EA016980B1 - Усиленный разрядник для защиты электрооборудования от грозовых перенапряжений и изолятор и линия электропередачи, снабженные таким разрядником - Google Patents

Abstract

Предлагаемое изобретение относится к разрядникам для защиты электрооборудования от грозовых перенапряжений. Разрядник для грозозащиты элементов электрооборудования или линии электропередачи содержит изоляционное тело, выполненное из твердого диэлектрика, два основных электрода, механически связанных с изоляционным телом, и m промежуточных электродов (m ≥2), механически связанных с изоляционным телом и расположенных между основными электродами с возможностью формирования между смежными основными и промежуточными электродами, а также между смежными промежуточными электродами стримерного разряда. Промежуточные электроды расположены внутри изоляционного тела и отделены от его поверхности слоем диэлектрика, при этом между смежными электродами выполнены выходящие на поверхность изоляционного тела разрядные камеры. Отличительным признаком настоящего изобретения является установка вокруг разрядных камер оболочек, обеспечивающих необходимую механическую прочность при разряде в разрядных камерах. Разрядник согласно настоящему изобретению имеет повышенную прочность и надёжность, что обеспечивает возможность протекания более сильных по сравнению с прототипом разрядов перенапряжения, что приводит к снижению длительности протекания таких разрядов вплоть до длительности грозового разряда.

Description

Область техники, к которой относится изобретение

Предлагаемое изобретение относится к разрядникам для защиты электрооборудования от грозовых перенапряжений. С помощью таких устройств могут защищаться, например, высоковольтные установки, изоляторы и другие элементы высоковольтных линий электропередачи, а также электрооборудование.

Сведения о предшествующем уровне техники

Из патента № 2299508 от 20.05.2007 известен разрядник с так называемой мультиэлектродной системой (МЭС). У этих разрядников между первым и вторым основными электродами на изоляционном теле установлено множество небольших промежуточных электродов. Для снижения разрядных напряжений внутри изоляционного тела вдоль его оси установлен дополнительный стержневой электрод, электрически соединенный с одним из основных электродов.

Благодаря разбиению интервала между основными электродами на множество искровых промежутков данный разрядник обладает более высокой дугогасящей способностью, чем устройства с одним или с малым количеством разрядных промежутков. Тем не менее, его дугогасящая способность недостаточно велика, что ограничивает его область применения только грозозащитой ВЛ 6-10. Его сложно применять для грозозащиты ВЛ более высоких классов напряжения, т.к. число промежуточных электродов и габариты разрядника становятся слишком большими.

В качестве ближайшего аналога настоящего изобретения может быть выбран разрядник с так называемой мультикамерной системой (МКС), описанный в патенте № 2346368 от 10.02.2009. Разрядник для грозозащиты элементов электрооборудования или линии электропередачи содержит изоляционное тело, выполненное из твердого диэлектрика, два основных электрода, механически связанных с изоляционным телом, и т промежуточных электродов (т >2), расположенных между основными электродами с взаимным смещением, по меньшей мере, вдоль продольной оси изоляционного тела и выполненных с возможностью формирования между смежными основными и промежуточными электродами стримерного разряда. Промежуточные электроды расположены внутри изоляционного тела и отделены от его поверхности слоем изоляции, при этом между смежными электродами выполнены выходящие на поверхность изоляционного тела разрядные камеры, ширина которых в зоне формирования стримерного разряда меньше расчетного диаметра указанного разряда, а толщина указанного слоя изоляции выбрана превышающей расчетный диаметр указанного разряда.

Благодаря включению между основными электродами множества искровых разрядных камер данный разрядник обладает более высокой дугогасящей способностью, чем устройства с одним, двумя или даже с большим количеством открытых разрядных промежутков. Указанный разрядник надёжно работает при относительно небольших импульсных токах, протекающих через него, например, при ударах молнии в опору или трос и обратных перекрытиях с опоры на провод. При прямых ударах молнии со значительными токами возможен разрыв разрядных камер.

