Газоразрядники принцип действия

Трубчатые разрядники

Разрез трубчатого разрядника показан на рисунке ниже:

Для разгрузки изоляционного материала разрядника от электрического поля при нормальной работе электроустановки он отделяется от линии воздушным зазором S₂. Второй электрод разрядника заземляется. При появлении перенапряжений происходит пробой промежутка S₁ и S₂ и импульсный ток уходит в землю. После прохода импульсного тока течет сопровождающий ток промышленной частоты. Между электродами 2 и 3 в промежутке S₁ дуга загорается в узком канале обоймы 1 из газогенерирующего материала – фибры или винипласта. Внутри трубки происходит повышение давления. Газы могут отводиться через отверстие в кольцевом электроде 3.

При прохождении тока через нуль происходит гашение дуги под воздействием газов, выходящих из разрядника на промежуток S₁.

Для улучшения условий гашения электрической дуги в заземленном электроде разрядника 4 имеется буферный объем 5, где энергия накапливается в виде потенциальной энергии сжатого газа. При проходе тока через нуль создается дутье из буферного объема, что способствует гашению электрической дуги.

Механическая прочность трубки определяет величину отключаемого тока промышленной частоты (для упрочненной стеклотканью на эпоксидной смоле винипластовой трубки 20 кА, для фибробакелитовой трубки – 10 кА).

Минимальный ток определяет гасящая способность трубки. Чем меньше диаметр выхлопного канала, чем больше его длина, тем меньше нижний предел отключаемого тока. В случае протекания большого тока в трубке возникает большое давление. В случае недостаточной механической прочности наступает разрушение разрядника. Поэтому решающую роль для трубчатого разрядника играет его механическая прочность. В качестве материала для разрядников применялась фибра до появления винипласта. В бумажно-бакелитовой среде размещалась фибровая трубка. Она увеличивала механическую прочность. Однако на открытом воздухе бакелит работает плохо, что требует тщательной окраски бакелитовой трубки специальным лаком, защищающим трубки от воздействия атмосферных явлений.

Маркировка разрядника расшифровывается следующим образом – в числителе указывается номинальное напряжение, а в знаменателе отключаемые токи. Например, разрядник РТ

расшифровывается как разрядник трубчатый фибровый напряжением 35 кВ, а его отключаемые токи лежат в пределах 800 – 5000 А.

Наглядно защитное действие разрядника демонстрируется на рисунке ниже:

В момент пересечения вольт-секундной характеристики разрядника 2 с кривой 4 наступает пробой промежутка и через него протекает импульсный ток I, который создает падение напряжения на IR₃ на сопротивлении заземления R₃.

К более совершенным можно отнести разрядники РТВ (разрядник трубчатый винипластовый). Винипласт обладает высокой механической прочностью, имеет высокую газогенерирующую способность и хорошо работает без всяких покрытий на открытом воздухе. Наибольший отключаемый ток для этого разрядника доведен до 20 кА.

Работа трубчатого разрядника сопровождается выбросом газов и сильным звуковым эффектом. У разрядника РТВ-110 зона выброса представлена в виде конуса с высотой 2,2 м и диаметром 3,5. При установке разрядников нужно предусмотреть, чтобы в зону выброса не попали элементы электроустановки, находящиеся под высоким потенциалом.

От вольт-секундной характеристики в значительной степени зависит защитная характеристика промежутка между электродами. В трубчатом разряднике данный промежуток образовывается стержневыми электродами, которые имеют довольно крутую вольт-секундную характеристику из-за довольно большой неоднородности электрического поля. В электрических аппаратах и электрооборудовании электрическое поле стремятся сделать равномерным, так как в этом случае удается более полно использовать особенности изоляционных материалов и уменьшить габариты и массу электрооборудования. Вольт-секундная характеристика получается пологой при равномерном поле, и практически мало зависимой от времени. Поэтому трубчатые разрядники не подходят для защиты подстанционного электрооборудования из-за крутой вольт-секундной характеристики. Обычно с их помощью производят защиту только линейной изоляции. Необходимо рассчитать возможный минимальный и максимальный ток короткого замыкания и на основании этих расчетов произвести выбор соответствующего разрядника. Номинальное напряжение сети должно соответствовать номинальному напряжению разрядника. Размеры внешнего S₂ и внутреннего S₁ промежутков выбираются из специальных таблиц.

Комплексная поставка
кабельно-проводниковой
продукции и арматуры

8 (800) 222-22-96

Поиск

Каталог

Компания

Мы дилеры заводов:

Разрядники

УЗД-1-1

УЗД-1-2

УЗД-1-3

Импульсные вспышки напряжения частое явление в электросетях. Причинами их возникновения могут стать разряды в атмосфере, коммутации приборов и ряд других факторов. Невзирая на краткосрочный характер этих перенапряжений, они могут спровоцировать пробой изоляции, приведя к короткому замыканию и негативным последствиям. Для их предупреждения можно было бы применять более прочную изоляцию, но такой вариант существенно повысит стоимость технического оборудования. По этой причине более приемлемым вариантом выступили разрядники, область применения которых определяет их назначение. Их главное функциональное назначение – сдержать перенапряжение в электросетях.

Особенности устройства и действия

Высоковольтные разрядники применяются для предохранения аппаратуры и различных приборов от перепадов тока. Электроды и приспособления для гашения дуги являются основными элементами данного устройства.

Фиксация одного электрода производится на цепи, ко второму подсоединяется заземление. Зазор, создаваемый между ними называемый искровым промежутком, в котором на моменте поднятия напряжения до определенных показателей, происходит пробой. Благодаря этому повышенное напряжение с участка электрической цепи снимается.

Один из наиболее актуальных технических параметров к разряднику заключается в том, что он должен обладать установленным уровнем обеспеченной электропрочности. А именно, при обычной работе электрической сети пробиваться он не должен. Вслед за пробоем активизируется дугогасительное устройство. Под воздействием импульса усиливается ионизация в искровом промежутке. Вследствие этого фазное напряжение, которое работало в режиме нормы, пробивается и вызывает короткое замыкание. Включаются устройства защиты на данном участке. Важный функционал несёт устройство дугогашения: максимально быстро предотвратить замыкание в сети до того, как будут подключены средства защиты.

