РАЗРЯДНИК МУЛЬТИКАМЕРНЫЙ С ВЫСТУПАЮЩИМИ ЭЛЕКТРОДАМИ
MULTI-CHAMBER ARRESTER WITH PROTRUDING ELECTRODES

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.
В качестве решения проблемы образования силовой дуги при грозовом перенапряжении в международной заявке WO2010082861 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.
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 искровых 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 недостаточная механическая прочность при больших импульсах тока, протекающих через разрядные камеры, при прямых ударах молнии в ЛЭП. Зачастую разрывы разрядника происходят по поверхности соединения двух половин, полученных при его изготовлении в две стадии. Кроме того, вследствие относительно небольших размеров электродов, находящихся внутри изоляционного тела, происходит их обгорание при срабатывании разрядника, и потеря адгезии резины к электродам, что также приводит к разрывам разрядника.
Раскрытие изобретения
Задачей настоящего изобретения является усиление прочности и надёжности разрядника путём применения электродов, выступающих из изоляции и дающих возможность изготовления разрядника в одну стадию.
Задача настоящего изобретения решается с помощью разрядника грозозащиты элементов электрооборудования или линии электропередачи, содержащего изоляционное тело, выполненное с использованием диэлектрика, и четыре или более электродов, механически связанных с изоляционным телом. Электроды расположены с обеспечением возможности формирования, под воздействием перенапряжения, например, грозового, электрического разряда между соседними электродами.
В разряднике согласно настоящему изобретению основная, центральная часть электродов расположена внутри изоляционного тела, а концевые части выступают из него. Таким образом обеспечивается частичное выступание электродов наружу из изоляционного тела. Внутри изоляционного тела электроды выходят в разрядные камеры, имеющие выходы (например, посредством выходных каналов) на поверхность изоляционного тела. Отличительным признаком настоящего изобретения является то, что, по меньшей мере, часть разрядных камер снабжена электродами, частично выступающими из изоляционного тела, например, концевыми частями.
В преимущественном варианте осуществления электроды могут быть выполнены в виде металлических шайб, в которые запрессованы металлические шарики. Края шайб могут выступать наружу из изоляции. При изготовлении разрядника они закрепляются в пресс-форме, и это позволяет изготавливать разрядник в одну стадию. Это существенно улучшает качество, в том числе прочность изделия, и сокращает время на его изготовление.
В частном варианте электроды могут иметь центральную, основную часть (например, шарик, цилиндр или ролик) и концевые части, например цилиндрические или конусные, выступающие из изоляции, которые используются для закрепления в пресс-форме. Электроды также могут быть выполнены в виде металлических шариков, частично выступающих из изоляционного тела наружу. Кроме того, электроды могут быть выполнены в виде металлических пластин, в которые запрессованы части электродов, выполненные из графита. Расстояние между соседними электродами в разрядной камере предпочтительно меньше расстояния между концевыми частями этих же соседних электродов снаружи изоляционного тела. электроды выполнены в виде металлических роликов, запрессованных в металлические пластины.
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 одновременное увеличение прочности, надежности и технологичности разрядника, а также увеличение диапазона токов молнии, которые он может выдержать без повреждения. Прочность разрядника увеличивается благодаря нескольким факторам, в числе которых находится армирование более протяженными электродами изоляционного тела, а также большая масса и теплоёмкость электродов, что способствуют дополнительному отводу тепла от канала разряда, гашению дуги и уменьшению тепловой нагрузки на изоляцию разрядника. Надежность и технологичность обеспечивается выступающими наружу изоляционного тела частями электродов, что позволяет изготавливать изоляционное тело в одну стадию благодаря возможности крепления электродов в форме, что также повышает прочность изоляционного тела ввиду отсутствия в нем швов и соединений. Кроме того, выступающие электроды повышают надежность разрядника, поскольку при чрезмерном повышении разрядного перенапряжения разряд может начаться на внешних частях электродов, предохраняя разрядные камеры в изоляционном теле от выгорания.
Краткое описание чертежей
На фиг. 1 показан общий вид разрядника в соответствии с изобретением в форме ленточки и электродами типа ролик с выступами.
На фиг. 2 показан вертикальный продольный разрез разрядника в соответствии с изобретением в форме ленточки и электродами типа ролик с выступами.
На фиг. 3 показан горизонтальный продольный разрез разрядника в соответствии с изобретением в форме ленточки и электродами типа ролик с выступами.
На фиг. 4 показан общий вид разрядника в соответствии с изобретением в форме диска и электродами типа пластина с шариком.
На фиг. 5 показан общий вид электрода типа пластина с шариком, используемый в разряднике, показанном на фиг. 4.