Другим недостатком указанных разрядников является длительность вызванного дугового разряда, имеющая величину большую, чем длительность грозового разряда. Это вызвано тем, что расстояние между промежуточными электродами имеет малую величину, что способствует продлению времени существования дуги. Увеличение расстояния между промежуточными электродами приводит к повышению напряжения, при котором происходит формирование разрядной дуги, что отрицательно сказывается на состоянии разрядника - механической прочности разрядника может не хватать для обеспечения надежной работы разрядника в целом без сбоев в течение длительного периода времени.

Сущность изобретения

Соответственно, задачей, которую решает настоящее изобретение, является создание разрядника, характеризующегося высокой прочностью и надёжностью, обеспечивающего возможность протекания более сильных по сравнению с прототипом разрядов перенапряжения, который также обладает относительно простой конструкцией, обеспечивающей невысокую стоимость в производстве и эксплуатации.

Указанная задача решена тем, что в разряднике для грозозащиты элементов электрооборудования или линии электропередачи содержатся изоляционное тело, выполненное из твердого диэлектрика, два основных электрода, механически связанных с изоляционным телом, и т промежуточных электродов (т>2), механически связанных с изоляционным телом и расположенных между основными электродами с возможностью формирования между смежными основными и промежуточными электродами, а также между смежными промежуточными электродами стримерного разряда. Промежуточные электроды расположены внутри изоляционного тела и отделены от его поверхности слоем диэлектрика, при этом между смежными электродами выполнены выходящие на поверхность изоляционного тела разрядные камеры. Отличительным признаком настоящего изобретения является установка вокруг разрядных камер оболочек, обеспечивающих необходимую механическую прочность при разряде в разрядных камерах.

В одном из вариантов осуществления разрядника изоляционное тело выполнено из твердого диэлектрика. Промежуточные электроды в разряднике предпочтительно расположены со взаимным смещением. Изоляционное тело может быть выполнено продолговатым и промежуточные электроды в таком случае могут быть расположены со взаимным смещением, по меньшей мере, вдоль продольной оси изоляционного тела. Также на продольной оси изоляционного тела расположены основные электроды.

- 1 016980

Оболочки преимущественно выполнены из прочного материала. Оболочки также могут быть выполнены с использованием металла, в таком случае по меньшей мере одна оболочка может иметь выход в разрядную камеру и быть установленной с обеспечением возможности формирования стримерного разряда между оболочкой и электродом, другими словами, выполнять роль одного из промежуточных электродов.

Еще одна задача настоящего изобретения состоит в создании изолятора и линии электропередачи, обладающих надежной грозозащитой благодаря их оснащению надежными и недорогими разрядниками, характеризующимися высокой дугогасящей способностью и высокой надёжностью.

Данная задача решена созданием высоковольтного изолятора для крепления в качестве одиночного изолятора или в составе колонки или гирлянды изоляторов, высоковольтного провода в электроустановке или на линии электропередачи, содержащего изоляционную часть и арматуру в виде установленных на его концах первого и второго элементов арматуры, причем первый элемент арматуры выполнен с возможностью соединения непосредственно или посредством крепежного устройства с высоковольтным проводом или с вторым элементом арматуры предшествующего высоковольтного изолятора указанных колонки или гирлянды, а второй элемент арматуры выполнен с возможностью соединения с опорой или с первым элементом арматуры последующего высоковольтного изолятора указанных колонки или гирлянды. Отличительным признаком такого изолятора является то, что он содержит разрядник по любому из описанных выше вариантов, установленный с возможностью формирования под воздействием грозового перенапряжения электрического разряда между первым элементом арматуры изолятора и по меньшей мере одним смежным с ним электродом разрядника, а также вторым элементом арматуры изолятора и по меньшей мере одним смежным с ним электродом разрядника.