Газовые разрядники имеют широкое применение. В их составе коаксиальный элемент вкупе с разрядным промежутком короткого времени и патрон заземлитель. В промежуток устанавливается газоразрядный элемент в виде таблетки, который заключен в оболочку из стекла или керамики и со всех сторон оснащен электродами. Газовые элементы (аргон, неон) заполняют внутренную часть оболочки. При повышении напряжения срабатывает защита в разряднике. Высокая температура является толчком к тому, что сопротивление начинает резко падать. Вслед за этим происходит дуговой разряд в 10 вольт. Отдельно взятый разрядник имеет собственное заземление, без него он станет неэффективным.

Кабель в разрядниках соединена с первым электродом. К корпусу разрядника, который заземлен присоединен другой электрод. Когда повышенный импульс максимального напряжения идет через устройство вызывается пробой разрядника, моментально центральная жила электрокабеля технически направляется на землю. Одновременно, значительно падает показатель тока до момента пока дуга не будет погашена. Система размыкается, иначе говоря прибор оказывается в режиме, не способном проводить ток. Обычно, газоразрядную трубку требуется сменить после каждого такого пробоя.

Технические параметры

Всем газоразрядникам присущи отличительные признаки и технические особенности.

• Номинальный разрядный ток. Оценочные требования к устройству обуславливают его возможность выдерживать определенное для импульсного тока показание. Спецификаторы показывают в каких допустимых пределах они могут отклоняться от нормы. Номинальные показатели тока обязательно указываются в спецификациях к каждому отдельному прибору.
• Сопротивление изоляции и ёмкость. В данных разрядниках эти величины достигают более 10 гОм и меньше 1 пФ, вследствие этого данные устройства становятся необходимыми и незаменимыми в различных сетях.
• Статическое напряжение срабатывания. Эта характеристика определяет тип разрядника, который установлен в защитном узле. Его величина равняется напряжению, которого хватает для разжигания разрядника, в условиях постепенного увеличения показателей напряжения.
• Динамическое напряжение срабатывания. Настоящее значение служит своего рода ограничителем, когда происходит стремительный рост напряжения и срабатывает газовый разрядник.

Разновидности разрядников

Трубчатый. Предназначается для дугогашения и изготавливается из полихлорвинила в форме трубки. Обе стороны разрядника оснащены электродами, к одному из которых подведено заземление, второй ставится на наименьшем расстоянии от участка, требующего защиты. Этот интервал регулируется исходя из величины электрического напряжения.

При резком скачке напряжения в сети пробой происходит одновременно в двух местах. Один из них возникает между электродами, второй дает пробой в пространстве защищаемого участка и электрическим прибором. В результате этого, в трубке начинается активная газогенерация, а поток выходящих из камеры газов, собирающийся в выхлопном отверстии в состоянии погасить электродугу.

Вентильный. В конструкции этого разрядника имеется две основные части: резистор (один за другим собранные вилитовые диски) и многократный искровой промежуток, включающий в себя ряд однократных. Основные элементы соединяются по порядку. В резисторе предусмотрена герметичная защита, так как его составляющий элемент вилит меняет свои свойства во влажной среде.

Принцип работы состоит в том, что в момент скачка напряжения случается пробой в воздушном промежутке, а резистор служит для того, чтобы понизить показатели тока до отметки свободного погашения воздушного промежутка. Сопротивляемость вилита падает обратно пропорционально силе тока и считается нелинейной. Эта особенность позволяет пропускать больший поток при снижении показателей напряжения. Наибольшей ценностью вентильных разрядников является их бесшумное срабатывание.

Магнитовентильный. Разрядник представляет из себя конструкцию из блоков, которые соединяются последовательно. Каждый входящий в систему блок охватывает отдельные искровые промежутки и магнитные элементы, действующие на постоянной основе. Все блоковые составляющие заключены в цилиндр, изготовленный из фарфора. Когда происходит пробой в отдельных промежутках преобразуется дуга. В свою очередь, магнитное поле воздействует на дугу и заставляет ее вращаться с большой скоростью. Как следствие, погашение дуги происходит в более сжатые временные промежутки.

Нелинейный ограничитель перенапряжения. У данного вида разрядника искровых промежутков нет. Непрерывно следующие друг за другом варисторы составляют ведущую часть конструкции. Собственно, на этих свойствах базируется принцип работы устройства, так как электропроводность варисторов зависит от прикладываемого к нему напряжения.

Газовые разрядники на защите от импульсных перенапряжений

Газоразрядники или разрядники для защиты от перенапряжений с газовым наполнением обозначаются термином GDT (Gas Discharge Tube). По количеству электродов они разделяются на две группы: двухэлектродные и трёхэлектродные.

рис. а). двухэлектродный и б). трёхэлектродный ионные разрядники с газовым наполнением (условное обозначение по международным стандартам)

При срабатывании элемента защиты происходит закорачивание входа устройства и стекание тока перегрузки на землю. Принцип работы газоразрядника можно сравнить с электронным ключом, срабатывающий при возникновении разности потенциалов между его электродами выше заданного значения. Широко используются разрядники для защиты от перенапряжений электронных цепей, когда некритичны такие показатели как скорость срабатывания и точность значений напряжения. Любой разрядник должен иметь собственное заземление, иначе использование их будет бесполезным.

При эксплуатации электронного спутникового оборудования (или любого другого радиотехнического) периодически могут возникать перегрузки по току и напряжению, изначальная природа которых обусловлена влияниями внешних электромагнитных импульсов. Они могут быть в виде электромагнитных сигналов, идущих от мощных радаров, электростатические разряды, мощного грозового разряда и др. (естественного и искусственного происхождения). Большие перегрузки могут исходить от неисправной цепи электропитания какого-либо оборудования.

