9 Устройства защиты от перенапряжений
Разрядником называют аппарат, предназначенный для защиты изоляции электроустановок от атмосферных перенапряжений и позволяющий после срабатывания и ликвидации перенапряжения немедленно восстановить нормальную изоляцию сети по отношению к земле. Разрядники ограничивают атмосферные, а в некоторых случаях (типа РВМК) и внутренние перенапряжения.
Разрядники бывают двух типов – трубчатые и вентильные.
Рис. 9.1. Схема, поясняющая принцип действия искрового промежутка
Простейшим разрядником является искровой промежуток (рис. 1). Он состоит из двух электродов, из которых один соединен с токоведущей частью, а второй — с заземлителем. В нормальном рабочем режиме линии воздушный промежуток отделяет один электрод от другого. Если же по линии распространяется волна перенапряжения U(t), то при определенном напряжении Uпp происходит пробой искрового промежутка. Часть волны перенапряжения, успевшая пройти до момента пробоя искрового промежутка и определяемая зависящим от расстояния между электродами временем разряда tразр, доходит
до распределительного устройства. Оставшаяся часть волны уходит в землю через электрическую дугу, возникшую в искровом промежутке. Запаздывание разряда на tразр — недостаток искрового промежутка. К недостаткам его относится также плохое гашение электрической дуги из-за отсутствия гасителей. Для лучшего гашения дуги приходится увеличивать расстояние между электродами, что приводит к увеличению времени и части волны U(t), пропускаемой разрядником.
Рис. 9.2. Трубчатый (а) и вилитовый
(б) разрядники
1 — стержень; 2 — фибровая трубка; 3, 4 — искровые промежутки; 5 — вилитовые диски; 6 — фарфоровый кожух
Трубчатым разрядником называют аппарат состоящий из соединенных последовательно внешнего (открытого) искрового промежутка (который может быть выполнен в виде рогов) и внутреннего, расположенного внутри трубки.
Если поместить искровой промежуток в трубку из органического стекла (плексигласа) или фибры, то при возникновении дуги трубка выделит много газа под действием высокой температуры. Газ создаст дутье через дуговой столб, улучшив условия гашения дуги. Разрядники такой конструкции, называемые трубчатыми (рис. 9.2, а), применяют на линиях электропередачи. Они не избавлены от запаздывания срабатывания. Стержневой электрод разрядника заземляют. Разрядники устанавливают на всех трех фазах.
Когда на проводе линии у места установки разрядника возникает перенапряжение достаточной величины, оба последовательно соединенных искровых промежутка пробиваются и через разрядник и его заземление проходит ток грозового разряда, благодаря чему величина напряжения на линии снижается. При одновременном срабатывании разрядников на двух или трех фазах или на одной фазе в сетях с глухозаземленными нейтралями под действием рабочего напряжения возникает короткое замыкание. Ток короткого
замыкания протекает через разрядник; между искровыми промежутками образуется электрическая дуга. Под действием высокой температуры дуги внутри трубки выделяется большое количество газов. Газы вырываются из трубки под давлением 100 – 500 атм, производя активную деионизацию дуги. Дуга погасает; нормальная изоляция сети по отношению к земле восстанавливается.
Время гашения дуги составляет один-два полупериода. За это время релейная защита линии не успевает срабатывать, ее выключатель не отключается, и линия сохраняется в работе. Разрядник после гашения дуги вновь готов к работе. Внешний искровой промежуток П2 служит для отделения трубки разрядника от провода линии. Без внешнего промежутка напряжение линии, непрерывно воздействуя на трубку разрядника, вызывало бы прохождение по поверхности трубки токов утечки и как следствие обугливание ее, а с течением времени и сгорание трубки.
Отечественные заводы изготовливали трубчатые разрядники на напряжение 10, 35 и 110 кВ. Для создания необходимой механической прочности фибровая трубка сверху покрыта бакелизированной бумагой. Для определения срабатывания разрядника имеется указатель действия, выполненный в виде бронзовой полоски, которая выдувается газами при срабатывании.
Трубчатые разрядники предназначались для установки на воздушных линиях электропередачи 35 – 110 кВ в местах с ослабленной изоляцией, на пересечениях линий, а также на подходах воздушных линий к подстанциям напряжением 10 кВ и выше.
Вентильным разрядником называют аппарат, состоящий из искровых промежутков и переменного, зависящего от напряжения сопротивления.
Вилитовые разрядники (рис. 9.2, б) состоят из рабочего сопротивления и искрового промежутка, включенных последовательно. Искровой промежуток выполняет ту же роль, что и в разрядниках других типов. Назначение рабочего сопротивления – снизить ток, протекающий после разряда, и улучшить условия гашения дуги. Вилитовые разрядники — наиболее усовершенствованные устройства для защиты электрооборудования электростанций и подстанций от возникающих перенапряжений.
Искровой промежуток 4 и рабочее сопротивление, набираемое из вилитовых дисков 5, помещают в фарфоровый кожух 6. В качестве сопротивления используют вилит – материал, состоящий из карборунда и графита в порошкообразном виде. Для связи этих материалов в общую массу применяют растворимое стекло. Вилитовые сопротивления изготовляют в виде прессованных дисков толщиной 20 и диаметром 75 – 100 мм. Характерной особенностью вилита является зависимость его электрического сопротивления (нелинейное сопротивление) от приложенного напряжения: чем выше приложенное напряжение, тем меньше сопротивление вилита, и наоборот. В результате ток, протекающий через разрядник после разряда под действием рабочего напряжения в линии, уменьшается в несколько раз. При этом искровой промежуток надежней гасит дугу. Разделение искрового промежутка на несколько единичных промежутков улучшает условия гашения дуги в разряднике.
Число единичных искровых промежутков и вилитовых дисков в вилитовом разряднике должно быть тем больше, чем выше номинальное напряжение защищаемого распределительного устройства.
Разрядник высокого напряжения состоит из нескольких вилитовых дисков и последовательно соединенных с ними искровых промежутков. Со стороны искровых промежутков разрядник присоединяют к фазному проводу защищаемой установки; с другой стороны разрядник присоединяют к заземлителю. Разрядники подключаются ко всем трем фазам.
