ШЛЕЙФОВЫЙ МУЛЬТИКАМЕРНЫЙ РАЗРЯДНИК

Область техники, к которой относится полезная модель
Настоящая полезная модель относится к области электротехники, в частности, к устройствам для защиты электрооборудования и несущих конструкций от грозовых перенапряжений. Полезная модель может быть использована для защиты, например, высоковольтных установок, изоляторов и других элементов высоковольтных линий электропередач, электрооборудования и других сооружений и устройств, для которых необходима грозозащита.
Уровень техники
Из патента RU 2096882 известен длинноискровой разрядник, предназначенный для грозозащиты элементов электрооборудования или линии электропередачи. Разрядник содержит изоляционное тело, выполненное из диэлектрика, продольный электрод, размещенный внутри изоляционного тела, и основной электрод, механически связанный с изоляционным телом. Продольный электрод электрически соединяется с одним из элементов электрооборудования, а основной электрод с другим элементом электрооборудования. Одним из элементов электрооборудования может быть провод высоковольтной линии электропередачи, а другим элементом может быть, например, опора этой линии электропередачи (или наоборот). Между указанными элементами электрооборудования нет электрического соединения и, кроме того, обычно наблюдается разность потенциалов. В преимущественном варианте основной электрод соединяется с соответствующим элементом электрооборудования (например, опорой) посредством искрового промежутка.
При воздействии перенапряжения на провод высоковольтной линии продольный электрод, подключенный к проводу, получает высокий потенциал. Вследствие сильной емкостной связи между продольным электродом и основным электродом последний также приобретает высокий потенциал. Опора линии электропередачи имеет нулевой потенциал, т.к. опора заземлена. Между основным электродом и опорой возникает разность потенциалов (высокое напряжение), под действием которой искровой воздушный промежуток пробивается, так что основной электрод приобретает нулевой потенциал (потенциал земли). После этого все перенапряжение оказывается приложенным между продольным электродом и основным электродом. Под действием этого перенапряжения по поверхности изоляционного тела в одну или в обе стороны, в зависимости от величины перенапряжения, развиваются каналы скользящего разряда.
Длина искрового перекрытия разрядника, по которому развивается скользящий разряд (т.е. поверхность изоляционного тела), в соответствии с RU 2096882, имеет большую величину, чем длина искрового перекрытия защищаемого электрооборудования, т.е. расстояния между элементами электрооборудования, с которыми соединяется (электрически прямо или через искровой промежуток) разрядник.
Представленный в патенте RU 2096882 разрядник представляет собой конструкцию, применение которой ограничено линиями электропередачи на 6-10 кВ. При больших напряжениях линий электропередачи длина искрового перекрытия разрядника становится чрезмерно большой, в связи с чем увеличивается как длина, так и масса разрядника. Например, для линий электропередачи на 110 кВ длина шлейфового разрядника должна быть более 15 м, что значительно усложняет изготовление, транспортировку и монтаж таких разрядников, а также накладывает серьезные требования к материалам, из которых изготавливается разрядник, а также к конструкции элементов крепления.
Раскрытие полезной модели
Задачей настоящей полезной модели является обеспечение возможности использования шлейфового разрядника на линиях электропередачи с высокими напряжениями, в частности, 110 кВ и выше.
Указанная задача решается с помощью шлейфового разрядника, предназначенного для грозозащиты линии электропередачи и прикрепляемого к проводу линии электропередачи. Разрядник содержит продолговатое изоляционное тело, выполненное из диэлектрика, основной электрод, механически соединенный с изоляционным телом в средней части изоляционного тела, и узлы крепления, расположенные на концах разрядника для прикрепления разрядника к проводу линии электропередачи.
Шлейфовый разрядник также содержит промежуточные электроды, механически соединенные с изоляционным телом между основным электродом и одним или обоими концами изоляционного тела вдоль изоляционного тела. Промежуточные электроды, по меньшей мере, частично покрыты слоем диэлектрика и выходят в разрядные камеры, расположенные в диэлектрике, с образованием в них разрядных промежутков между промежуточными электродами. Разрядные камеры имеют выходные каналы, соединяющие разрядные камеры с наружной поверхностью изоляционного тела, то есть выходы на поверхность диэлектрика.