Конструкция элемента газоразрядника представляет собой керамическую ёмкость (трубку или в виде “таблетки”), заполненная инертным газом, закрытая с двух сторон металлическими электродами. Обычно разрядник трудно заметить в электронной цепи защищаемого устройства. При его срабатывании происходит короткое замыкание электродов и ток перегрузки уходит на землю. Не просто так его сравнивают с электронным ключом , который срабатывает при превышении заданных значений разности потенциалов между его электродами. Это приводит к увеличению кинетической энергии свободных электронов, образованию новых ионов и электронов, — ток между электродами начинает расти и разрядник переходит в режим “тлеющего разряда” (на несколько микросекунд). Если напряжение будет дальше возрастать, то начнётся лавинное размножение электронов, вызывая при этом газовый разряд. В зависимости от конструкции разрядника длительность пробоя продолжается десятки наносекунд (причём ток возрастает скачками), а разность потенциалов между электродами падает. Для разных типов газовых разрядников значение напряжения разряда будет примерно равным 10В-80В (от тока практически зависеть не будет). При возникновении импульса перенапряжения разрядник закорачивается и импульс уходит на землю, тем самым защищая оборудование от вывода из строя. Для отвода разряда молнии от антенны устанавливают молниеотводы с контуром заземления, который берёт весь разряд на себя и отводит в землю.

Рис. Схема подключения двухэлектродного газоразрядника в цепь между спутниковой антенной и ВЧ оборудованием (ресивер)

После режима пробоя значение напряжения на электродах уменьшается до начального уровня и процесс идёт в обратном направлении. При длительном влиянии перегрузок (примерно 1-10 секунд) внутри разрядника начинается горение электрической дуги, из-за чего он может выгореть и дальнейшее его использование будет невозможным (разрядник требуется заменить). Этого можно избежать с помощью дополнительной механической термозащиты.

рис. Трёхэлектродные газоразрядники с термозащитой в виде металлической пластины (скобы)

Конструкция термозащиты представляет собой специальный металлический зажим (или скобу), который крепится к корпусу разрядника легкоплавким припоем. После нагрева и достижения определённой температуры происходит закорачивание между собой электродов металлическим зажимом. Далее срабатывают остальные защитные элементы схемы.

Широкое применение помимо двухэлектродных получили и разрядники, имеющие три электрода (трёхэлектродные), корпус которых состоит из двух объединённых между собой двухэлектродных разрядников с одним общим электродом. Такая конструкция способна обеспечить контроль симметричных цепей одновременно, при этом исключая перекос фаз и снижая перепад значений напряжений между линиями до безопасного уровня.

Газоразрядники (GDT): основные параметры и характеристики

Газоразрядники характеризуются статическим напряжением срабатывания (этот параметр обычно указывается в технической документации), номинальное DCBD, Vdcbd – возникает зажигание разрядника, вызванное напряжением постоянного тока.

Максимальное динамическое напряжение срабатывания (Vimpuls, Mis) – импульсное напряжение достигает максимального пикового значения и происходит пробой разрядника (в пределах значений 100В/мкс и 1кВ/мкс – крутизна фронта нарастающих линейных импульсов напряжения).

Минимальное гарантированное статическое напряжение срабатывания (MDCS, Vmdcs) – минимальное значение статического напряжения, при котором разрядник срабатывает на протяжении всего срока эксплуатации.

Напряжение горения дуги (AV, Varc) – напряжение, возникающее между электродами разрядника, в режиме прохождения через него тока пробоя.

Максимальное значение импульса тока разряда (MSR, limpulse) – кратковременное предельное значение импульсного тока. После воздействия этого тока газоразрядный элемент останется в исправном (рабочем) состоянии (указывается значение тока при тесте с отношением времени нарастания ко времени спада 8/20мкс, 10/350мкс).

Номинальный импульсный ток разряда (IDC) – ток, проходящий через разрядник в режиме пробоя (при этом воздействие этого тока газоразрядник может выдерживать многократно в соответствии с техническими характеристиками).

Максимальный переменный ток разряда (ADS, lac) – ток переменный, проходящий через разрядный элемент и воздействие которого разрядник может многократно выдерживать (в соответствии с техническими характеристиками).

Время пробоя разрядника (ARTT) – это промежуток времени, за который между электродами изменяется значение напряжения от максимального динамического до напряжения горения дуги.

Ток в режиме тлеющего разряда (GATC) –значение тока во временном промежутке зажигания и пробоя.

Время срабатывания газоразрядника (PVST) – временной интервал от точки начала зажигания до точки начала пробоя.

Эксплуатационный ресурс газоразрядника (SL) – это количество срабатываний газоразрядного элемента и значений импульсного тока, проходящего через него, после которых не гарантируется выдача рабочих характеристик (указываются в тех. документации).

Конструкция трёхэлектродного газового разрядника с термической защитой (термопредохранителем).

рис. Газовый трёхэлектродный разрядник с защитой (термопредохранителем)

Термопредохранитель является дополнением к газоразряднику и выполнен в виде металической пластинки (скобы), которая при перегреве деформируется и замыкает общий вывод и выводы L (L1, L2) между собой, при этом ток начинает проходить вне газового промежутка.

Вольт-амперную характеристику (ВАХ) газоразрядника можно представить в виде нескольких уровней рабочих участков.

рис. ВАХ газоразрядника

Участок низких напряжений (1). Если возникнет хотя бы незначительное напряжение между общим выводом электрода и одним из выводов L(L1 или L2), то из-за сверхнизкой электропроводимости инертного газа ток через газоразрядник не потечёт. После того, как достигнется напряжение срабатывания значение тока начнёт расти.

Возникновение тлеющего разряда (2). Происходит ионизация молекул газа после достижения напряжения срабатывания (лавинообразно возрастает число носителей заряда). Незначительный ток начинает протекать через промежуток, заполненный газом (при этом напряжение падает до уровня значения напряжения тлеющего разряда).

Тлеющий разряд (3). Дальнейшее увеличение тока приводит к незначительному увеличению напряжения между электродами.