При возникновении перенапряжения достаточной величины, искровые промежутки разрядника пробиваются и через вилитовые диски и заземление устремляется ток; величина перенапряжения снижается. Так как в первый момент пробоя искровых промежутков к вилитовым дискам прикладывается большое напряжение, то сопротивление вилита становится малым, а ток разряда большим, что очень эффективно снижает величину перенапряжения.
При одновременном срабатывании разрядников на нескольких фазах или одной фазе в сетях с глухозаземленными нейтралями через разрядники создается короткое замыкание с протеканием тока короткого замыкания рабочей частоты (сопровождающий ток). Так как после срабатывания разрядника величина перенапряжения снижается, то сопротивление вилита резко увеличивается. Благодаря этому ток короткого замыкания рабочей частоты уменьшается и после первого перехода через нулевое значение прекращается; разрядник вновь оказывается готовым к работе.
Вилитовые разрядники изготовляют на номинальные напряжения установок до 220 кВ включительно. Вилитовые разрядники устанавливают обычно в РУ станций и подстанций, связанных с воздушными линиями электропередачи.
Разрядники вентильные серии РВС от 110 до 220 кВ предназначены для защиты от атмосферных перенапряжений изоляции электрооборудования переменного тока частотой 50 и 60 Гц. Изготавливаются для сетей с эффективно заземленной нейтралью.
Кроме указанных выше разрядников существуют еще другие типы устройств:
Магнитовентильный разрядник (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.
Cтержневые искровые промежутки также известные как «дугозащитные рога» применяются для защиты от пережога защищенных проводов и перевода однофазного КЗ в двухфазное. Для возникновения дуги необходим ток КЗ 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.
Ограничитель перенапряжения нелинейный (ОПН) – это аппарат защиты электрооборудования от перенапряжений без искровых промежутков. ОПН на сегодняшний день являются наиболее эффективным средством защиты оборудования электрических сетей. Данные аппараты обладают достаточно высокими эксплуатационными свойствами и надежностью.
Рис. 9.3. Внешний вид ОПН 27-220 кВ
Активная часть ОПН состоит из легированного металла, при подаче напряжения он ведет себя как множество последовательно соединенных варисторов. Принцип действия ОПН основан на том, что проводимость варисторов нелинейно зависит от приложенного напряжения. При отсутствии перенапряжений ОПН не пропускает ток, но как только на участке сети возникает перенапряжение, сопротивление ОПН резко снижается, чем и обуславливается эффект защиты от перенапряжения. После окончания действия перенапряжения на выводах ОПН, его сопротивление опять возрастает. Переход из «закрытого» в «открытое» состояние занимает единицы наносекунд (в отличие от разрядников с искровыми промежутками, у которых это время срабатывания может достигать единиц микросекунд).
Нелинейные ограничители перенапряжений предназначены для использования в качестве основных средств зашиты электрооборудования станций и сетей среднего и высокого классов напряжения переменного тока промышленной частоты от коммутационных и грозовых перенапряжений. При их разработке были использованы последние технологические достижения и опыт эксплуатации ОПН в отечественной и зарубежной практике. Ограничите
ли рекомендуется применять вместо вентильных разрядников соответствующих классов напряжения при проектировании, эксплуатации, техническом перевооружении и реконструкции электроустановок.
ОПН 6-110 кВ с полимерной изоляцией, по сравнению с вентильными разрядниками, обладают целым рядом преимуществ:
варисторы, применяемые в ОПН, обладают высокой стабильностью, которая не изменяется в процессе длительной эксплуатации;
большое быстродействие срабатывания ОПН при коммутационных и грозовых перенапряжениях;
отличные пиковые характеристики ОПН в широком диапазоне рабочей температуры;
применение варисторов в одно колонковом исполнении позволяет обеспечить особенно глубокое ограничение напряжений и, соответственно, более высокую надежность работы оборудования и улучшение параметров сети;
уменьшение габарита и веса ОПН в 10 — 20 раз позволяет установить их непосредственно вблизи защищаемого оборудования;
высокая механическая прочность и малая масса ОПН позволяет устанавливать их на ВЛ 6-110 кВ без усиления конструкции опор;
ОПН в полимерном корпусе не требуют специального обслуживания, не повреждаются при транспортировке и хранении;
малые массо-габариты ОПН позволяют легко выполнять их монтаж при минимальном использовании техники.
Трубчатые разрядники серии
РТВ 10 – 110 кВ
Разрядники вентильные РВС
Искровые промежутки ИП
Искровые промежутки ИП-3, ИПМ-62, ИПЗ-1 для контактной сети ж/д
Промежутки искровые ИП предназначены для защиты арматуры опор и фундаментов от протекания блуждающих токов и пропуска токов в рельсовую цепь при пробое изоляции на контактной сети железных дорог и высоковольтных линий продольного электроснабжения, проходящей по опорам. Они служат для защиты подземных сооружений от электрокоррозии токами, стекающими с рельсов через заземляющие проводники и арматуру фундаментов в грунт в соответствии с потенциалами рельс — земля и сопротивлениями, которые зависят в основном от тягового тока и имеют различные зоны вдоль пути (с катодной зоной вблизи подстанции). Величина тока, стекающего с опоры, зависит от сопротивления рельс — земля.
Искровые промежутки в нормальных условиях врезают в заземляющий проводник, изолируя опоры от рельсов. Когда на опору попадает высокое напряжение (800 В), происходит пробой искрового промежутка и наступает глухое заземление на рельс. Конструктивно искровые промежутки могут быть однократного и многократного действия.
Промежуток искровой ИП-3 многократного действия
Искровой промежуток ИП-3 имеет изоляцию между выводами при снятой вставке 10 МОм и обеспечивает пропуск ударного тока при одностороннем питании с импульсом 7 — 9 кА и временем протекания 0,04 — 0,06 с; при двустороннем питании — с таким же импульсом и последующим протеканием в течение 0,3 с, а также однократное АПВ с интервалом 6 — 10 с.