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. 1-3 показан пример разрядника в виде продолговатого тела (в дальнейшем – ленточки) для грозозащиты элементов электрооборудования или линии электропередачи. Разрядник содержит изоляционное тело 1, выполненное из диэлектрика, например, силиконовой резины, два подводящих электрода 2 и множество (в данном случае, шестнадцать) промежуточных электродов, выполненных в виде роликов (цилиндров) 5 с выступами 3 в виде утончённых концов. Все электроды механически связаны с изоляционным телом.
Необходимо учитывать, что в соответствии с настоящим изобретением минимальное количество электродов, в которые могут входить как промежуточные электроды, так и подводящие электроды (при условии, что подводящие электроды соединены с промежуточными через разрядные зазоры, как это показано на фиг. 2) равно четырем, а разрядных промежутков между ними (и, соответственно, разрядных камер) может быть как минимум три. Электроды могут иметь различную форму, в том числе, пластинчатую или шарообразную с выступами, или в виде плоских или шариковых электродов, выступающих из изоляционного тела.
Электроды расположены с обеспечением возможности формирования, под воздействием перенапряжения, в том числе грозового или имеющего другую природу, электрического разряда между центральными частями соседних электродов, расположенными внутри изоляционного тела и выходящими (в некоторых вариантах выступающими) в миниатюрные разрядные камеры внутри изоляционного тела 1 между электродами. Разрядные промежутки между электродами в камерах 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 штатное напряжение на токонесущих элементах линии электропередачи или других электроустановках, не замыкалось на землю.
Изоляционные промежутки между выступающими из изоляционного тела наружу концевыми частями (выступами) 3 электродов, то есть расстояния между ними, преимущественно больше, чем промежутки между центральными частями (цилиндрами) 5 электродов внутри разрядных камер, соединенных с выходами 4 наружу из изоляционного тела 1 посредством выходных каналов 6. Поэтому разрядные промежутки между концами электродов не пробиваются, а разряды происходят внутри разрядных камер между внутренними частями 5 электродов.
При приложении перенапряжения, то есть напряжения такой величины, которое выше напряжения пробоя разрядника, к подводящим электродам 2, происходит искровой пробой между подводящим электродом 2 и ближайшим к нему электродом (его средней частью 5), далее промежутки между соседними промежуточными электродами (их средними частями 5) последовательно пробиваются искровыми разрядами, затем пробивается искровой промежуток между крайним электродом и вторым подводящим электродом, и через разрядник начинает протекать ток, вызванный зарядом, полученным защищаемым элементом электроустановки или линией электропередачи в результате молниевого удара.
По мере протекания тока канал искрового разряда расширяется и за счет ограниченного объема разрядной камеры создает высокое давление газов. Поскольку разрядные камеры открыты в окружающее пространство посредством выходов 6, газ начинает вытекать из камер и этот поток газа выдувает искровые разряды из камер наружу. Вследствие этого искровые каналы удлиняются, и растет сопротивление, что приводит к уменьшению тока и погасанию дуги.
Площади продольных сечений выходных каналов 6 из разрядных камер (то есть величины, соответствующие перемноженным длине выхода на его ширину, эти сечения показаны на фиг. 2) преимущественно должны быть больше площадей разрядных промежутков (то есть величин, соответствующих перемноженным длинам разрядных промежутков на их ширины). Площади разрядных промежутков можно увидеть на фиг. 3, где позицией 7 обозначены донышки разрядных камер. Это обуславливает формирование дополнительно повышенного давления в разрядных камерах, которое способствует выбросу продуктов разряда из разрядных камер наружу изоляционного тела.
Давление внутри разрядных камер весьма высокое, и оно может привести к разрыву камер, особенно в тех случаях, когда напряжение, поступившее на разрядник, значительно превышает напряжение срабатывания разрядника. Настоящая конструкция значительно снижает риск разрыва камер, то есть повышает прочность и надежность разрядника, за счет того, что изоляционное тело у предложенной конструкции разрядника имеет повышенную прочность, а также за счет срабатывания разрядника в несколько стадий.
При изготовлении разрядника из уровня техники с электродами, находящимися полностью внутри изоляционного тела, прессование производится в две стадии. На первой стадии электроды укладываются в нижнюю плиту пресс-формы в специальные ложементы, форма закрывается, и отливается верхняя половина разрядника. Затем изготовленная верхняя половина разрядника перекладывается в другую форму и отливается нижняя половина разрядника. Таким образом разрядник состоит из двух сваренных между собой половинок. Шов, соединяющий эти половинки, является слабым местом, и по нему зачастую происходит разрыв.
При изготовлении разрядника с электродами, имеющими выступающие из изоляционного тела концевые части, изготовление разрядника происходит в одну стадию. Электроды своими концами фиксируются в пресс-форме в специальных ложементах, форма закрывается, и разрядник отливается целиком.