Возникновение электрической дуги (4). Если мощность, поступаемая от внешнего источника достаточно большая, то при возрастании тока сверх предела энергия поля станет достаточной для преодоления заряженными частицами пути от электродов L (L1 и L2) к общему электроду без потери энергии. Значение напряжения резко уменьшается и возникает электрическая дуга – устойчивый проводящий канал.

Дальнейшее возрастание тока (5) происходит без роста значения напряжения.

Вентильные разрядники: принцип действия и характеристики

Устройство и принцип действия вентильных разрядников

Основными элементами вентильного разрядника являются искровой промежуток и нелинейный последовательный резистор, которые включаются последовательно между токоведущим проводом и землей параллельно защищаемой изоляции.

При воздействии на разрядник импульса грозового перенапряжения его искровой промежуток пробивается и через разрядник проходит ток. Разрядник таким образом вводится в работу. Напряжение, при котором пробиваются искровые промежутки, называется пробивным напряжением разрядника.

После пробоя искрового промежутка напряжение на разряднике, а значит, и на защищаемой им изоляции снижается до величины, равной произведению импульсного тока I и на сопротивление последовательного резистора Rи. Это напряжение называется остающимся напряжением Uосн. Его величина не остается постоянной, а изменяется вместе с изменением величины импульсного тока I и, проходящего через разрядник. Однако в течение всего времени работы разрядника остающееся напряжение не должно повышаться до величины, опасной для защищаемой изоляции.

Рис. 1. Электрическая схема включения вентильных разрядников. ИП — искровой промежуток, Rн — сопротивление нелинейного последовательного резистора, U — импульс грозового перенапряжения, И — изоляция защищаемого объекта.

После прекращения протекания импульсного тока через разрядник продолжает проходить ток, обусловленный напряжением промышленной частоты. Этот ток называется сопровождающим. Искровые промежутки разрядника должны обеспечить надежное гашение дуги сопровождающего тока при первом прохождении его через нуль.

Рис. 2. Форма импульса напряжения до и после срабатывания вентильного разрядника. t р — время срабатывания разрядника (время разряда), I и — импульсный ток разрядника.

Напряжение гашения вентильных разрядников

Надежность гашения дуги искровым промежутком зависит от величины напряжения промышленной частоты на разряднике в момент гашения сопровождающего тока. Максимальная величина напряжения, при которой искровые промежутки разрядников надежно разрывают сопровождающий ток, называется наибольшим допустимым напряжением или напряжением гашения Uгаш.

Величина напряжения гашения вентильного разрядника задается режимом работы электроустановки, в которой он работает. Так как при грозовых воздействиях могут происходить одновременно замыкание одной фазы на землю и работа вентильных .разрядников на других неповрежденных фазах, то напряжение на этих фазах при этом повышается. Напряжение гашения вентильных разрядников выбирается с учетом подобных повышений напряжения.

Для разрядников, работающих в сетях с изолированной нейтралью, напряжение гашения принимается равным U гаш =1,1 х 1,73 х U ф = 1,1 U н, где U ф — рабочее фазное напряжение.

При этом учитывается возможность повышения напряжения на неповрежденных фазах до линейного при замыкании одной фазы на землю и еще на 10% из-за регулирования напряжения потребителя. Следовательно, наибольшее рабочее напряжение разрядника составляет 110% номинального линейного напряжения Uном.

Для разрядников, работающих в сетях с глухо заземленной нейтралью, напряжение гашения составляет 1,4 U ф, т. е. 0,8 номинального линейного напряжения сети: U гаш = 1,4 U ф = 0,8 U ном. Поэтому такие разрядники иногда называются 80%-ными.

Искровые промежутки вентильных разрядников

Искровые промежутки вентильных разрядников должны удовлетворять следующим требованиям: иметь стабильное пробивное напряжение при минимальных разбросах, иметь пологую вольт-секундную характеристику, не изменять свое пробивное напряжение после многократных срабатываний, гасить дугу сопровождающего тока при первом переходе его через нулевое значение. Этим требованиям удовлетворяют многократные искровые промежутки, которые собираются из единичных искровых промежутков с малыми воздушными зазорами. Единичные искровые промежутки включаются последовательно и на каждый из них при наибольшем допустимом напряжении приходится около 2 кВ.

Деление дуги на короткие дуги в единичных искровых промежутках повышает дугогасящие свойства вентильного разрядника, что объясняется интенсивным охлаждением дуги и большим падением напряжения у каждого электрода (эффект катодного падения напряжения).

Напряжение пробоя искровых промежутков вентильного разрядника при воздействии атмосферных перенапряжений определяются его вольт-секундной характеристикой, т. е. зависимостью времени разряда от амплитуды импульса перенапряжения. Время разряда — это время от начала воздействия импульса перенапряжения до пробоя искрового промежутка разрядника.

Для эффективной защиты изоляции вольт-секундная характеристика ее должна лежать выше вольт-секундной характеристики разрядника. Сдвиг вольт-секундных характеристик необходим для того, чтобы сохранить надежность защиты при случайном ослаблении изоляции в эксплуатации, а также из-за наличия зон разброса разрядных напряжений как у самого разрядника, так и у защищаемой изоляции.

Вольт-секундная характеристика разрядника должна иметь пологую форму. Если она будет крутой, как это показано на рис. 3 пунктиром, то это приведет к тому, что разрядник потеряет универсальность, так как для каждого вида оборудования, обладающего индивидуальной вольт-секундной характеристикой, потребуется свой специальный разрядник.

Рис. 3. Вольт-секундные характеристики вентильных разрядников и защищаемой ими изоляции.

Нелинейный последовательный резистор. К нему предъявляются два противоположных требования: в тот момент, когда через него проходит ток молнии, его сопротивление должно уменьшаться; тогда же когда через него проходит сопровождающий ток промышленной частоты, оно должно, наоборот, увеличиваться. Таким требованиям удовлетворяет карборундовое сопротивление , которое изменяется в зависимости от приложенного к нему напряжения: чем выше приложенное напряжение, тем ниже его сопротивление и, наоборот, чем ниже приложенное напряжение, тем больше его сопротивление.