Технические характеристики ИП-3
- Пробивное напряжение постоянным током — от 1,3 до 1,7 кВ;
- Габаритные размеры, мм, не более: диаметр — 62 мм, высота — 252 мм;
- Масса, не более — 0,85 кг
- Вид климатического исполнения — УХЛ1 от минус 60°С до плюс 40°С.
Искровой промежуток ИПМ-62
Искровой промежуток ИПМ-62 состоит из корпуса с крышкой, внутри которого находится съемная вставка с двумя контактными шайбами и слюдяными прокладками между ними. Для предотвращения приваривания съемной вставки к крышке при пробое промежутка предусмотрен экран в виде карболитового кольца. Пробивное напряжение такого искрового промежутка составляет 800 — 1200 В. На опорах с роговыми разрядниками устанавливают по два искровых промежутка, если провод заземленного рога не изолирован от опоры.
ИПМ предназначены для эксплуатации в условиях умеренного климата.
Технические характеристики ИПМ-62
- Пробивное напряжение — 0,8 — 1,2 кВ
- Диаметр — 65 мм
- Высота — 260 мм
- Масса — 1 кг
В качестве ИПМ рекомендуется применять газоразрядный прибор защиты ГРПЗ-1У, обладающий улучшенными параметрами влагозащищенности и коррозионной стойкости, а также имеющий по сравнению с ИПМ-62 лучшие технические характеристики, приведенные в таблице:
Для защиты от чего применяют искровые промежутки
Искровые промежутки являются самым простым и дешевым устройством защиты от перенапряжений, в настоящее время применяется редко. В сетях напряжением 3..35 кВ могут выполняться в виде рогов, способствующих растягиванию и гашению дуги из-за электродинамических сил и тепловых потоков. В сетях до 35 кВ длина защитного промежутка мала, и для предотвращения замыкания промежутка птицами в заземляющих спусках создаются дополнительные искровые промежутки.
Параметры искровых промежутков приведены в табл. 16.2 (по данным работы [7]).
Номинальное напряжение, кВ
Длина основного промежутка, мм
Длина дополнительного промежутка, мм
Амплитуда пробивного напряжения 50 Гц, кВ ампл.
Импульсное пробивное напряжение, кВ (для отрицательного импульса)
Искровые промежутки обладают целым рядом недостатков, основные из которых следующие:
— срабатывание искровых промежутков приводит к короткому замыканию, которое должно отключаться выключателями; при переходном процессе среза напряжения могут возникнуть перенапряжения на продольной изоляции трансформаторов, реакторов и электрических машин;
— большой статистический разброс пробивных напряжений затрудняет координацию изоляции;
— вольт-секундная характеристика искрового промежутка из-за резкой неоднородности поля имеет подъем в области малых времен, соответствующих грозовым перенапряжениям, и защищаемая изоляция может остаться незащищенной (рис. 16.1).
Рис. 16.1. Вольт-секундные характеристики изоляции (1) и искрового промежутка с резконеоднородным полем (2)
Достаточно широко применяемые на контактной сети роговые разрядники выполняются либо с одним искровым промежутком, либо с двумя искровыми промежутками (рис. 16.2). Действующие <Правила устройства и технической эксплуатации контактной сети> требуют применения роговых разрядников с двумя искровыми промежутками.
Рис. 16.2. Роговые разрядники, применяемые на контактной сети
Параметры роговых разрядников приведены в табл. 16.3 (по данным работы [2]).
Использование разделительных искровых разрядников для защиты изолирующих фланцевых соединений трубопроводов
В процессе эксплуатации трубопроводы подвергаются различным воздействиям, которые могут снижать срок их службы и негативно влиять на связанные с ними технологические системы, приводя к повреждениям и сбоям в их работе. Одну из основных опасностей представляют протекающие в земле блуждающие токи, источником которых являются контактные сети электрифицированных железных дорог и других видов электрического транспорта.
Механизм воздействия блуждающих токов на подземно проложенный трубопровод показан на рис. 1.
Рис. 1. Протекание блуждающих токов, вызванных работой контактных сетей электрифицированного транспорта, по проложенному в земле трубопроводу
Протекание блуждающих токов вызывает электрохимическую коррозию, которая является причиной ускоренного разрушения трубопроводов. Чтобы избежать этого, необходимо предусмотреть устройство электрохимической защиты трубопровода. Одним из самых простых и распространенных на практике способов является применение изолирующих фланцевых соединений (ИФС), которые обеспечивают электрическую изоляцию одного участка трубопровода от другого, тем самым предотвращая протекание электрического тока вдоль трубопровода. ИФС обычно состоит из двух или трех фланцев, между которыми расположены изолирующие прокладки, а их соединение между собой осуществляется с помощью шпилек, также изолированных от фланцев посредством втулок из диэлектрического материала. Пример изолирующего фланцевого соединения показан на рис. 2.
Рис. 2. Изолирующее фланцевое соединение
Применение изолирующих фланцевых соединений является простым и достаточно надежным решением, однако, как показал многолетний опыт эксплуатации, ИФС являются уязвимыми к воздействию разрядов молнии, причем это относится не только к открыто прокладываемым трубопроводам, которые могут быть поражены в результате прямого попадания молнии, но и к трубопроводам, размещенным под землей. Дело здесь в искровых плазменных каналах, которые распространяются в объеме грунта после удара молнии в землю и проводят значительную часть тока молнии. Развиваясь в земле, искровой канал может легко достигнуть подземного трубопровода и далее ток молнии будет протекать уже по его поверхности. Подробно механизм развития искровых каналов в грунте описан в [1]. При усредненных токах молнии и значениях удельного сопротивления грунта их длина может достигать 20 – 40 м от точки удара.
Как следствие, подземный трубопровод длиной десятки километров, проложенный в средней полосе России, в среднем может испытывать воздействие токов до 10 молний в год.
