшему расстоянию между ними в разрядном промежутке, расположена перпендикулярно или под углом к линии, проходящей вдоль напорной камеры (можно также сказать, что разрядный промежуток расположен поперек или под углом к напорной камере). Это обеспечивает более высокое количество разрядных промежутков на длину разрядника.
Напорная камера может иметь постоянное по длине поперечное сечение. Такое выполнение напорной камеры обеспечивает простоту ее выполнения. Однако могут быть предусмотрены и другие варианты исполнения напорной камеры. Например, напорная камера может иметь переменное в продольном направлении поперечное сечение (т.е. сечение, изменяющееся по длине напорной камеры) и может быть снабжена, например, перегородками (преимущественно частично перекрывающими поперечное сечение напорной камеры).
Полученное техническое решение эффективно разделяет задачи формирования условий для электрического разряда и обеспечения таких конфигураций совокупности разрядных камер (совместно с общей напорной камерой), которые позволяют регулировать параметры потока газа. Благодаря этому обеспечивается возможность независимого усовершенствования составляющих частей разрядных камер и получения разрядника с улучшенными эксплуатационными характеристиками. К достоинствам предложенного решения также относится простота конструкции, обеспечивающая малозатратную подготовку производства.
Дополнительным преимуществом общей напорной камеры является то, что при соответствующем учете последовательное формирование разрядов в разрядных камерах может быть использовано для создания предварительного или запаздывающего давления в разрядных камерах, что может способствовать гашению протекающих в них разрядов. Переменное в продольном направлении поперечное сечение напорной камеры также может быть использовано для регулирования потока газа с целью обеспечения оптимальных условий гашения дуги.
Напорная камера в основном варианте отделена от окружающей среды в изоляционном теле под электродами и соединяется с ней только через разрядные камеры. Однако в некоторых вариантах напорная камера может соединяться с окружающей средой и непосредственно через торцевые или боковые отверстия, то есть минуя разрядные камеры. В таких случаях величина отверстий должна регулироваться так, чтобы основная функция камеры - создавать напор воздуха/газа, продолжала выполняться, например, за счет динамических характеристик взаимодействия воздуха/газа со стенками, перегородками и отверстиями напорной камеры = переменное поперечное сечение напорной камеры вдоль ее длины может обеспечить дополнительные преимущества.
Описанные конфигурации разрядника могут применяться как по отдельности, так и в составе других устройств и элементов электроустановок или линий электропередачи. Например, разрядник в соответствии с настоящим изобретением может использоваться в составе изолятора-разрядника, будучи размещенным, например, на изоляционном теле изолятора.
Изолятор-разрядник содержит изоляционное тело и арматуру в виде установленных на его концах первого и второго элементов арматуры, причем первый элемент арматуры выполнен с возможностью соединения, непосредственно или посредством крепежного устройства, с высоковольтным проводом или со вторым элементом арматуры предшествующего высоковольтного изолятора указанных колонки или гирлянды, а второй элемент арматуры выполнен с возможностью соединения с опорой или с первым элементом арматуры последующего высоковольтного изолятора указанных колонки или гирлянды.
Такой изолятор-разрядник содержит разрядник по любому из вышеописанных вариантов, установленный с возможностью формирования, под воздействием грозового перенапряжения, электрического разряда между первым элементом арматуры и, по меньшей мере, одним смежным с ним электродом, а также вторым элементом арматуры и, по меньшей мере, одним смежным с ним электродом. При этом предполагается, что разрядник установлен с обеспечением возможности развития разрядов в самом разряднике в разрядных камерах между соседними электродами между формированием электрического разряда между первым элементом арматуры и, по меньшей мере, одним смежным с ним электродом, а также вторым элементом арматуры и, по меньшей мере, одним смежным с ним электродом.
Разрядник также может устанавливаться вокруг (т.е. с огибанием) различных элементов электроустановок или линий электропередач, образуя тем самым экран для защиты от коронного разряда (corona ring, corona shield) - для этого огибающий разрядник может быть снабжен элементами крепления на огибаемом элементе электроустановки или линии электропередачи. Получаемый таким образом экран-разрядник содержит изоляционное тело, выполненное с возможностью механического закрепления на элементе электрооборудования или линии электропередачи с обеспечением, по меньшей мере, частичного огибания указанного или соседнего с ним элемента электрооборудования или линии электропередачи. Экран-разрядник также содержит разрядник по любому из вышеописанных вариантов, установленный на расстоянии от огибаемого элемента электрооборудования или линии электропередачи. Преимущественно разрядник отделен от огибаемого элемента электрооборудования или линии электропередачи воздушным зазором вдоль разрядника, через который могут проходить элементы крепления изоляционного тела.
В составе линий электропередач разрядник в соответствии с настоящим изобретением может использоваться как сам по себе, так и в составе вышеуказанных защитных элементов - изолятора-разрядника и/или экрана для защиты от коронного разряда. Линии электропередачи обычно содержат опоры, одиночные изоляторы и/или изоляторы, собранные в колонки или гирлянды, и, по меньшей мере, один находящийся под высоким электрическим напряжением провод, связанный непосредственно или посредством крепежных устройств с элементами арматуры одиночных изоляторов и/или первых изоляторов колонок или гирлянд изоляторов, причем каждый одиночный изолятор или каждая колонка или гирлянда изоляторов закреплен(закреплена) на одной из опор посредством элемента своей арматуры, смежного с указанной опорой. В соответствии с изобретением линия электропередачи содержит, по меньшей мере, один разрядник по любому из вышеописанных вариантов, и/или, по меньшей мере, один экран-разрядник по вышеописанному варианту, и/или, по меньшей мере, один из изоляторов представляет собой изолятор-разрядник по вышеописанному варианту.
Применение для защиты высоковольтной линии электропередачи или других видов электроустановок от грозовых перенапряжений разрядника в соответствии с настоящим изобретением самого по себе или в составе изоляторов-разрядников, или экранов позволяет повысить надежность работы линии электропередачи, увеличить длительность срока службы электрооборудования и снизить затраты на их эксплуатацию.