Кроме того, последовательно включенное карборундовое сопротивление, являясь активным сопротивлением, уменьшает сдвиг по фазе между сопровождающим током и напряжением, а при одновременном переходе их через нулевое значение гашение дуги облегчается.

С повышением напряжения величина сопротивления запорных слоев падает, что обеспечивает прохождение больших токов при относительно небольших падениях напряжения.

HTML clipboard Зависимость напряжения на разряднике от величины проходящего через него тока (вольт-амперная характеристика) приближенно выражается уравнением:

где U — напряжение на сопротивлении нелинейного резистора вентильного разрядника, I — ток, проходящий через нелинейный резистор, С — постоянная, численно равная сопротивлению при токе 1 А, α — коэффициент вентильности.

Чем меньше коэффициент α, тем меньше изменяется напряжение на нелинейном резисторе при изменении проходящего через него тока и тем меньше остающееся напряжение на вентильном разряднике.

Каждый импульс тока оставляет в последовательном резисторе след разрушения — происходит пробой запорного слоя отдельных зерен карборунда. Многократное прохождение импульсов тока приводит к полному пробою резистора и разрушению разрядника. Полный пробой резистора наступает тем скорее, чем больше амплитуда и длина импульса тока. Поэтому пропускная способность вентильного разрядника ограничена. При оценке пропускной способности вентильных разрядников учитывается пропускная способность и последовательных резисторов и искровых промежутков.

Резисторы должны выдерживать без повреждения 20 импульсов тока длительностью 20/40 мкс с амплитудой, зависящей от типа разрядника. Например, для разрядников типов РВП и РВО напряжением 3 — 35 кВ амплитуда тока равна 5000 А, типа РВС напряжением 16 — 220 кВ — 10 000 А и типов РВМ и РВМГ напряжением 3 — 500 кВ — 10000 А.

Для повышения защитных свойств вентильного разрядника нужно снижать остающееся напряжение, чего можно достичь уменьшением коэффициента вентильности α последовательного нелинейного резистора при одновременном повышении дугогасящих свойств искровых промежутков.

Повышение дугогасящих свойств искровых промежутков дает возможность увеличить сопровождающий ток, обрываемый ими, а следовательно, позволяет уменьшить сопротивление последовательного резистора. Техническое усовершенствование вентильных разрядников в настоящее время идет именно этими путями.

Следует отметить, что в схеме вентильного разрядника важное значение имеет заземляющее устройство. При отсутствии заземления разрядник работать не может.

Заземления вентильного разрядника и защищаемого им оборудований объединяются. В тех случаях, когда вентильный разрядник по каким-либо причинам имеет отдельное от защищаемого оборудования заземление, величина его нормируется в зависимости от уровня изоляции оборудования.

После тщательного осмотра разрядники устанавливают на опорные конструкции, выверяют по уровню и отвесу с подкладкой в необходимых случаях под цоколь отрезков из листовой стали и закрепляют на опорах с помощью хомута болтами.

Газоразрядники принцип действия

В электрических сетях часто возникают импульсные всплески напряжения, вызванные коммутациями электроаппаратов, атмосферными разрядами или иными причинами. Несмотря на кратковременность такого перенапряжения, его может быть достаточно для пробоя изоляции и, как следствие, короткого замыкания, приводящего к разрушительным последствиям. [1] Для того, чтобы устранить вероятность короткого замыкания, можно применять более надежную изоляцию, но это приводит к значительному увеличению стоимости оборудования. В связи с этим в электрических сетях целесообразно применять разрядники.

Устройство и принцип действия

Разрядник состоит из двух электродов и дугогасительного устройства.

Электроды

Один из электродов крепится на защищаемой цепи, второй электрод заземляется. Пространство между электродами называется искровым промежутком. При определенном значении напряжения между двумя электродами искровой промежуток пробивается, снимая тем самым перенапряжение с защищаемого участка цепи. Одно из основных требований, предъявляемых к разряднику — гарантированная электрическая прочность при промышленной частоте (разрядник не должен пробиваться в нормальном режиме работы сети).

Дугогасительное устройство

После пробоя импульсом искровой промежуток достаточно ионизирован, чтобы пробиться фазным напряжением нормального режима, в связи с чем возникает короткое замыкание и, как следствие, срабатывание устройств РЗиА, защищающих данный участок. Задача дугогасительного устройства — устранить это замыкание в наиболее короткие сроки до срабатывания устройств защиты.

Виды разрядников

Воздушный разрядник закрытого или открытого типа (трубчатый разрядник)

Воздушный разрядник представляет собой дугогасительную трубку из полимеров, способных подвергаться термической деструкции с выделением значительного количества газов и без значительного обугливания — полихлорвинила или оргстекла (первоначально, в начале XX века, это была фибра), с разных концов которой закреплены электроды. Один электрод заземляется, а второй располагается на определенном расстоянии от него (расстояние определяет напряжение срабатывания, или пробоя, разрядника) и имеет прямое электрическое подключение к защищаемому проводнику линии. В результате пробоя в трубке возникает интенсивная газогенерация (плазма), и через выхлопное отверстие образуется продольное дутье, достаточное для гашения дуги. В воздушном разряднике открытого типа выброс плазменных газов осуществляется в атмосферу. Напряжение пробоя воздушных разрядников — более 1 кВ.

Газовый разрядник

Конструкция и принцип действия идентичны воздушному разряднику. Электрический разряд происходит в закрытом пространстве (керамическая трубка), заполненном инертными газами. Технология электрического разряда в газонаполненной среде позволяет обеспечить более лучшие характеристики скорости срабатывания и гашения разрядника. Напряжение пробоя газонаполненного разрядника — от 60 Вольт до 5 килоВольт.