Расстояние между соседними электродами в разрядной камере меньше расстояния между концевыми частями этих же соседних электродов снаружи изоляционного тела. При перенапряжении сначала происходит искровой пробой разрядных промежутков между электродами в разрядных камерах. Далее, если перенапряжение продолжает расти, происходит искровой пробой между концами электродов, расположенных снаружи, и ток разряда распределяется между разрядами снаружи и внутри изоляционного тела. Наличие концов электродов, выходящих наружу изоляционного тела, защищает разрядные камеры от выгорания и разрыва из-за чрезмерно сильного тока разряда, вызванного перенапряжением слишком большой величины, что также повышает надежность разрядника.
Наружу изоляционного тела могут выходить по одному концу (выступу) электродов, по два конца, три, четыре, пять или более. Между ними также могут быть разные расстояния, которые будут обеспечивать развитие разрядных друг между концами соседних электродов при разных уровнях напряжения, что дополнительно снижает воздействие перенапряжения на разрядник и, тем самым, повышает его надежность. Однако между разными парами концов соседних электродов могут быть предусмотрены и одинаковые расстояния, и в этом случае надежность разрядника также повышается, поскольку по-прежнему обеспечивается распределение тока разряда, вызванного перенапряжением, по разным участкам разрядника. Этот же относится и к случаю, когда между соседними электродами одинаковое расстояние как внутри разрядных камер, так и снаружи изоляционного тела.
Полученное техническое решение существенно улучшает прочность и надежность разрядника и значительно сокращает время и трудоёмкость его изготовления, то есть повышает технологичность разрядника. Кроме того, за счет увеличения объема электродов, которое происходит вследствие большей протяженности электродов, увеличивается теплоёмкость электродов, что способствуют повышению надежности разрядника благодаря дополнительному отводу тепла от канала разряда, гашению дуги и уменьшению тепловой нагрузки на изоляцию разрядника.
На фиг. 4 показан пример разрядника в виде диска. Электроды выполнены в виде металлических пластин 14, в которые запрессованы металлические шарики 16, как это показано на фиг. 5. Эти диски также изготавливаются в одну стадию и имеют те же положительные свойства, что и разрядник в виде ленточки по фиг.1-3. Однако, электроды в виде пластин с шариками дают дополнительное увеличение механической прочности диска за счёт армирования изоляционного тела 11 (в частном случае выполненного с использованием силиконовой резины) металлическими пластинами 14, выступающими из изоляционного тела 11.
Помимо варианта, показанного на фиг. 5, электроды могут быть выполнены в виде круглых шайб, в которые запрессовываются шарики, или пластин, в которые запрессованы металлические ролики (цилиндры). Применение прямоугольных пластин позволяет устанавливать в них ролики, которые обладают большей массой чем шарики, что увеличивает теплоёмкость электродов. Это приводит к снижению температуры канала дуги и к уменьшению тепловой нагрузки на изоляционное тело.
При выполнении изоляционного тела в виде диска, как это показано на фиг. 4, выходы 15 из разрядных камер расположены на цилиндрической (боковой) поверхности изоляционного тела, что обеспечивает ориентацию выхлопов разрядных камер в радиальных направлениях и снижает вероятность слияния разрядных дуг в единую дугу, что дополнительно повышает надежность разрядника. На верхней и нижней плоских сторонах дисков установлены подводящие электроды 13, покрытые оболочкой 12 (например, из той же силиконовой резины). Электроды 13 необходимы для подачи в разрядник перенапряжения, для защиты от которого предназначен разрядник, и между частями подводящих электродов 13, расположенных внутри изоляционного тела 11, и внутренними частями промежуточных электродов, у которых наружу выступают части пластин 14, предусмотрены разрядные камеры с выходами 15 наружу изоляционного тела 11. В то же время подводящие электроды могут быть электрически (прямо, непосредственно) соединены с промежуточными электродами. Промежуточные и подводящие электроды преимущественно выполнены металлическими, например, стальными. Принцип действия разрядника на фиг. 4 аналогичен разряднику на фиг. 1-3.
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 на расстоянии от них (то есть между разрядником и элементом электроустановки или линии электропередачи формируется пустое (заполненное воздухом) пространство), 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.
Все указанные в описании технические результаты, в том числе дополнительные, достигаются с помощью разрядника в соответствии с настоящим изобретением одновременно и неразрывно друг от друга. Представленные на сопровождающих фигурах варианты осуществления, а также детально описанные дополнительные варианты осуществления предназначены для упрощения понимания сущности изобретения и не должны толковаться как ограничивающие объем охраны изобретения, определяемый последующей формулой изобретения. Описанные варианты могут объединяться и комбинироваться в любых сочетаниях, обеспечивающих реализацию принципа действия и достижение заявленных технических результатов. В результате комбинации отдельных вариантов могут достигаться дополнительные технические результаты.