Сама по себе металлическая труба и фланцы ИФС едва ли пострадают в результате протекания токов молнии, ведь толщина их стенки обычно больше 4 мм, а при таких толщинах молния не может ни проплавить, ни разогреть стенку трубы с внутренней стороны до опасных температур. Но, именно изолирующая вставка фланцевого соединения, необходимая для предотвращения электрохимической коррозии, и является слабым звеном при воздействии тока молнии. Ее изоляция не рассчитана на столь высокие напряжения, которые возникают при разряде молнии, поэтому она будет легко пробита, а канал тока молнии, имеющий очень высокую температуру, при взаимодействии с изоляционным материалом будет приводить к его разложению, что, в свою очередь, под действием высокого давления трубопровода может привести к вырыванию вставки и утечке взрывоопасной среды, создавая повышенную угрозу взрыва и пожара.
Избежать столь опасных последствий можно, защитив изолирующую вставку фланца посредством ее шунтирования с помощью специального искрового разрядника. С учетом жестких промышленных требований, предъявляемых к надежности трубопроводов, компания DEHN + SÖHNE разработала разделительные искровые разрядники EXFS 100 и EXFS 100 KU (рис. 3), которые пропустив через себя импульсные токи молнии вплоть до максимальных величин, предотвратят их воздействие на изолирующее фланцевое соединение и тем самым обеспечат безопасность трубопровода.
Рис. 3. Разделительные искровые разрядники DEHN + SÖHNE: а) стандартного исполнения типа EXFS; б) с возможностью подземного монтажа типа EXFS 100 KU
Разрядники EXFS 100. имеют взрывозащищенное исполнение и могут использоваться во взрывоопасных зонах класса 1 согласно ГОСТ Р 51330.9-99. Пропускная способность по току молнии равна 100 кА (10/350 мкс), что соответствует классу H согласно [2], т.е. максимально тяжелому режиму работы. Выдерживаемое напряжение промышленной частоты составляет 250 В, а номинальное импульсное пробивное напряжение – 1250 В. Разрядник EXFS 100 имеет стандартное исполнение для применения на наземных участках трубопроводов. Для удобства его монтажа предлагаются плоские и угловые крепежные скобы из оцинкованной стали с различными диаметрами отверстий под шпильку фланцевого соединения, а также, медные соединительные проводники длиной 100, 200 или 300 мм в комплекте с кабельными наконечниками. Разрядник EXFS 100 KU более универсален и может применяться как для наземного, так и подземного монтажа за счет специальной водонепроницаемой оболочки. В состав конструкции входят также два соединительных проводника длиной 2 м и сечением 25 мм 2 . При необходимости длина проводников может быть уменьшена, что позволяет осуществлять монтаж разрядников на фланцевые соединения различных габаритов. Пример установки разделительного искрового разрядника EXFS 100 на ИФС показан на рис. 4.
Рис. 4. Пример шунтирования изолирующего фланцевого соединения с помощью разделительного искрового разрядника EXFS 100
Применение разделительных искровых разрядников EXFS позволяет существенно увеличить эксплуатационную надежность трубопроводов в условиях грозовой деятельности. Однако, следует помнить, что современные трубопроводы являются комплексной системой и содержат также значительное количество вспомогательного оборудования, такого, как установки катодной защиты, средства связи и телемеханики и др. Для обеспечения надежного функционирования системы в целом необходимо также предусмотреть защиту и ее составляющих. Все необходимые для решения этой задачи комплектующие можно также найти в каталоге компании DEHN + SÖHNE «Устройства защиты от импульсных перенапряжений».
Как работают искровые разрядники?
В линиях электропередачи из-за атмосферных явлений, а также процессов коммутации, нередко возникают импульсные перенапряжения. Импульсные перенапряжения из-за атмосферных явлений могут возникать также в проводных системах связи на медных кабелях, а также антенных сооружений систем радиосвязи. Резкие броски напряжения способны разрушать изоляцию проводов. Также указанные явления могут приводить к выходу аппаратуры из строя. Для борьбы с перенапряжениями применяются устройства, именуемые разрядниками. Их задача — быстро соединить линию подвергшеюся опасности с заземлением, тем самым «сбросить» разрушительный электрический заряд. Ни электромеханические системы (реле), ни даже устройства с микропроцессорным управлением не способны заменить простые и дешевые разрядники, отличающиеся от прочих «выключателей» высоким быстродействием.
Защитные устройства с нелинейным сопротивлением (варисторы) часто также относят к разрядникам, хотя принцип их работы другой
Наиболее массовый класс разрядников, исторически появившийся первым — так называемые искровые разрядники. В их основе лежит явление электрического разряда в газе, отсюда и появилось слово «разрядник». Сейчас для защиты изоляции и аппаратуры используют также твердотельные устройства, обладающие нелинейным сопротивлением (варисторы) — при росте напряжения, приложенного к электродам, сопротивление резко падает. Такие устройства также называют разрядниками, хотя никакого разряда в них физически не происходит. Мы расскажем о принципе работы именно искровых разрядников.
Устройство искрового разрядника
Конструкция типичного искрового разрядника содержит в себе следующие основные элементы: герметичную камеру, заполненную газом, электроды, устройство гашения дуги.
Когда напряжение на электродах не выше порогового значения, разрядник находится в состоянии покоя. Внутреннее сопротивление (до 1 ГОм) в этом режиме можно считать бесконечно большим.
При увеличении напряжения выше порогового значения на электродах в газе возникает сначала тлеющий разряд, в результате чего напряжение на выводах падает до 80 В. При этом газ разогревается, растет ток через него, что быстро приводит к возникновению дугового разряда, когда внутри устройства образуется плазменный канал низким сопротивлением. После перехода в данное состояние через разрядник протекает значительный ток (до 150 килоампер), а напряжение на выводах падает до значения около 20 В.
Одноразовые и самовосстанавливающиеся разрядники
Одноразовый искровой разрядник не сможет защитить изоляцию и аппаратуру от повторного действия молнии. После завершения своего действия он представляет собой перемычку с сопротивлением, близким к нулю. В сетях электропитания такая перемычка вызывает срабатывание защиты, отключающей подачу электроэнергии. В телекоммуникационных сетях прерывается связь, что вызывает срабатывание сигнализации. После получения сигнала об обесточивании или прерывании связи на место выезжает специалист, заменяющий одноразовый разрядник.