Для обеспечения эффективных разрядов, при которых продукты разряда выбрасываются из разрядных камер, площади продольных сечений выходных каналов из разрядных камер (то есть величины, соответствующие перемноженным длине выхода на его ширину) должны быть больше площадей разрядных промежутков (то есть величин, соответствующих перемноженным длинам разрядных промежутков на их ширины). При таких условиях в разрядных камерах при разрядах будет формироваться повышенное давление, которое будет выбрасывать продукты разрядов из разрядных камер.
Узлы крепления преимущественно выполнены с использованием стальных элементов. В предпочтительном варианте выполнения разрядник содержит два концевых электрода, размещенных на концах изоляционного тела, причем промежуточные электроды размещены между основным электродом и одним или обоими концевыми электродами. Узлы крепления могут быть размещены на концевых электродах. Концевые электроды могут быть выполнены в виде металлических, например, дюралевых стаканов, внутренний размер которых обеспечивает возможность введения в них концов изоляционного тела. Между концевыми электродами и изоляционным телом преимущественно размещены прокладки. Основной электрод может быть выполнен в виде трубки.
В предпочтительном варианте осуществления полезной модели разрядник содержит продольный электрод, размещенный внутри изоляционного тела. Если разрядник содержит концевые электроды, то продольный электрод может быть как электрически соединен с ними, так и не иметь с ними электрического соединения. На концах продольного электрода могут быть установлены металлические шайбы, которые охвачены концевыми электродами, если в конструкции разрядника имеются концевые электроды. Продольный электрод может быть выполнен с использованием стали. В другом варианте выполнения продольный электрод может быть выполнен в виде троса, выступающего из изоляционного тела и прикрепляемого с помощью узлов крепления к проводу линии электропередачи.
max
пр
max
пр
i
maXi
пр
i
maxi
Толщина слоя изоляционного тела, отделяющего продольный электрод от основного электрода, преимущественно имеет величину D>U/Е, где D - толщина слоя изоляционного тела между продольным и основным электродами, U - максимальное эксплуатационное напряжение разрядника, а Е - электрическая прочность изоляционного материала, из которого выполнено изоляционное тело, а толщина слоя изоляционного тела, отделяющая продольный электрод от промежуточных электродов, преимущественно имеет величину D>U/Е, где D - толщина слоя изоляционного тела между продольным электродом и i-м промежуточным электродом, U - максимальное эксплуатационное напряжение между i-м промежуточным электродом и продольным электродом.
p
пр
p
пр
i
pi
пр
i
pi
В предпочтительном варианте реализации изобретения толщина слоя изоляционного тела, отделяющего продольный электрод от основного электрода, имеет величину D>U/Е, где D - толщина слоя изоляционного тела между продольным и основным электродами, U - разрядное напряжение между основным электродом и продольным электродом, а Е - электрическая прочность изоляционного материала, из которого выполнено изоляционное тело, а толщина слоя изоляционного тела, отделяющая продольный электрод от промежуточных электродов имеет величину D>U/Е, где D - толщина слоя изоляционного тела между продольным электродом и i-м промежуточным электродом, U - разрядное напряжение между i-м промежуточным электродом и продольным электродом.
Технический результат полезной модели заключается в обеспечении возможности использования шлейфовых разрядников для защиты линий электропередачи с высокими рабочими напряжениями (110 кВ и выше). Достигается указанный технический результат за счет снабжения шлейфового разрядника множеством разрядных камер, в которых происходит расходование энергии перенапряжения на выброс продуктов разряда из разрядных камер. Кроме того, обеспечена надежная работа разрядника при защите электрооборудования, например, такого как линии электропередачи, при требуемом эксплуатационном напряжении электрооборудования (т.е. номинальном напряжении разрядника). Также обеспечиваются необходимые прочностные характеристики для обеспечения длительной работоспособности разрядника, в том числе в случае нескольких грозовых разрядов.
Краткое описание чертежей
На фиг. 1 показана часть линии электропередачи, снабженной шлейфовым мультикамерным разрядником в соответствии с настоящим изобретением.
На фиг. 2 показана часть шлейфового мультикамерного разрядника в разрезе.