Вентильный разрядник

Вентильный разрядник состоит из двух основных компонентов: многократного искрового промежутка (состоящего из нескольких последовательно соединенных единичных искровых промежутков) и рабочего резистора (состоящего из последовательного набора вилитовых дисков). Многократный искровой промежуток последовательно соединен с рабочим резистором. В связи с тем, что вилит меняет характеристики при увлажнении, рабочий резистор герметично закрывается от внешней среды. Во время перенапряжения многократный искровой промежуток пробивается, задача рабочего резистора — снизить значение сопровождающего тока до величины, которая сможет быть успешно погашена искровыми промежутками. Вилит обладает особенным свойством — его сопротивление нелинейно — оно падает с увеличением значения силы тока. Это свойство позволяет пропустить больший ток при меньшем падении напряжения. Благодаря этому свойству вентильные разрядники и получили свое название. Среди прочих преимуществ вентильных разрядников следует отметить бесшумность срабатывания и отсутствие выбросов газа или пламени.

Магнитовентильный разрядник (РВМГ)

РВМГ состоит из нескольких последовательных блоков с магнитным искровым промежутком и соответствующего числа вилитовых дисков. Каждый блок магнитных искровых промежутков представляет собой поочередное соединение единичных искровых промежутков и постоянных магнитов, заключенное в фарфоровый цилиндр.

При пробое в единичных искровых промежутках возникает дуга, которая за счет действия магнитного поля, создаваемого кольцевым магнитом, начинает вращаться с большой скоростью, что обеспечивает более быстрое, по сравнению с вентильными разрядниками, дугогашение.

Ограничитель перенапряжений нелинейный (ОПН)

В процессе эксплуатации изоляция оборудования электрических сетей подвергается воздействию рабочего напряжения, а также различных видов перенапряжений, таких как грозовые, коммутационные, квазистационарные. Основными аппаратами для защиты сетей от грозовых и коммутационных перенапряжений являются вентильные разрядники (РВ) и нелинейные ограничители перенапряжений (ОПН). При построении или модернизации уже существующих схем защиты от перенапряжений с помощью ОПН и РВ необходимо решать две основные тесно связанные друг с другом задачи:

• выбор числа, мест установки и характеристик аппаратов, которые обеспечат надежную защиту изоляции от грозовых и коммутационных перенапряжений;
• обеспечение надежной работы самих аппаратов при квазистационарных перенапряжениях, для ограничения которых они не предназначены.

Защитные свойства РВ и ОПН основаны на нелинейности вольтамперной характеристики их рабочих элементов, обеспечивающей заметное снижение сопротивления при повышенных напряжениях и возврат в исходное состояние после снижения напряжения до нормального рабочего. Низкая нелинейность вольтамперной характеристики рабочих элементов в разрядниках не позволяла обеспечить одновременно и достаточно глубокое ограничение перенапряжений и малый ток проводимости при воздействии рабочего напряжения, от воздействия которого удалось отстроиться за счет введения последовательно с нелинейным элементом искровых промежутков. Значительно большая нелинейность окисно-цинковых сопротивлений варисторов ограничителей перенапряжений ОПН позволила отказаться от использования в их конструкции искровых промежутков, то есть нелинейные элементы ОПН присоединены к сети в течение всего срока его службы.

В настоящее время вентильные разрядники практически сняты с производства и в большинстве случаев отслужили свой нормативный срок службы. Построение схем защиты изоляции оборудования как новых, так и модернизируемых подстанций, от грозовых и коммутационных перенапряжений теперь оказывается возможным только с использованием ОПН.

Идентичность функционального назначения РВ и ОПН и кажущаяся простота конструкции последнего часто приводят к тому, что замену разрядников на ограничители перенапряжений проводят без проверки допустимости и эффективности использования устанавливаемого ОПН в рассматриваемой точке сети. Этим объясняется повышенная аварийность ОПН.

Помимо неверного выбора мест установки и характеристик ОПН еще одной причиной повреждений ОПН являются используемые при их сборке варисторы низкого качества, к которым, прежде всего, относятся китайские и индийские варисторы.

Cтержневые искровые промежутки

Cтержневые искровые промежутки также известные как «дугозащитные рога» применяются для защиты от пережога защищеных проводов и перевода однофазного к.з в двухфазное. Для возникновения дуги необходим ток к.з. превышающий 1 кА. Вследствие относительно низкого напряжения (6-10кВ против 20кВ в сетях Финляндии) и высокого сопротивления заземления «дугозащитные рога» в российских сетях не срабатывают.

В настоящее время на ВЛ 6-10 кВ они запрещены «Положением о технической политике» ФСК.

Разрядник длинно-искровой

Принцип работы разрядника основан на использовании эффекта скользящего разряда, который обеспечивает большую длину импульсного перекрытия по поверхности разрядника, и предотвращении за счет этого перехода импульсного перекрытия в силовую дугу тока промышленной частоты. Разрядный элемент РДИ, вдоль которого развивается скользящий разряд, имеет длину, в несколько раз превышающую длину защищаемого изолятора линии. Конструкция разрядника обеспечивает его более низкую импульсную электрическую прочность по сравнению с защищаемой изоляцией. Главной особенностью длинно-искрового разрядника является то, что вследствие большой длины импульсного грозового перекрытии вероятность установления дуги короткого замыкания сводится к нулю.

Существуют различные модификации РДИ, отличающиеся назначением и особенностями ВЛ, на которых они применяются.

РДИ предназначены для защиты воздушных линий электропередачи напряжением 6-10 кВ трехфазного переменного тока с защищёнными и неизолированными проводами от индуктированных грозовых перенапряжений и их последствий и прямого удара молнии; рассчитаны для работы на открытом воздухе при температуре окружающего воздуха от минус 60 °C до плюс 50 °C в течение 30-и лет.

Основное преимущество РДИ: разряд развивается вдоль аппарата по воздуху, а не внутри его. Это позволяет значительно увеличить срок эксплуатации изделий и повышает их надежность.