Простейший вариант реализации одноразового разрядника — электроды внутри камеры, выполненные из металла, который расплавляется под действием высокой температуры. Более сложный вариант — перемычка, закрепленная на стенке камеры каплей легко плавящегося металла. При дуговом разряде эта капля расплавляется и перемычка соединяет электроды. Вероятно, вы уже догадались о том, что одноразовый искровой разрядник не самое лучшее решение для защиты электрических линий и устройств.
Самовосстанавливающийся искровой разрядник способен возвращаться в состояние покоя ограниченное число раз. Иногда такой разрядник используют совместно со счетчиком срабатываний, который позволяет оценить грозовую нагрузку и ожидаемый срок службы устройства.
Проблемы технической реализации
Основной проблемой при построении самовосстанавливающегося искрового разрядника является необходимость гашения дуги. Дело в том, что процесс дугового разряда является самоподдерживающимся. После того, как импульс прошел, плазменный канал продолжает существовать какое-то время, при этом защищаемая линия замкнута на землю. Если канал не погасить, сработает защита линии от короткого замыкания, что в общем случае нельзя допустить. А, если речь идет о телекоммуникационных применениях, то прерывается связь. В добавок ко всему, от нагрева разрядник просто разрушается. Для гашения дуги используются разнообразные средства, по конструкции которых и различаются типы искровых разрядников.
Другая проблема — защита симметричной линии, что особенно актуально для использования в телекоммуникационной отрасли. Оба провода защищены путем соединения их разрядниками с «землей». Из-за разницы параметров разрядников может возникнуть ситуация, когда один разрядник сработает, а другой нет, что может только усугубить ущерб от импульсных перенапряжений. Поэтому для защиты симметричных линий применяются трехэлектродные разрядники (не путать с управляемыми разрядниками, которые также имеют три электрода). Они представляют собой фактически два разрядника в виде одного устройства и с общем выводом «земли», выполненные в едином производственном цикле. Благодаря этому их технические характеристики полностью идентичны.
Методы гашения дуги
Обеспечение гашение дуги в заданный промежуток времени может быть обеспечено применением специального газа, который подавляет электрическую дугу при силе тока ниже порогового значения. Но на практике такой способ применяется редко, недостатком подобных разрядников является низкая стабильность ресурса использования. То есть, количество возможных срабатываний можно наперед определить только приблизительно.
Трехэлектродный разрядник с термореле производства компании CITEL
Более распространенный способ, когда речь идет о телекоммуникационных применениях — разрядник с термореле. В таких разрядниках используются прочные электроды, способные выдержать многократное срабатывание. Параллельно разряднику включается термореле. При возникновении дугового разряда камера нагревается и термореле срабатывает, шунтируя разрядник. Напряжение на разряднике падает до нулевого значения и дуговой разряд прекращается. После охлаждения термореле его контакты размыкаются и разрядник переходит в состояние покоя. Разрядники с термореле выдерживают до 10 срабатываний.
В вентильном разряднике для гашения дуги используется нелинейное сопротивление
На протяжении многих десятилетий на электрических сетях широко используются вентильные разрядники. Они представляют собой последовательно соединенный газовый разрядник и нелинейное сопротивление. В нашей стране обычно используются сопротивления из вилита — композиционного материала на основе карбида кремния. Сопротивление вилитового резистора тем меньше, чем больше сила тока. Когда происходит импульсное перенапряжение и срабатывает разрядник, сила тока через резистор резко возрастает и его сопротивление снижается. Но когда импульс прошел и продолжается самоподдерживающийся дуговой разряд, сила тока падает, сопротивление резистора возрастает, что приводит к уменьшению напряжения на контактах разрядника. Таким способом гасится дуговой разряд. Вентильный разрядник выдерживает до 20 срабатываний.
Разновидностью вентильного разрядника является магнитовентильный, где для гашения дуги дополнительно используется магнитное поле.
Несколько выбивается из общего ряда трубчатый разрядник, который также относится к искровым. В нем камера не является герметичной и заполнена твердым веществом — поливинилхлоридом. «Земля» выполнена в виде трубки, другой электрод выполнен в виде стержня, коаксиально расположенного в этой трубе. При искровом разряде в толще поливинилхлорида вырабатывается газ, стремящийся выйти наружу. Течение газа осуществляет гашение дуги. Трубчатые разрядники выдерживают до 10 срабатываний. Их основное преимущество — дешевизна, но в остальном их характеристики находятся не на самом высоком уровне, поэтому такие разрядники постепенно заменяют твердотельными.
Специальные типы разрядников
Выпускаются управляемые разрядники, имеющие три электрода. Они используются не для защиты оборудования, а для коммутации больших импульсов энергии. Третий электрод нужен для управления током, текущим между двумя другими электродами.
Для защиты изоляторов ЛЭП применяются длинно искровые разрядники, основанные на принципе скользящего разряда. Этот тип разряда возникает на диэлектрической поверхности и не может переходить в дуговой разряд, что отменяет необходимость в дугогасительных устройствах. В последнее время на смену длинной искровым разрядникам приходят мультикамерные, в которых гашение дуги происходит потоком газа, вырабатываемом при разряде. Как длинно искровые, так и мультикамерные разрядники были изобретены российскими учеными.
Выводы
Искровые разрядники находят свое применение как недорогие надежные устройства, способные выдерживать большие нагрузки. В телекоммуникационных приложениях использование варисторов ограничено из-за высокой емкости. В то же время, целесообразность их использования во многом упирается в экономику. Вентильный разрядник — дорогое устройство, требующее замены через каждые 20 срабатываний. Разница в стоимости между твердотельным и вентильным разрядниками полностью перекрывается более высокими затратами на эксплуатацию, так что твердотельный разрядник предпочтительнее.