Осуществление полезной модели
Далее подробно описывается шлейфовый мультикамерный разрядник в соответствии с настоящей полезной моделью, предназначенный для грозозащиты электрооборудования, такого как линии электропередачи. Как показано на фиг. 1, шлейфовый мультикамерный разрядник 4 подвешивается к проводу 3 линии электропередачи с помощью крепежных узлов 5, расположенных на концах разрядника 4. Провод 3 подвешивается с помощью изолятора 2 к траверсе 1 (верхней) опоры линии электропередачи. На другой траверсе 1 (нижней) опоры размещен опорный электрод 7, предназначенный для формирования искрового промежутка с основным электродом 6 разрядника 4. Разрядник 4 содержит продолговатое изоляционное тело, выполненное из диэлектрика, основной электрод 6, механически соединенный с изоляционным телом в средней части изоляционного тела, и узлы крепления 5, расположенные на концах разрядника для прикрепления разрядника к проводу 3 линии электропередачи.
Основной электрод расположен преимущественно в средней части изоляционного тела, т.е. не на его концах. Изоляционное тело может быть выполнено как из полимерного диэлектрического материала (например из полиэтилена), так и из других видов материалов. Основной электрод предпочтительно выполнен в виде охватывающей изоляционное тело металлической трубки или закрепленной на изоляционном теле пластины.
Узлы крепления преимущественно выполнены с использованием стальных элементов, например, в виде хомутов и/или пластин, надежно прижимающих элементы разрядника к проводу линии электропередачи. На концах изоляционного тела предпочтительно размещены концевые электроды. Концевые электроды, которые также могут называться оконцевателями, преимущественно выполнены в виде металлических (например, дюралевых) стаканов, внутренний размер которых позволяет вставлять в них концы изоляционного тела. Между концевыми электродами и изоляционным телом могут быть размещены прокладки (например, силиконовые). Оконцеватели могут быть снабжены элементами крепления или крепиться с помощью элементов крепления к проводу. В частности, концевые электроды могут содержать крепления или зацепы для закрепления или зацепления на элементах электрооборудования.
Разрядник, часть которого показана в разрезе на фиг. 2, также содержит промежуточные электроды 13, механически соединенные с изоляционным телом 14 между основным электродом и одним или обоими концами изоляционного тела вдоль изоляционного тела. Промежуточные электроды 13 (по меньшей мере, частично) покрыты слоем диэлектрика 14 и выходят в разрядные камеры, расположенные в диэлектрике 14, с образованием в них разрядных промежутков между промежуточными электродами 13. Разрядные камеры имеют выходные каналы, соединяющие разрядные камеры с наружной поверхностью изоляционного тела, то есть выходы на поверхность диэлектрика.
Для обеспечения эффективных разрядов 9, при которых продукты разряда выбрасываются из разрядных камер, площади продольных сечений выходных каналов из разрядных камер (то есть величины, соответствующие перемноженным длине выхода на его ширину) должны быть больше площадей разрядных промежутков (то есть величин, соответствующих перемноженным длинам разрядных промежутков на их ширины). При таких условиях в разрядных камерах при разрядах будет формироваться повышенное давление, которое будет выбрасывать продукты разрядов из разрядных камер.
В том случае, если разрядник содержит два концевых электрода, размещенных на концах изоляционного тела, промежуточные электроды размещены между основным электродом и одним или обоими концевыми электродами. Промежуточные электроды преимущественно расположены в одной из частей изоляционного тела со стороны одного из концов изоляционного тела, а на другой части изоляционного тела (предпочтительно в средней части) размещен основной электрод. Площадь основного электрода преимущественно больше площади какого-либо промежуточного электрода, что обеспечивает возможность установки грозозащитного устройства около защищаемого электрооборудования с относительно большим допуском, обеспечиваемым тем, что основной электрод имеет относительно большую длину.
При защите электрооборудования, например, линий электропередачи, устройство соединяется с элементом оборудования, например с опорой линии электропередачи, непосредственно или через искровой разрядный промежуток (второй вариант показан на фиг. 1). В связи с этим обеспечить касание опоры или образование с ней искрового промежутка более длинным основным электродом можно значительно проще и в большем диапазоне положений, чем с помощью короткого основного электрода.
Разрядник также может содержать продольный (например, стержневой или в форме проволоки или троса) электрод 11 (см. фиг. 2), размещенный внутри изоляционного тела 14. Продольный электрод преимущественно электрически соединяется с проводом линии электропередачи, а основной электрод с опорой линии электропередачи. Соединение как продольного электрода, так и основного электрода с соответствующими элементами электрооборудования может осуществляться как непосредственно (прямо), так и посредством других электродов, разрядных промежутков и/или емкостной (электромагнитной) связи (для разрядников, применяемых для защиты электрооборудования с переменным током/напряжением).
Продольный электрод может быть отделен от концевых электродов, если они предусмотрены в конструкции, слоем изоляции или искровым промежутком, однако в предпочтительном варианте продольный электрод электрически соединен с концевыми электродами. В частности, на концах продольного электрода могут быть установлены (например, приварены) металлические шайбы или бобышки, которые охватываются концевыми электродами, например, в форме металлических стаканов, выполняющих роль оконцевателей. Помимо охвата концевыми электродами шайб или бобышек, например, путем обжатия, преимущественно частично охватывается и изоляционное тело. При необходимости оконцеватели могут быть выполнены и в другой форме, в которой продольный электрод соединяется непосредственно с оконцевателем.
В предпочтительном варианте выполнения продольный электрод выполнен в виде троса, выступающего из изоляционного тела и прикрепляемого с помощью узлов крепления к проводу линии электропередачи. В этом случае продольный электрод обладает некоторой гибкостью и повышенной прочностью, которые полезны для надежного функционирования шлейфового разрядника. В преимущественном варианте выполнения продольный электрод выполнен с использованием стали.
Толщина слоя изоляционного тела, отделяющего продольный электрод от основного электрода, преимущественно имеет величину
max
пр
D>U/Е,
max
max
пр
где D - толщина слоя изоляционного тела между продольным и основным электродами, U - максимальное номинальное напряжение разрядника (т.е., по сути, максимальное эксплуатационное напряжение между основным электродом и продольным электродом, для переменного тока/напряжения U соответствует амплитуде напряжения), а Е - электрическая прочность (пробивная напряженность) изоляционного материала, из которого выполнено изоляционное тело. Благодаря такому выбору толщины слоя изоляционного тела обеспечивается возможность эксплуатации разрядника при эксплуатационном напряжении защищаемого электрооборудования, поскольку даже при максимальных (амплитудных) эксплуатационных напряжениях не происходит пробоя изоляционного тела.
В преимущественном варианте толщина слоя изоляционного тела, отделяющего продольный электрод от основного электрода, имеет величину
p
пр
D>U/E,
p
где U - разрядное напряжение между основным электродом и продольным электродом, т.е. напряжение, при котором происходит развитие разряда (остальные обозначения соответствуют вышеприведенным). Благодаря такому выбору толщины слоя изоляционного тела обеспечивается возможность длительной эксплуатации разрядника даже при многократных разрядах перенапряжений (в том числе грозовых), поскольку при напряжениях разряда не происходит пробоя изоляционного тела.
Толщина слоя изоляционного тела, отделяющая продольный электрод от промежуточных электродов может иметь величину
i
maxi
пр
D>U/E,
i
maxi
пр
где D - толщина слоя изоляционного тела между продольным электродом и i-м промежуточным электродом, U - максимальное эксплуатационное напряжение между i-м промежуточным электродом и продольным электродом, а Е - электрическая прочность (пробивная напряженность) изоляционного материала, из которого выполнено изоляционное тело. При таких соотношениях обеспечивается возможность эксплуатации электрооборудования и разрядника при эксплуатационном напряжении без пробоя изоляционного тела.
В предпочтительном варианте толщина слоя изоляционного тела, отделяющая продольный электрод от промежуточных электродов должна иметь величину
i
pi
пр
D>U/Е,
pi
где U - разрядное напряжение между i-м промежуточным электродом и продольным электродом, т.е. напряжение, при котором происходит развитие разряда между i-м промежуточным электродом и соседним промежуточным электродом или основным электродом или концевым электродом (остальные обозначения соответствуют вышеприведенным). При таких соотношениях обеспечивается возможность длительной эксплуатации разрядника даже при многократных разрядах перенапряжений (в том числе грозовых), поскольку при напряжениях разряда не происходит пробоя изоляционного тела.