Обозначение

На электрических принципиальных схемах в России разрядники обозначаются согласно ГОСТ 2.727—68.
1. Общее обозначение разрядника
2. Разрядник трубчатый
3. Разрядник вентильный и магнитовентильный
4. ОПН

Вентильные разрядники

Разрез разрядника РВС-10 (разрядник вилитовый станционный) показан на рисунке ниже:

Основными элементами данного разрядника являются искровые промежутки 2, вилитовые кольца 6, рабочие резисторы 4. Эти элементы располагаются внутри фарфорового кожуха 1, который имеет специальные фланцы с торцов 3. С помощью данных фланцев осуществляется присоединение и крепление разрядника.

Особое внимание уделено герметизации внутренней плоскости. При увлажнении рабочие резисторы 4 меняют свои характеристики. Влага, оседающая на деталях и стенках внутри вентильного разрядника, ухудшает его изоляцию, что создает возможность перекрытия. Герметизация достигается посредством пластин 5, закрывающих торцы разрядника. Пластины привинчиваются к фланцам, а между пластинами ставятся резиновые прокладки 7.

Принцип работы разрядника заключается в следующем.

В случае появления перенапряжения пробивается искровой промежуток и через рабочие резисторы ток уходит на землю.

Рабочие резисторы ограничивают ток пробоя и создают условия, при которых электрическая дуга может быть погашена одним искровым промежутком (рисунок выше б)).

После пробоя искровых промежутков напряжение на разряднике будет равно:

Если сопротивление R_p разрядника линейное, то с увеличением тока пробоя будет увеличиваться напряжение на разряднике, причем оно может стать выше допустимого для электрооборудования. Чтобы избежать данного эффекта сопротивление берется нелинейным, причем, чем больше ток – тем меньше сопротивление. Зависимость между током и напряжением для данного случая можно выразить формулой:

Где А – постоянная, характеризующая напряжение на резисторе при токе в 1А; α- показатель нелинейности. При α = 0 будет идеальный случай, когда падение напряжения не зависит от величины протекаемого тока.

Данный тип разрядников получил название вентильные, потому что при импульсных скачках тока их сопротивление падает, что дает возможность пропускать большие токи при относительно небольших падениях напряжения на рабочих резисторах.

В качестве нелинейного материала широкое распространение получил вилит. В области больших токов его степень нелинейности α достигает 0,13 – 0,20. Вольт-амперная характеристика разрядника с вилитовым резистором показана на рисунке ниже:

Зерна карборунда SiC с удельным сопротивлением примерно 10 -2 Ом·м составляют основу вилита. На поверхности карборундовых зерен создается пленка из окиси кремния SiO₂ толщиной 10 -7 м. Сопротивление данной пленки зависит от напряжения, приложенного к ней. При небольших напряжениях удельное сопротивление составляет примерно 10 4 – 10 6 Ом·м. Сопротивление пленки резко уменьшается при увеличении приложенного напряжения, что и ограничивает величину падения напряжения. В этом случае сопротивление в основном определяется зернами карборунда.

Рабочие резисторы изготавливают в виде дисков высотой (20 — 60)·10 -3 м и диаметром 0,1 – 0,15 м. Зерна карборунда объединяют в диск с помощью жидкого стекла, которое после обжига крепко схватывает зерна между собой.

Вилит очень гигроскопичен. Цилиндрические поверхности покрываются изолирующей смазкой для защиты от влаги.

Торцевые поверхности металлизируются. Они являются контактами диска.

Обычно в разрядника устанавливается несколько дисков соединенных последовательно (на рисунке выше а) изображено 10 дисков).

Остающееся напряжение при наличии дисков будет увеличено:

Число дисков n должно быть меньше для уменьшения остающегося напряжения.

В дисках выделяется тепло при прохождении электрического тока, из-за чего повышается их температура. В случае превышения допустимой температуры диски потеряют вентильные свойства и разрядники выйдут из строя. Не смотря на большой импульсной ток нагрев резисторов мал, так как длительность его протекания составляет всего несколько десятков микросекунд. Резистор успевает остыть после одиночного импульса. При протекании тока промышленной частоты длительность воздействия возрастает (1 полупериод 10 000 мкс). Именно поэтому при длительном протекании даже небольшого тока происходит разрушение разрядника.

При длительности протекания 40 мкс предельный ток диска диаметром 100 мм равен 10 кА. В случае импульса тока прямоугольной формы длительностью 2000 мкс, допустимый ток падает до 150 А. Такие токи без повреждения диск может пропустить 20 – 30 раз.

После прохождения импульсного тока через разрядник снова начинает протекать ток короткого замыкания промышленной частоты. Сопротивление вилита резко увеличивается по мере приближения тока к нулевому значению, что приводит к искажению формы кривой тока. Это значительно облегчает процесс гашения дуги, так как подводимая в момент близости тока к нулю мощность уменьшится. Активное сопротивление разрядника приближает коэффициент мощности к единице и ограничивает ток, что ведет к уменьшению восстанавливающего напряжения промышленной частоты. Это позволяет гасить электрическую дугу без применения специальных дугогасительных устройств.

Устройство единичного искрового промежутка вентильного разрядника показано на рисунке выше б).

Равномерное электрическое поле обеспечивает форма электродов, что позволяет получить довольно пологую вольт-амперную характеристику. Расстояние между электродами составляет (0,5 – 1) 10 -3 м.

Для облегчения ионизации принимаются надлежащие меры, ввиду ее возникновения из-за затруднения появления заряда в закрытом пространстве при малом времени импульса. Миканитовую прокладку помещают между электродами. Поскольку диэлектрическая проницаемость слюды значительно выше, чем воздуха, то на границе со слюдой, в воздухе, прилегающем к электродам, возникают высокие градиенты, которые и вызывают начальную ионизацию воздуха. К быстрому формированию разряда в центре основного воздушного промежутка приводят образующиеся электроны.

Промежутки соединяют в блоки (рисунок выше б)). Как правило, разрядник имеет несколько таких блоков. Вольт-секундная характеристика последовательно соединенных единичных промежутков позволяет получить пологую защитную характеристику.

После прохода электрического тока через нуль около каждого катода электрическая прочность восстанавливается практически мгновенно. Если электрическая прочность больше восстанавливающегося напряжения – электрическая дуга гаснет. Особенно хорошо данный эффект проявляется при небольших токах (до 100 А), когда термоэлектронной эмиссией с электродов можно пренебречь. Экспериментальным путем было установлено, что единичный промежуток способен отключить сопровождающий ток с амплитудой в 80 – 100 А при действующем значении восстанавливающего напряжения порядка 1 – 1,5 кВ. Количество единичных промежутков выбирается исходя данного напряжения.

Количество дисков рабочего резистора выбирается исходя из значения максимального тока, которое не должно превышать 80 – 100 А. Гашение дуги при этом обеспечивается за один полупериод.

Для обеспечения равномерной нагрузки единичных промежутков при промышленной частоте напряжения, их снабжают специальными нелинейными шунтирующими резисторами (рисунок выше 6). Сопротивление данного резистора берется как можно больше, чтобы сохранить неравномерное распределение при высокой частоте (импульсах). Термическая стойкость дисков рассчитывается на пропускание сопровождающего тока в течении одного – двух полупериодов.

Внутренние перенапряжения могут длиться до 1 с и имеют низкочастотный характер. Из-за небольшой термической стойкости вилит не может использоваться для ограничения внутренних перенапряжений. Для ограничения внутренних перенапряжений может использоваться тервит, который обладает хорошей термической стойкостью. Тервит имеет коэффициент нелинейности α больше, чем у вилита, что приводит к значительному увеличению остающегося напряжения и делает данный материал непригодным для защиты от атмосферных перенапряжений. Поэтому для защиты от внешних и внутренних перенапряжений разрядник выполняется комбинированным. Защита от внутренних перенапряжений осуществляют тервитовыми дисками, а от внешних – вилитовыми.

Для предотвращения срабатывания вентильных разрядников от внутренних перенапряжений нижний предел напряжения срабатывания должен быть не менее чем в 2,7 раза меньше фазного напряжения промышленной частоты.

Работа вентильного разрядника протекает бесшумно. Для фиксации количества срабатываний между заземлением и нижним выводом разрядника устанавливается регистратор. Электромагнитный регистратор является наиболее надежным. Якорь электромагнитного регистратора при прохождении импульсного тока втягивается и воздействует на храповой механизм счетного устройства.

В другом виде регистратора при прохождении импульсного тока сгорает плавкая вставка, что и приводит к поворачиванию счетного механизма на одно деление.

Чтобы повысить защитные характеристики разрядников необходимо уменьшить остающееся напряжение, то есть число дисков. Но при этом произойдет увеличение сопровождающего тока.

Простые промежутки (рисунок б)) не способны отключать токи в 200 – 250 А. В таких случаях применяют камеры магнитного дутья. Магнитное поле создается постоянным магнитом. Возникающая в искровом промежутке дуга подвергается действию магнитного поля, которое «загоняет» ее в узкую щель, стенки которой выполняются из керамики. По такому принципу работают разрядники на напряжение до 500 кВ. Поднять термическую стойкость позволяет увеличение диаметров дисков до 150 мм. В большинстве случаев магнито-вентильные разрядники используются для ограничения внутренних перенапряжений.

Газоразрядники принцип действия

Искровые разрядники: назначение и характеристики

Разрядники представляют собой специальные устройства, предназначенные для ограничения возможного перенапряжения в электросетях и установках. Всплески напряжения опасны тем, что могут вывести оборудование из строя и даже вызвать короткое замыкание. Среди большой группы разрядников, наиболее востребованными являются газовые модели. Они имеют широкие возможности использования в различных сферах и доступной ценой.

Конструкция разрядника

Корпус газового разрядника представляет собой керамическую трубку, два или три электрода, помещенные в нее. Трубка герметично закрыта и заполнена смесью инертных газов, а также особыми присадками. В покое, газ находится в молекулярном состоянии и имеет большое сопротивление.
Основные показатели газового разрядника:

• Напряжение пробоя – от 60 вольт до 5 киловольт;
• Количество энергии, поглощаемое и рассеиваемое разрядником, при этом он не должен разрушиться;
• Собственная емкость;
• Устойчивость к старению;
• Способность к моментальному действию.

Принцип работы

Принцип действия газового разрядника лежит в механизме пробоя газа высоким напряжением (подобно процессам, происходящим в атмосфере при разрядах молнии). При скачках напряжения между электродами возникает дуга, внутри газа происходит ударная ионизация, в результате чего его сопротивление резко уменьшается, и происходит выделение тепла. Газовый разрядник поглощает энергию всплеска, происходит закорачивание цепи.Таким образом, принцип работы газового разрядника можно рассматривать как быстродействующий выключатель. Весь цикл работы устройства можно представить в следующих рабочих состояниях:

• Покой, когда собственное сопротивление газового разрядника выше 1 ГОм, емкость – в пределах нескольких пФ;
• Тлеющий разряд, когда происходит увеличение напряжения и ионизация инертного газа внутри трубки разрядника. Через газ проходит небольшой ток;
• Область электрической дуги – достигается напряжение срабатывания и вспыхивает электрическая дуга, разряд которой может достигать150 кА;
• Короткое замыкание – когда падает внутренне сопротивление разрядника меньше 1 Ом, и возникает короткое замыкание;
• Гашение, когда дуга гаснет и разрядник возвращается в состояние покоя.

Достоинства газового разрядника

К достоинствам работы газового разрядника можно отнести следующее:

• Высокие величины поглощаемой энергии (так как энергия импульса превращается не только в тепловую энергию, но и в оптическое излучение);
• Низкая собственная емкость разрядника;
• Высокое сопротивление в состоянии покоя (более 10 ГОм).

Благодаря высокой эффективности, конструктивным достоинствам и другим особенностям, газовые разрядники широко используются для защиты электрооборудования, в блоках питания, в различной аппаратуре, занимающейся приемом-передачей информации, для защиты мобильных станций, компьютерных модемов, измерительного оборудования и др. Газовый разрядник купить сегодня не составит труда. Для этого стоит зайти на любой сайт специализированных интернет магазинов, где они представлены в широком ассортименте от разных производителей – отечественных и зарубежных.