Искровые разрядники применяются для уравнивания потенциалов в системах молниезащиты
Применение искровых разрядников в телекоммуникационных и сетях низковольтного электроснабжения необходимо и оправдано. В системах молниезащиты они очень востребованы благодаря надежности и возможности пропускать через себя большие токи. Примером тому могут служить разделительные разрядники Leutron, выдерживающие силу тока до 100 килоампер.
Искровой разрядник — Spark gap
A Искровой разрядник состоит из двух проводящих электроды разделены зазором, обычно заполненным газом, например воздухом, и предназначены для пропускания электрической искры между проводниками. Когда разность потенциалов между проводниками превышает напряжение пробоя газа внутри промежутка, образуется искра, ионизирующая газ и резко снижающая его электрическое сопротивление. Затем электрический ток течет до тех пор, пока путь ионизированного газа не прервется или ток не упадет ниже минимального значения, называемого «ток удержания». Обычно это происходит, когда напряжение падает, но в некоторых случаях происходит, когда нагретый газ поднимается, растягиваясь и затем разрывая нить ионизированного газа. Обычно ионизация газа носит резкий и разрушительный характер, часто приводя к звуку (от щелчка свечи зажигания до грохота для молниеносный разряд), свет и тепло.
Искровые разрядники исторически использовались в раннем электрическом оборудовании, таком как радиопередатчики с искровым разрядником, электростатические аппараты и рентгеновские аппараты. На сегодняшний день наиболее широко они используются в свечах зажигания для воспламенения топлива в двигателях внутреннего сгорания, но они также используются в молниеотводах и других устройствах для защиты электрических цепей. оборудование от высоковольтных переходных процессов.
Содержание
- 1 Напряжение пробоя
- 2 Видимость искры
- 3 Области применения
- 3.1 Устройства зажигания
- 3.2 Защитные устройства
- 3.3 Высокоскоростная фотосъемка
- 3.4 Радиопередатчики
- 3.5 Сферический зазор для измерения напряжения
- 3.6 Устройства переключения питания
- 3.7 Визуальные развлечения
Напряжение пробоя
Для воздуха прочность на пробой составляет около 30 кВ / см на уровне моря.
Видимость искры
Свет, излучаемый искрой, не исходит от тока электронов, но из материальной среды , флуоресцирующей в ответ на столкновения электронов. Когда электроны сталкиваются с молекулами воздуха в зазоре, они возбуждают свои орбитальные электроны на более высокие уровни энергии. Когда эти возбужденные электроны возвращаются к своим исходным уровням энергии, они излучают энергию в виде света. Образование видимой искры в вакууме невозможно. Без промежуточного вещества, способного к электромагнитным переходам, искра будет невидимой (см. вакуумная дуга ).
Применения
Искровые разрядники необходимы для функционирования ряда электронных устройств.
Устройства зажигания
A свеча зажигания. Искровой промежуток находится внизу.A свеча зажигания использует искровой промежуток для инициирования возгорания. Теплота ионизационного следа, но, что еще важнее, УФ-излучение и горячие свободные электроны (оба вызывают образование реактивных свободных радикалов) воспламеняют топливно-воздушную смесь внутри двигателя внутреннего сгорания или горелки в печь, духовка или плита. Чем больше УФ-излучения производится и успешно распространяется в камеру сгорания, тем дальше продолжается процесс сгорания.
Главный двигатель космического корабля водородно-кислородная пропеллентная смесь воспламенилась с помощью искрового запальника.
Защитные устройства
Переключающие контакты на мультиметре, действующие как искровой разрядник на печатной плате.Искровые разрядники часто используются для предотвращения скачков напряжения и повреждения оборудования. Искровые разрядники используются в высоковольтных выключателях, в трансформаторах большой мощности , на электростанциях и электрических подстанциях. Такие переключатели сконструированы с большим дистанционно управляемым переключающим ножом с шарниром в качестве одного контакта и двумя пластинчатыми пружинами, удерживающими другой конец в качестве второго контакта. Если нож открыт, искра может сохранить проводимость соединения между ножом и пружиной. Искра ионизирует воздух, который становится проводящим и позволяет образоваться дуге, которая поддерживает ионизацию и, следовательно, проводимость. Лестница Иакова наверху переключателя вызовет подъем дуги и в конечном итоге погаснет. Можно было также найти небольшие лестницы Иакова, установленные на керамических изоляторах высоковольтных опор. Иногда их называют роговыми промежутками. Если искра когда-нибудь сможет перепрыгнуть через изолятор и вызвать дугу, она погаснет.
Меньшие искровые разрядники часто используются для защиты чувствительного электрического или электронного оборудования от скачков высокого напряжения . В сложных версиях этих устройств (называемых разрядниками с газовой трубкой) небольшой искровой разрядник выходит из строя во время аномального скачка напряжения, безопасно шунтируя скачок напряжения на землю и тем самым защищая оборудование. Эти устройства обычно используются для телефонных линий при входе в здание; искровые разрядники помогают защитить здание и внутренние телефонные цепи от воздействия ударов молнии. Менее сложные (и гораздо менее дорогие) разрядники изготавливаются с использованием модифицированных керамических конденсаторов ; в этих устройствах искровой промежуток — это просто воздушный зазор , прорезанный между двумя подводящими проводами, которые соединяют конденсатор с цепью. Скачок напряжения вызывает искру, которая перескакивает от подводящего провода к подводящему проводу через зазор, оставшийся в процессе резки. Эти недорогие устройства часто используются для предотвращения повреждения дуги между элементами электронной пушки (ей) внутри электронно-лучевой трубки (ЭЛТ).
Маленькие искровые разрядники очень распространены в телефонные коммутаторы, поскольку длинные телефонные кабели очень чувствительны к импульсным скачкам напряжения от ударов молнии. Большие искровые разрядники используются для защиты линий электропередачи.
Искровые разрядники иногда реализуются на печатных платах в электронных продуктах с использованием двух близко расположенных открытых следов печатной платы. Это практически нулевой метод добавления грубой защиты от перенапряжения к электронным изделиям.