В некоторых вариантах разрядник, как показано на фиг. 2, может иметь дополнительный слой 12 диэлектрика между продолговатым электродом 11 и диэлектриком 14. Этот слой 12 может использоваться для увеличения общей толщины слоя диэлектрика, необходимой для обеспечения функционирования разрядника в соответствии с вышеприведенными соотношениями. Для различных участков разрядника этот слой 12 и/или слой 14 могут иметь различающиеся толщины и/или диэлектрические свойства. Слой 12 или его часть, например, может быть выполнен полупроводящим, то есть имеющим удельное сопротивление меньше, чем слой 14. Это будет обеспечивать более равномерное распределение напряженности поля вдоль поверхности электрода 11 и предотвращать локальные пробои.
Разрядник со продольным электродом может изготавливаться следующим образом. Сначала подготавливают продольный электрод, роль которого может выполнять металлический пруток, путем очистки и выравнивания поверхности электрода. Далее на электрод наносят один или несколько слоев диэлектрика, формируя тем самым изоляционное тело.
Продольный электрод может быть изготовлен из медного или алюминиевого сплава. В этом случае продольный электрод будет обладать относительно высокой электрической проводимостью и обеспечивать удобство формирования на нем изоляционного тела в связи с относительно высокой пластичностью и относительно низкой температурой плавления указанных материалов. Недостатком изготовления продольного электрода из сплавов меди или алюминия является недостаточная механическая прочность электрода при дальнейшей эксплуатации грозозащитного разрядника, в составе которого используется такой разрядный элемент, что может вызывать нежелательную деформацию электрода.
Продольный электрод также может быть изготовлен с использованием стали различных сплавов. В таком случае обеспечивается высокая механическая прочность электрода при эксплуатации грозозащитного разрядника, в результате чего удается избежать нежелательных деформаций электрода, сохраняя тем самым работоспособность разрядника в течение длительного времени эксплуатации.
Однако для стального продольного электрода будет наблюдаться усложнение формирования на нем изоляционного тела в связи с тем, что экономически обоснованным является изготовление длинномерных изделий, представляющих собой продольный электрод с нанесенным на него изоляционным телом, которые уже после стадии изготовления делятся, например, путем разрезания, на разрядные элементы относительно небольшой длины, далее применяемые в грозорязрядниках. Поскольку изделия на стадии изготовления имеют большую длину, то их необходимо наматывать на катушку с относительно малыми радиусами изгиба, что вызывает деформацию стальным продольным электродом изоляционного тела, поскольку непосредственно после нанесения на электрод изоляционное тело еще имеет повышенную температуру, а устойчивость к механическим деформациям у изоляционного тела ниже, чем у продольного электрода, изготовленного из стали.
В еще одном варианте разрядный элемент, состоящий из продольного электрода и изоляционного тела, может быть изготовлен путем формирования изоляционного тела на медном или алюминиевом продольном электроде, после чего из изоляционного тела извлекают медный или алюминиевый продольный электрод и вводят в него стальной продольный электрод. Благодаря такому способу формирования изоляционного тела обеспечивается, с одной стороны, пластичность разрядного элемента в процессе изготовления, и, с другой стороны, заданные прочностные механические и электрические характеристики разрядного элемента после завершения его изготовления.
Защита электрооборудования от грозовых перенапряжений при использовании описанного устройства осуществляется следующим образом. При попадании молнии 8 (см. фиг. 1) в линию электропередачи, в частности, в провод 3, происходит последовательное импульсное перекрытие разрядных камер, в результате чего из них выходят разряды 9. После импульсного перекрытия разрядных камер и отекания тока молнии через канал разряда 10, электрод 10 и траверсу 1 опору в землю, продолжается нормального режима работы линии без ее отключения.
В том случае, если продольный электрод отсутствует, то перекрытие разрядных промежутков между промежуточными электродами и другими электродами и элементами грозозащитного устройства происходит не за счет эффекта скользящего разряда, а за счет превышения напряжения между электродами предела, при котором происходит пробой разрядного промежутка в разрядной камере. При воздействии импульса перенапряжения на линию электропередачи (ее провод) сначала разряд развивается от узла крепления, соединенного с проводом, через промежуточные электроды (последовательно пробивая промежутки между ними в разрядных камерах) к основному электроду и далее пробивается искровой разрядный промежуток между основным электродом и заземленным элементом линии электропередачи (опорой). Таким образом, происходит каскадное, т.е. последовательное перекрытие промежутков между промежуточными электродами с образованием дуговых разрядов (дуг) разрядных камерах. Благодаря каскадности срабатывания разрядных промежутков обеспечивается низкое разрядное напряжение срабатывания грозозащитного устройства в целом.
Промежуточные электроды и разрядные камеры могут располагаться на изоляционном теле последовательно на расстоянии друг от друга и по прямой линии. Также возможен вариант исполнения, в котором промежуточные электроды расположены на изоляционном теле по спирали (т.е. со смещением в окружном направлении друг относительно). Такое расположение дает возможность разместить на грозозащитном устройстве большее число промежуточных электродов, чем в варианте без смещения по окружности, и тем самым дополнительно улучшить дугогасящую способность грозозащитного устройства за счет увеличения количества промежутков, на которые разбивается дуга.
Поскольку разрядный промежуток вдоль изоляционного тела с помощью промежуточных электродов разбит на множество малых разрядных промежутков, они пробиваются при относительно малых напряжениях последовательно (каскадно) и формируется общий канал разряда перенапряжения на землю через множество последовательно соединенных разрядных промежутков.
В случае наличии в разряднике продольного электрода при появлении перенапряжения на грозозащитном устройстве оно оказывается приложено между продольным электродом и основным электродом. Благодаря наличию продольного электрода напряженность поля вблизи основного электрода значительно возрастает. Наибольшая напряженность поля наблюдается на краю основного электрода. Из-за этого при относительно низких значениях перенапряжения в воздухе около края основного электрода формируется канал скользящего разряда, поддерживаемый емкостным током и скользящий в сторону концевого электрода. При перенапряжениях с величиной, близкой к напряжению срабатывания устройства, канал разряда обычно формируется в одну из сторон устройства. При значительных перенапряжениях канал разряда развивается в обе стороны, к обоим концевым электродам.
Разрядные напряжения, необходимые для формирования скользящего разряда, являются достаточно низкими. Это означает, что при относительно небольшой величине импульса перенапряжения происходит перекрытие весьма длинного пути по поверхности диэлектрика (например, изоляционного тела). Параметры устройства выбираются таким образом, чтобы его напряжение срабатывания было меньше, чем разрядное напряжение защищаемого элемента электрооборудования, а длина пути перекрытия была намного больше длины пути перекрытия защищаемого элемента. За счет такого увеличения длины перекрытия предотвращается формирование силовой дуги промышленной частоты и исключается необходимость отключения электроэнергии, передаваемой по линии электропередачи.
Возможны варианты, когда продольный электрод не имеет электрического соединения с узлом крепления. Например, продольный электрод может быть изолирован от оконцевателя или оконцеватели изолированы от узла крепления, или же узел крепления выполнен из диэлектрика. В таких случаях наличие продольного электрода по прежнему будет способствовать развитию скользящего разряда, так как между продольным электродом и оконцевателями или узлом крепления или заземленными элементами защищаемого электрооборудования устанавливается емкостная связь и стерневой электрод может приобретать (в т.ч. за счет токов утечки) потенциал, близкий к потенциалу земли или достаточный для развития скользящего разряда.
Изготовленный в соответствии с любым из вышеописанных вариантов способа разрядный элемент может быть использован в устройстве для грозозащиты линий электропередачи, содержащей опоры с изоляторами, по меньшей мере, один находящийся под электрическим напряжением провод, связанный с изоляторами посредством крепежных устройств, и, по меньшей мере, одно устройство для грозозащиты элементов линии электропередачи, которое представляет собой шлейфовый мультикамерный разрядник по любому из вышеописанных вариантов.