Указанная задача также решена созданием высоковольтной линии электропередачи, содержащей опоры, одиночные изоляторы и/или изоляторы, собранные в колонки или гирлянды, и по меньшей мере один находящийся под высоким электрическим напряжением провод, связанный непосредственно или посредством крепежных устройств с элементами арматуры одиночных изоляторов и/или первых изоляторов колонок или гирлянд изоляторов, причем каждый одиночный изолятор или каждая колонка или гирлянда изоляторов закреплен (закреплена) на одной из опор посредством элемента своей арматуры, смежного с указанной опорой. Отличительным признаком такой высоковольтной линии электропередачи является то, что по меньшей мере один из изоляторов представляет собой изолятор, содержащий изоляционную часть и арматуру в виде установленных на его концах первого и второго элементов арматуры, причем первый элемент арматуры выполнен с возможностью соединения непосредственно или посредством крепежного устройства с высоковольтным проводом или с вторым элементом арматуры предшествующего высоковольтного изолятора указанных колонки или гирлянды, а второй элемент арматуры выполнен с возможностью соединения с опорой или с первым элементом арматуры последующего высоковольтного изолятора указанных колонки или гирлянды, и содержащий разрядник по любому из описанных выше вариантов, установленный с возможностью формирования под воздействием грозового перенапряжения электрического разряда между первым элементом арматуры изолятора и по меньшей мере одним смежным с ним электродом разрядника, а также вторым элементом арматуры изолятора и по меньшей мере одним смежным с ним электродом разрядника.

Техническим результатом настоящего изобретения является повышение прочности и надёжности разрядника, что обеспечивает возможность протекания более сильных по сравнению с прототипом разрядов перенапряжения, что приводит к снижению длительности протекания таких разрядов вплоть до длительности грозового разряда. Дополнительным техническим результатом является обеспечение относительно простой конструкции разрядника, что позволяет достичь невысокую стоимость в производстве и эксплуатации такого разрядника и изготавливаемых с его использованием изоляторов и линий электропередач. Это также позволит использовать разрядник по изобретению для грозозащиты высоковольтных линий электропередач от прямых ударов молнии и отказаться от грозозащитного троса.

Перечень чертежей

Заявляемое изобретение иллюстрируется чертежами, где на фиг. 1 показан вариант осуществления разрядника с плоским изоляционным телом в сечении на виде спереди;

на фиг. 2 - разрядник по фиг. 1 на виде сверху;

на фиг. 3 - фрагмент разрядника в сечении на виде спереди по фиг. 1;

на фиг. 4 - фрагмент по фиг. 1 на виде сверху;

на фиг. 5 - фрагмент разрядника по изобретению с проводящей оболочкой в сечении на виде спереди;

на фиг. 6 - фрагмент разрядника по фиг. 5 на виде сверху;

на фиг. 7 - вариант фрагмента разрядника с проводящей оболочкой, являющейся одновременно первым смежным электродом и вторым соосным электродом, в сечении на виде спереди;

на фиг. 8 - фрагмент разрядника по фиг. 7 на виде сверху;

на фиг. 9 - фрагмент разрядника из четырёх фрагментов (модулей) по фиг. 7, 8 в сечении на виде спереди;

- 2 016980 на фиг. 10 - фрагмент варианта разрядника с разрядной камерой в виде косой щели в сечении на виде спереди;

на фиг. 11 - фрагмент по фиг. 10 на виде сверху;

фиг. 12 - вариант выполнения изолятора с разрядником по изобретению, установленным по периметру изоляционного тела.

Сведения, подтверждающие возможность осуществления изобретения

Как показано на фиг. 1, 2, разрядник согласно изобретению содержит продолговатое плоское изоляционное тело 1, выполненное из твердого диэлектрика, например из резины. На концах изоляционного тела 1 установлены первый 2 и второй 3 основные электроды, которые за счет такой установки оказываются механически связанными с изоляционным телом. Внутри изоляционного тела 1 установлены т промежуточных смежных электродов 4, 5. Минимальное значение т равно 2, тогда как оптимальное количество промежуточных электродов выбирается с учетом конкретной формы их выполнения, расчетного значения перенапряжения и других условий их работы. В данном варианте устройства промежуточные электроды 4, 5 выполнены в виде прямоугольных пластин, смещенных одна относительно другой вдоль продольной оси разрядника (соединяющей основные электроды 2, 3). Между смежными промежуточными электродами 4, 5 имеется искровой воздушный промежуток д, который связан с разрядной камерой 6, выходящей на поверхность изоляционного тела 1.

При защите высоковольтных установок или линий электропередачи разрядник подключается одним основным электродом (например, первым основным электродом 2) к высоковольтному элементу электропередачи, например к проводу (непосредственно или через искровой разрядный промежуток), а другим, соответственно вторым, основным электродом 3 (непосредственно или через искровой разрядный промежуток) - к земле.