Transils и trisils — это твердотельные альтернативы искровым разрядникам для приложений с низким энергопотреблением. Неоновые лампы также используются для этой цели.
Высокоскоростная фотосъемка
Фотография стрельбы Smith Wesson, сделанная со вспышкой с воздушным зазором. Фотография была сделана в затемненной комнате с открытым затвором камеры, и вспышка сработала по звуку выстрела с помощью микрофона.Используется срабатывающий искровой разрядник в вспышке с воздушным зазором для создания фотографических световых вспышек в субмикросекундной области.
Радиопередатчики
Трубка с искровым разрядникомИскра излучает энергию во всем электромагнитном спектре. В настоящее время это обычно рассматривается как незаконное радиопомехи и подавляется, но на заре развития радиосвязи (1880–1920 гг.) Это было средством передачи радиосигналов, в немодулированный передатчик искрового разрядника. Многие радиоискровые разрядники включают в себя охлаждающие устройства, такие как поворотный зазор и радиаторы, поскольку искровой промежуток сильно нагревается при непрерывном использовании на высокой мощности.
Сферический зазор для измерения напряжения
Калиброванный сферический искровой промежуток выйдет из строя при очень повторяемом напряжении, если его скорректировать на давление, влажность и температуру воздуха. Зазор между двумя сферами может обеспечить измерение напряжения без использования электроники или делителей напряжения с точностью около 3%. Искровой разрядник можно использовать для измерения высокого напряжения переменного и постоянного тока или импульсов, но для очень коротких импульсов на один из выводов можно подключить ультрафиолетовый источник света или радиоактивный источник. для обеспечения источника электронов.
Устройства переключения мощности
Искровые разрядники могут использоваться в качестве электрических переключателей, поскольку они имеют два состояния с существенно различным электрическим сопротивлением. Сопротивление между электродами может достигать 10 Ом, когда электроды разделены газом или вакуумом, что означает, что небольшой ток протекает даже при наличии высокого напряжения между электродами. Сопротивление падает до 10 Ом, когда электроды соединены плазмой, что означает, что рассеиваемая мощность низка даже при высоком токе. Эта комбинация свойств привела к использованию искровых разрядников в качестве электрических переключателей в приложениях импульсной мощности, где энергия накапливается при высоком напряжении в конденсаторе , а затем разряжается при высоком токе. Примеры включают импульсные лазеры, рельсотроны, генераторы Маркса, термоядерный синтез, сверхсильное импульсное магнитное поле исследование и срабатывание ядерной бомбы.
Когда искровой разрядник состоит только из двух электродов, разделенных газом, переход между непроводящим и проводящим состояниями регулируется законом Пашена. При типичных комбинациях давления и расстояния между электродами закон Пашена гласит, что разряд Таунсенда заполняет зазор между электродами проводящей плазмой всякий раз, когда отношение напряженности электрического поля к давлению превышает константу. значение определяется составом газа. Скорость, с которой можно снизить давление, ограничивается дросселированным потоком, в то время как увеличение электрического поля в цепи разряда конденсатора ограничивается емкостью в цепи и током, доступным для зарядки емкости. Эти ограничения на скорость, с которой может инициироваться разряд, означают, что искровые разрядники с двумя электродами обычно имеют высокий джиттер.
Запускаемые искровые разрядники представляют собой класс устройств с некоторыми дополнительными средствами запуска для достижения низкого дрожания. Чаще всего это третий электрод, как в тригатроне . Напряжение пускового электрода можно быстро изменить, поскольку емкость между ним и другими электродами мала. В срабатывающем искровом промежутке давление газа оптимизировано, чтобы минимизировать дрожание, а также избежать непреднамеренного срабатывания. Срабатывающие искровые разрядники изготавливаются в версиях с постоянной герметизацией с ограниченным диапазоном напряжений и в версиях с повышенным давлением пользователя с диапазоном напряжения, пропорциональным доступному диапазону давления. Срабатывающие искровые разрядники имеют много общего с другими газонаполненными трубками, такими как тиратроны, критроны, игнитроны и кроссатроны.
Срабатывающие вакуумные промежутки, или спритроны, напоминают срабатывающие искровые разрядники как по внешнему виду, так и по конструкции, но основаны на другом принципе работы. Срабатывающий вакуумный зазор состоит из трех электродов в герметичной стеклянной или керамической оболочке, которая была вакуумирована. Это означает, что, в отличие от срабатывающего искрового промежутка, срабатывающий вакуумный разрядник работает в пространстве параметров слева от минимума Пашена, где пробою способствует повышение давления. Ток между электродами ограничен до небольшого значения посредством автоэлектронной эмиссии в непроводящем состоянии. Пробой инициируется быстро испаряющимся материалом с пускового электрода или соседнего резистивного покрытия. Как только зажигается вакуумная дуга, срабатывающий вакуумный зазор заполняется проводящей плазмой, как и в любом другом искровом промежутке. Срабатывающий вакуумный зазор имеет больший диапазон рабочих напряжений, чем запаянный искровый разрядник, потому что кривые Пашена намного круче слева от минимума Пашена, чем при более высоких давлениях. Срабатываемые вакуумные зазоры также рад, потому что в непроводящем состоянии они не содержат газа, который ионизируется излучением.
Визуальные развлечения
Временная экспозиция лестницы Иакова 
Воспроизвести медиа Лестница Иакова в действииA Лестница Иакова (более формально, бегущая дуга высокого напряжения ) — это устройство для создания непрерывной цепочки больших искр, поднимающихся вверх. Искровой разрядник образован двумя проводами, примерно вертикальными, но постепенно расходящимися друг от друга в направлении вершины узкой V-образной формы. Он был назван в честь «лестницы в небо », описанной в Библии.
Когда высокое напряжение прикладывается к промежутку, на нижней части проводов в местах, где они находятся ближе всего друг к другу, образуется искра, быстро переходящая в электрическую дугу. Воздух разрывается примерно при 30 кВ / см, в зависимости от влажности, температуры и т. Д. Помимо падений напряжения на аноде и катоде, дуга ведет себя почти как короткое замыкание, потребляя столько же тока, сколько и электрический источник питания может подавать, а большая нагрузка резко снижает напряжение на промежутке.
