РАЗРЯДНИК С НАПОРНЫМИ КАМЕРАМИ
ARRESTER WITH PRESSURE 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, имеющих 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
к
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, (примерного) 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 S<D⋅g, 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 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 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 мультиэлектродном 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, содержащего 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, часть разрядных камер снабжена напорными камерами, расположенными около электродов и соединенными с разрядными камерами через разрядные промежутки между соседними электродами.
В преимущественном варианте осуществления напорные камеры расположены вдоль электродов. Напорные камеры могут быть ограничены с помощью металлических элементов, например, из листового металла, по меньшей мере, частично охватывающих электроды.
Металлические элементы могут, по меньшей мере, частично охватывать по два электрода, выступающих в соседние разрядные камеры. Напорные камеры могут быть объединенными для одной или нескольких разрядных камер или отдельными для разрядных камер. Отделение напорных камер друг от друга может осуществляться путем пережатия металлических элементов (например, из листового металла) в частях, ограничивающих напорные камеры.
В частном варианте металлические элементы могут представлять собой трубки, охватывающие электроды и ограничивающие напорные камеры рядом с электродами в поперечном («диаметральном») направлении трубки. Напорные камеры могут быть ограничены в продольном направлении с помощью пережатия трубок в поперечном направлении.
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 гашения дуги разряда после прохождения импульса грозового перенапряжения до перехода сопровождающего тока, имеющего промышленную частоту, через ноль. Это происходит вследствие того, что высокое давление газов, формируемое при расширении канала искрового разряда, позволяет, с одной стороны, сжать воздух, находящийся в напорных камерах, а с другой стороны, создать поток газа, выдувающего искровые разряды из камер наружу. После того как поток газа, создаваемый за счет расширения канала искрового разряда, и вынесет искровой канал наружу камеры и удлинит его, поток газа из напорной камеры обеспечит разрыв указанного искрового разряда, то есть гашение дуги. Таким образом снижается длительность сопровождающего тока в мультиэлектродном разряднике вплоть до нуля в зависимости от параметров грозового перенапряжения и размеров разрядных камер, т.е. через разрядник может протекать только ток импульса грозового перенапряжения.
Краткое описание чертежей
На фиг. 1 представлен вид разрядника в соответствии с изобретением в разрезе.
На фиг. 2 представлен вид напорной камеры в соответствии с первым частным вариантом изобретения в разрезе.
На фиг. 3 представлен вид напорной камеры в соответствии с первым частным вариантом изобретения сбоку.
На фиг. 4 представлен вид напорной камеры в соответствии со вторым частным вариантом изобретения в разрезе.
На фиг. 5 представлен вид напорной камеры в соответствии со вторым частным вариантом изобретения сбоку.
На фиг. 6 показан вид разрядника в соответствии со вторым частным вариантом изобретения в разрезе.
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 разрезе. Разрядник содержит изоляционное тело 1, выполненное из диэлектрика, и шесть электродов 2, механически связанных с изоляционным телом. В то же время 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 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 на поверхность изоляционного тела. При подаче на один из электродов 2 грозового перенапряжения разрядные промежутки между соседними электродами 2 пробиваются искровыми разрядами 5 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, газ начинает вытекать из камер и этот поток газа выдувает искровые разряды из камер наружу. Вследствие этого искровые каналы удлиняются и растет сопротивление.
Для того чтобы обеспечить не только удлинение искровых каналов, но и их разрыв, разрядные камеры 3 снабжены напорными камерами 4, расположенными около электродов 2 и соединенными с разрядными камерами 3 через разрядные промежутки между соседними электродами 2.
Разрядные промежутки между электродами (пространство между ними) разделяют электроды и соединяют разрядные камеры с напорными камерами. Во время начала искрового 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.
Как только искровой разряд перестает формировать высокое давление в этих камерах (например, когда канал искрового разряда выдут наружу из разрядной камеры), напор газа в напорной камере создает дополнительный поток газа из напорной камеры в разрядную 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 искрового разряда, канал искрового 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. Благодаря этому обеспечивается возможность независимого усовершенствования процессов, протекающих в разряднике.
В показанных на фигурах вариантах осуществления напорные камеры 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.
В варианте расположения, показанном на фигурах, такому расположению может соответствовать нахождение разрядной камеры с выходом наружу над линией, задаваемой электродами (например, их средней или другой линией), или горизонтальной плоскостью, проходящей через такую линию, а напорная камера может находиться под электродами (например, их средней или другой линией) или горизонтальной плоскостью, проходящей через такую линию. Однако положение разрядника не ограничивается показанным на фигурах и может быть другим, получаемым из показанного поворотами, наклонами и/или изгибами в необходимые для этого стороны или относительно требуемых осей поворота, наклона и/или изгиба.
На фиг. 2 показан другой вариант выполнения разрядника. Напорные камеры 9 могут быть ограничены с помощью металлических элементов 6, по меньшей мере, частично охватывающих электроды 8. Указанные металлические элементы могут быть выполнены из листового металла или из объемных металлических кусков путем их резания, сверления, фрезерования и других известных из уровня техники операций. Кроме того, металлические элементы могут быть выполнены и путем литья или экструзии.
Наличие подобных металлических ограничителей (формирователей) 6 напорных камер 9 снижает необходимость обеспечения прочностных характеристик изоляционного тела в месте нахождения напорных камер, благодаря чему изоляционное тело может изготавливаться не только из твердых, жестких и/или прочных диэлектриков, но и из достаточно мягких, например, с использованием силиконовой резины, в том числе достаточно гибкой и мягкой.
Необходимость такого усиления может диктоваться тем, что, в отличие от разрядных камер 3, где газы под действием высокого давления выходят наружу и давление снижается (т.е. ограничено по величине), в напорных камерах давление газа (в т.ч. воздуха) может возрастать до весьма высоких величин, так как газ может выходить только через разрядных промежуток в разрядную камеру, а во время начала и нарастания разряда газ из разрядного промежутка только поступает в напорную камеру, препятствуя его выходу. В связи с этим наличие металлических элементов 6 препятствует деформации изоляционного тела и механически усиливает конструкцию разрядника.
Кроме того, использование таких металлических элементов упрощает изготовление разрядника, поскольку нет необходимости извлекать закладные элементы из изоляционного тела, предназначенные для формирования полостей напорных камер при формировании изоляционного тела из полимеров путем заполнения соответствующих форм. Указанные металлические элементы одновременно ограничивают напорные камеры и представляют собой закладные элементы, которые не требуется извлекать.
Металлические элементы 6 могут, по меньшей мере, частично охватывать по два электрода, выступающих в соседние разрядные камеры, то есть служить и для электрического и механического соединения таких электродов. В том случае, если в соседние разрядные камеры выходит один и тот же электрод, металлический элемент может крепиться на нем или располагаться рядом с ним с целью обеспечения технологичности изготовления разрядника.
В частном варианте осуществления изобретения металлические элементы могут представлять собой трубки, охватывающие электроды и ограничивающие напорные камеры рядом с электродами в поперечном направлении трубки (другими словами, в диаметральной или поперечной продольной оси трубки плоскости). Такое техническое решение позволяет решить задачу формирования напорных камер, ограниченных металлическими элементами, достаточно простым образом. Напорные камеры могут быть ограничены в продольном направлении с помощью заглушек 7, как это показано на фиг. 2, пережатия трубок в поперечном направлении, например в средней части 11 трубок 10 на фиг. 4 или на той части (продольной и/или поперечной) трубки, которая не охватывает электрод. Кроме того, такой результат может быть достигнут также путем соединения трубок с перекрывающим элементом, например, сваркой, пайкой, клеем или другими способами.
Для этого каждый из электродов разрядной камеры в виде стержней фиксируется с помощью своей металлической трубки, имеющей внутренний диаметр больше, чем диаметр (поперечный размер) электрода, путем обжатия трубки при введенном в нее электроде. Одновременно с этим, за счет превышения внутренним диаметром трубки диаметра электрода, рядом с электродом, преимущественно вдоль него, формируется напорная камера.
В зависимости от величины превышения внутренним диаметром трубки диаметра электрода сечение образованной напорной камеры может иметь различную форму. В частном варианте сечение трубки в месте крепления электрода может иметь форму, близкую к восьмерке (8), то есть диаметр обжимающей части трубки и напорной камеры могут быть близки или совпадать. Пример такого обжатия электрода 8 с образованием сечения трубки 6 или 10 с формой, близкой к восьмерке, можно увидеть на фиг. 3 и 5, соответственно.
Полученная таким образом напорная камера может быть заглушена на необходимом расстоянии от конца трубки или иметь выход в какой-либо объем, свободное пространство или соседнюю разрядную камеру (в последнем случае электроды соседних разрядных камер могут быть закреплены одной и той же трубкой). Кроме того, если электрод по длине трубки короче, чем напорная камера, последняя может иметь более широкое сечение в том месте, где электрод отсутствует (если используются достаточно короткие электроды, между которыми в разряднике может быть некоторое расстояние).
На фиг. 1 и 6 показаны отдельные напорные камеры 4 и 9, соответственно. На фиг. 1 напорные камеры 4 отделены между собой участками диэлектрика (точнее при выполнении напорных камер 4 участки изоляционного тела 1 между ними были оставлены на месте).
На фиг. 6 напорные камеры 9 реализованы с помощью трубок 10, размещенных в изоляционном теле 12, и отделены друг от друга (имеются в виду напорные камеры, имеющие выходы в соседние разрядные камеры) путем выполнения металлических элементов в средней части 11 не пропускающими газ. Например, при выполнении металлических элементов из листового металла это может быть сделано путем их пережатия в частях 11, ограничивающих напорные камеры 9 в продольном направлении. При срабатывании разрядника, показанного на фиг. 6, между соседними электродами 8 проходят разряды 13, которые за счет давления газа выносятся наружу из разрядных камер, а за счет напора газа из напорных камер 9 разряды 13 гасятся (разрываются).
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.