При воздействии на разрядник импульса перенапряжения разряд развивается от первого основного электрода 2 по направлению к второму основному электроду 3, последовательно пробивая промежутки между промежуточными смежными электродами 4, 5. В процессе образования и развития искрового канала происходит его расширение со сверхзвуковой скоростью. Так как объёмы разрядных искровых камер между смежными электродами весьма малы, создаётся высокое давление, под действием которого каналы искровых разрядов между смежными электродами перемещаются к поверхности изоляционного тела и далее выбрасываются наружу в окружающий разрядник воздух. Вследствие возникающего дутья и удлинения каналов между смежными электродами суммарное сопротивление всех каналов увеличивается, т.е. общее сопротивление разрядника возрастает, и происходит ограничение импульсного тока грозового перенапряжения. По окончании импульса грозового перенапряжения к разряднику остаётся приложенным напряжение промышленной частоты. Однако вследствие большого сопротивления разрядника и благодаря тому, что канал разбит на множество элементарных каналов между смежными электродами, разряд не может самостоятельно существовать и гаснет.

Большое значение для эффективности гашения имеет длина элементарного промежутка д. Как показано в ближайшем аналоге настоящего изобретения (патент № 2346368 от 10.02.2009), длина элементарного изоляционного промежутка лежит в диапазоне д = 0,1-20 мм в зависимости от назначения разрядника и номинального напряжения ВЛ.

Выделяемая энергия в камере может быть оценена по формуле νν«Ρ(«/²/?ί®/²ΖΓί, (1) где Р - мощность разряда;

ι - среднее значение тока в канале разряда;

К - сопротивление канала;

г- погонное сопротивление канала;

- длина канала;

- длительность импульса тока (время до полуспада).

Как видно из (1), выделяемая в камере энергия пропорциональна длине канала, т.е. длине разрядного промежутка камеры.

Действительно, экспериментальные исследования показали, что если при маленьких промежутках д = 0,1-2 мм и импульсных токах порядка 20-30 кА изоляционное тело 1, выполненное из силиконовой резины, в состоянии выдержать возникающее в разрядных камерах давление, то при относительно больших промежутках д = 5-20 мм давление оказывается слишком высоким и камеры разрываются.

В разряднике по изобретению для предотвращения разрывов изоляционного тела 1 предусмотрена установка оболочек 7, охватывающих разрядные камеры 6. Оболочки 6 выполнены из механически прочного материала, например из стеклотекстолита, и обеспечивают необходимую механическую прочность разрядных камер 6.

На фиг. 3, 4 показан фрагмент разрядника с цилиндрической изоляционной оболочкой 7 и разрядной камерой 6 в виде щели. Смежные электроды 4, 5 проходят через отверстия в оболочке 7 и попадают в камеру 6. При развитии разряда возникающее давление в камере 6 через упругий изоляционный материал (например, силиконовую резину), образующий камеру 6, передаётся на оболочку 7, которая его вы

- 3 016980 держивает, и далее давление вне оболочки не передаётся. Таким образом, обеспечивается механическая целостность изоляционного тела 1 разрядника.

На фиг. 5, 6 показан фрагмент варианта разрядника с проводящей, например металлической, цилиндрической оболочкой 7. В этом варианте первый смежный электрод 4 может быть гальванически соединён с оболочкой 7, а второй смежный электрод 5 заходит в разрядную камеру 6 через отверстие с зазором, заполненным изоляционным материалом, который электрически изолирует второй смежный электрод от проводящей оболочки 7. Этот вариант исполнения разрядника обладает большей механической прочностью. Для дальнейшего увеличения прочности оболочки к её нижнему торцу может быть прикреплено (например, приварено) металлическое дно 9.

На фиг. 7, 8 показан фрагмент варианта разрядника с цилиндрической проводящей оболочкой 6, являющейся одновременно первым смежным электродом 4, причём второй смежный электрод 5 выполнен в виде металлического цилиндра, расположенного соосно с первым смежным электродом 4.

Благодаря совмещению функций электрода 4 и оболочки 7 в одном конструктивном элементе достигается компактизация и экономичность разрядника.

На фиг. 9 представлен в сечении на виде спереди фрагмент разрядника из четырёх модулей Ι-ΐν по фиг. 7, 8. Оболочки 7, которые также являются первыми смежными электродами 4, соединяются попарно перемычками 10, а вторые смежные электроды 5 также попарно соединяются перемычками 11. Путь тока ί, протекающего через разрядник при его срабатывании, от перемычки 11 модуля Ι до перемычки 11 модуля Ιν показан стрелками. Ток протекает по перемычке 11 модуля Ι, по второму смежному электроду 5, по каналу разряда 8 внутри камеры 6, по оболочке 7, по перемычке 10 между модулями Ι и ΙΙ, по оболочке 7 модуля II, по каналу 8 внутри камеры 6, по электроду 5, по перемычке 10 между модулями II и III и т.д.

На фиг. 10, 11 показан фрагмент варианта разрядника с разрядной камерой 6 в виде косой щели. Щель 6 располагается под углом α к оси, проходящей через оси симметрии цилиндрических смежных электродов 4, 5. Благодаря этому достигается увеличение длины разрядного промежутка между электродами 4 и 5. Например, при α=45° длина разрядного промежутка увеличивается в α2~ 1,4 раза и тем самым существенно повышается дугогасящая способность разрядника.

На фиг. 12 показан вариант изолятора-разрядника на основе штыревого изолятора ВЛ среднего напряжения. Разрядник установлен по периметру ребра изолятора 12. Первый основной электрод 2, выполненный в виде отрезка металлического прутка, направлен вверх, в сторону провода 13 и образует с ним внешний искровой воздушный промежуток. Второй основной электрод 3, выполненный аналогично, направлен вниз, в сторону штыря 14, укреплённого на проводящей опоре 15, и также образует с ним внешний искровой воздушный промежуток. При воздействии грозового перенапряжения на провод 13 внешние искровые промежутки пробиваются, и первый основной электрод оказывается подключённым к высокому напряжению провода 13, а второй основной электрод - к заземлённому штырю 14. Далее происходит срабатывание разрядника так, как это описано выше.

Благодаря тому что разрядные камеры 6 механически усилены оболочками 7, настоящий изоляторразрядник способен обеспечить защиту ВЛ не только от индуктированных перенапряжений (как прототип), но и от прямых ударов молнии в провод.

Работоспособность разрядника по изобретению подтверждена экспериментальной проверкой. С этой целью был изготовлен разрядник и установлен по периметру стеклодетали тарельчатого изолятора υ120ΆΌ. Основные параметры разрядника следующие:

камера выполнена в виде косой щели с разрядным промежутком длиной д = 10 мм, шириной 2 мм и высотой 20 мм;

оболочка выполнена из отрезка стеклопластиковой трубки с наружным диаметром 22 мм и внутренним 18 мм;

смежные промежуточные электроды выполнены из отрезков металлических цилиндров диаметром 10 мм;

число камер составляло 15 шт.;

расстояние между центрами камер 70 мм;

таким образом, разрядник занимал на периметре изолятора участок длиной 98 см, т.е. примерно 80% от длины периметра.

Испытания показали, что при испытании импульсами тока с максимальным значением 30 кА и длительностью 55 мкс разрядник надёжно гасит ток импульса без сопровождающего тока сети при напряжении сети 11 кВ_д (действующего значения).

Причём разрядник сохраняет свою целостность и работоспособность при воздействии по крайней мере 10 импульсов. Этих параметров достаточно для формирования гирлянд изоляторов-разрядников на напряжение 110, 220 кВ и выше и, соответственно, для грозозащиты ВЛ указанных классов напряжения.

Следует отметить, что разрядник без оболочек разрушается после приложения 1-2 импульсов (30 кА, 50 мкс). Таким образом, область применения и надежность работы разрядника по настоящему изобретению существенно увеличены.

Рассмотренные в данном описании варианты и модификации выполнения разрядника по изобрете

- 4 016980 нию и изоляторов-разрядников, построенных с использованием таких разрядников, приведены лишь для пояснения их конструкции и принципов работы. Специалистам в данной области техники должно быть понятно, что возможны отклонения от вышеприведенных примеров выполнения, которые также охватываются формулой изобретения.

Claims (10)

1. Разрядник для грозозащиты элементов электрооборудования или линии электропередачи, содержащий изоляционное тело, выполненное из диэлектрика, два основных электрода, механически связанных с изоляционным телом, и т промежуточных электродов (т>2), механически связанных с изоляционным телом и расположенных между основными электродами с возможностью формирования между смежными основными и промежуточными электродами, а также между смежными промежуточными электродами стримерного разряда, причем промежуточные электроды расположены внутри изоляционного тела и отделены от его поверхности слоем диэлектрика, при этом между смежными электродами выполнены выходящие на поверхность изоляционного тела разрядные камеры, отличающийся тем, что внутри изоляционного тела вокруг разрядных камер установлены прочные оболочки.

2. Разрядник по п.1, отличающийся тем, что изоляционное тело выполнено из твердого диэлектрика.

3. Разрядник по п.1, отличающийся тем, что промежуточные электроды расположены со взаимным смещением.

4. Разрядник по п.1, отличающийся тем, что изоляционное тело является продолговатым и промежуточные электроды расположены с взаимным смещением, по меньшей мере, вдоль продольной оси изоляционного тела.

5. Разрядник по п.4, отличающийся тем, что основные электроды расположены на продольной оси изоляционного тела.

6. Разрядник по п.1, отличающийся тем, что оболочки выполнены из прочного материала.

7. Разрядник по п.1, отличающийся тем, что оболочки выполнены с использованием металла.

8. Разрядник по п.7, отличающийся тем, что по меньшей мере одна оболочка имеет выход в разрядную камеру и установлена с обеспечением возможности формирования стримерного разряда между оболочкой и электродом.

9. Высоковольтный изолятор для крепления в качестве одиночного изолятора или в составе колонки либо гирлянды изоляторов высоковольтного провода в электроустановке или на линии электропередачи, содержащий изоляционную часть и арматуру в виде установленных на его концах первого и второго элементов арматуры, причем первый элемент арматуры выполнен с возможностью соединения непосредственно или посредством крепежного устройства с высоковольтным проводом или со вторым элементом арматуры предшествующего высоковольтного изолятора указанных колонки или гирлянды, а второй элемент арматуры выполнен с возможностью соединения с опорой или с первым элементом арматуры последующего высоковольтного изолятора указанных колонки или гирлянды, отличающийся тем, что содержит разрядник по любому из пп.1-8, установленный с возможностью формирования под воздействием грозового перенапряжения электрического разряда между первым элементом арматуры изолятора и по меньшей мере одним смежным с ним электродом разрядника, а также вторым элементом арматуры изолятора и по меньшей мере одним смежным с ним электродом разрядника.

10. Высоковольтная линия электропередачи, содержащая опоры, одиночные изоляторы и/или изоляторы, собранные в колонки или гирлянды, и по меньшей мере один находящийся под высоким электрическим напряжением провод, связанный непосредственно или посредством крепежных устройств с элементами арматуры одиночных изоляторов и/или первых изоляторов колонок или гирлянд изоляторов, причем каждый одиночный изолятор или каждая колонка или гирлянда изоляторов закреплен (закреплена) на одной из опор посредством элемента своей арматуры, смежного с указанной опорой, отличающаяся тем, что по меньшей мере один из изоляторов представляет собой изолятор, содержащий изоляционную часть и арматуру в виде установленных на его концах первого и второго элементов арматуры, причем первый элемент арматуры выполнен с возможностью соединения непосредственно или посредством крепежного устройства с высоковольтным проводом или с вторым элементом арматуры предшествующего высоковольтного изолятора указанных колонки или гирлянды, а второй элемент арматуры выполнен с возможностью соединения с опорой или с первым элементом арматуры последующего высоковольтного изолятора указанных колонки или гирлянды, и содержащий разрядник по любому из пп.1-8, установленный с возможностью формирования под воздействием грозового перенапряжения электрического разряда между первым элементом арматуры изолятора и по меньшей мере одним смежным с ним электродом разрядника, а также вторым элементом арматуры изолятора и по меньшей мере одним смежным с ним электродом разрядника.