Нагретый ионизированный воздух поднимается вверх, унося с собой путь тока. По мере того, как след ионизации становится длиннее, он становится все более и более нестабильным и, наконец, обрывается. Затем напряжение на электродах возрастает, и в нижней части устройства снова возникает искра.
Этот цикл приводит к экзотическому отображению электрических белых, желтых, синих или фиолетовых дуг, которую часто можно увидеть в фильмах о безумных ученых. Это устройство было основным продуктом в школах и научных выставках в 1950-х и 1960-х годах, как правило, из искровой катушки модели T или любого другого источника высокого напряжения в диапазоне 10 000–30 000 человек. диапазон напряжений, например трансформатор неоновой вывески (5–15 кВ) или схема телевизионного кинескопа (обратный трансформатор ) (10–28 кВ), а также две вешалки или стержни построен в форме буквы V. Для больших лестниц обычно используются трансформаторы микроволновых печей, соединенные последовательно, умножители напряжения и полюсные трансформаторы (полюсные скребки), работающие в обратном направлении (повышающие).
СМИ, связанные с лестницей Джейкоба на Wikimedia Commons
Опасность для здоровья
Воздействие дугового устройства может представлять опасность для здоровья. Образовавшаяся в воздухе дуга ионизирует кислород и азот, которые затем могут преобразовываться в реактивные молекулы, такие как озон и оксид азота. Эти продукты могут повредить слизистые оболочки. Растения также подвержены отравлению озоном. Эти опасности наиболее велики, когда дуга непрерывная и в замкнутом пространстве, например в комнате. Возникающая снаружи дуга представляет меньшую опасность, потому что нагретые ионизированные газы поднимаются в воздух и рассеиваются в атмосфере. Искровые промежутки, которые только периодически вызывают короткие искровые разряды, также минимально опасны, поскольку объем генерируемых ионов очень мал.
Дуги также могут создавать широкий спектр длин волн, охватывающий видимый свет и невидимый ультрафиолетовый и инфракрасный спектр. Очень интенсивные дуги, генерируемые такими способами, как дуговая сварка, могут производить значительное количество ультрафиолетового излучения, которое повреждает роговицу наблюдателя. Эти дуги следует наблюдать только через специальные темные фильтры, которые уменьшают интенсивность дуги и защищают глаза наблюдателя от ультрафиолетовых лучей.
Искровые промежутки и роговые разрядники
Для защиты линий и оборудования подстанций от перенапряжений используют следующие устройства:
— искровые промежутки, разрядники и ОПН для защиты отдельных точек на линии;
— тросы и заземления опор на линиях;
— роговые разрядники, трубчатые разрядники на контактной сети;
— разрядники и ОПН на подстанциях;
— в отдельных случаях – конденсаторы для снижения грозовых перенапряжений.
Защитное действие тросов и молниеотводов основано на отводе тока молнии от защищаемого оборудования. Остальные защитные устройства выполняют две функции:
— присоединение защищаемой цепи к заземлителю при воздействии перенапряжения (непосредственная защитная функция);
— отключение защищаемой цепи от заземления при окончании действия перенапряжения, что часто связано с отключением возникшего короткого замыкания в защищаемой цепи.
Искровые промежутки являются самым простым и дешевым устройством защиты от перенапряжений, в настоящее время применяется редко. В сетях напряжением 3..35 кВ могут выполняться в виде рогов, способствующих растягиванию и гашению дуги из-за электродинамических сил и тепловых потоков. В сетях до 35 кВ длина защитного промежутка мала, и для предотвращения замыкания промежутка птицами в заземляющих спусках создаются дополнительные искровые промежутки.
Параметры искровых промежутков приведены в табл. 9.1.
Таблица 9.1 – Параметры искровых промежутков
Параметр Номинальное напряжение, кВ Длина основного промежутка, мм Длина дополнительного промежутка, мм — Амплитуда пробивного напряжения 50 Гц, кВ ампл. Импульсное пробивное напряжение, кВ (для отрицательного импульса) Искровые промежутки обладают целым рядом недостатков, основные из которых следующие:
— срабатывание искровых промежутков приводит к короткому замыканию, которое должно отключаться выключателями; при переходном процессе среза напряжения могут возникнуть перенапряжения на продольной изоляции трансформаторов, реакторов и электрических машин;
— большой статистический разброс пробивных напряжений затрудняет координацию изоляции;
— вольт-секундная характеристика искрового промежутка из-за резкой неоднородности поля имеет подъем в области малых времен, соответствующих грозовым перенапряжениям, и защищаемая изоляция может остаться незащищенной (рис. 9.1).
Рисунок 9.1 — Вольт-секундные характеристики изоляции (1) и искрового промежутка с резконеоднородным полем (2)
Достаточно широко применяемые на контактной сети роговые разрядники выполняются либо с одним искровым промежутком, либо с двумя искровыми промежутками (рис. 9.2). Действующие «Правила устройства и технической эксплуатации контактной сети» требуют применения роговых разрядников с двумя искровыми промежутками.
Рисунок 9.2 — Роговые разрядники, применяемые на контактной сети
Параметры роговых разрядников приведены в табл. 9.2
Таблица 16.3 — Параметры роговых разрядников
Параметр С одним искр. промежутком С двумя искровыми промежутками Напряжение к/с, кВ 3.3 3.3 Расстояние, мм 10..11 4,5..5,5 40..50 Амплитуда пробивного напряжения 50 Гц, кВ ампл. Импульсное пробивное напряжение, кВ Наибольший ток, при котором дуга может погаснуть самостоятельно, кА — Время гашения дуги, с 0,25..0,6 0,2..0,6 — Способность гашения дуги роговым разрядником сильно зависит от скорости и направления ветра. Дуга гаснет быстрее при направлении ветра перпендикулярно плоскости разрядника.
Понравилась статья? Добавь ее в закладку (CTRL+D) и не забудь поделиться с друзьями: