RU180982U1

RU180982U1 - NONLINEAR VOLTAGE LIMITER

Info

Publication number: RU180982U1
Application number: RU2018112886U
Authority: RU
Inventors: Александр Валерьевич Колычев
Original assignee: Закрытое Акционерное Общество "Полимер-Аппарат"
Priority date: 2018-04-09
Filing date: 2018-04-09
Publication date: 2018-07-03

Abstract

Полезная модель относится к области высоковольтной техники, а именнок электрическим сетям среднего и высокого классов напряжения, и может быть использована в устройствах для защиты электрооборудования и электрических сетей от атмосферных и внутренних перенапряжений, преимущественно в ограничителях перенапряжений нелинейных (ОПН).Техническим результатом предлагаемого решения является упрощение конструкции и повышение надежности работы устройства.Для достижения заявленного технического результата в нелинейном ограничителе перенапряжения, содержащем установленную в защитном корпусе 1 колонку последовательно соединенных высоконелинейных варисторов 2, предложена новая схема защиты устройства от перенапряжений. В схему ОПН введен, по крайней мере, один газовый разрядник 4, который установлен параллельно варисторам 2 и соединен с ними через электрод 5.Электроды выполнены в виде круговой пластины и соединены с газовыми разрядниками с помощью болтового били заклепочного соединения.Количество газовых разрядников определяют в зависимости от величины остающегося напряжения на ОПН.Включение в устройство газовых разрядников, шунтирующих часть варисторов, ограничивает перенапряжение и обеспечивает защиту ОПН при протекании больших импульсных токов и взрывобезопасность при протекании токов дуги короткого замыкания.The utility model relates to the field of high-voltage technology, and it is known to medium and high voltage classes of electrical networks, and can be used in devices for protecting electrical equipment and electrical networks from atmospheric and internal overvoltages, mainly in non-linear surge arresters (AR). The technical result of the proposed solution is simplifying the design and improving the reliability of the device. To achieve the claimed technical result in a nonlinear limiter voltage, containing installed in the protective housing 1 column of series-connected highly non-linear varistors 2, a new circuit for protecting the device from overvoltage is proposed. At least one gas spark gap 4 is introduced into the arrester; it is mounted parallel to the varistors 2 and connected to them through the electrode 5. The electrodes are made in the form of a circular plate and connected to gas spark gap using a bolt beat rivet connection. The number of gas spark gap is determined in depending on the magnitude of the remaining voltage on the arrester. The inclusion of gas arresters shunting part of the varistors in the device limits the overvoltage and protects the arrester when large pulsed currents flow and explosion safety during the flow of short circuit currents.

Description

Полезная модель относится к области высоковольтной техники, а именно к электрическим сетям среднего и высокого классов напряжения, и может быть использована в устройствах для защиты электрооборудования и электрических сетей от атмосферных и внутренних перенапряжений, преимущественно в ограничителях перенапряжений нелинейных (ОПН).The utility model relates to the field of high-voltage technology, namely to medium and high voltage classes of electrical networks, and can be used in devices for protecting electrical equipment and electrical networks from atmospheric and internal overvoltages, mainly in non-linear surge arresters.

Для защиты от перенапряжений электрооборудования в электрических сетях применяются различного типа ограничители перенапряжений, содержащие колонку последовательно соединенных нелинейных резисторов (варисторов) с высоким коэффициентом нелинейности, заключенных в фарфоровую или полимерные покрышки. Для обеспечения взрывобезопасности конструкции ОПН в покрышках ОПН требуется наличие взрывопредохранительных клапанов, отверстий для сброса избыточного давления при возникновении устойчивой дуги тока промышленной частоты внутри устройства. Повреждение ОПН может происходить при длительном воздействии квазистационарных перенапряжений, которые превышают допустимые значения приложенного напряжения частоты 50 Гц характеристики ОПН «напряжение-время» (ГОСТР 52725-2207 «Ограничители перенапряжений нелинейные для электроустановок переменного тока напряжением от 3 до 750 кВ», Москва, Стандартинформ, 2007).To protect against overvoltage of electrical equipment in electric networks, various types of surge arresters are used, containing a column of series-connected non-linear resistors (varistors) with a high non-linearity coefficient, enclosed in porcelain or polymer tires. To ensure the explosion-proof design of the arrester in the arrester, the presence of explosion-proof valves, holes for relieving excess pressure in the event of a stable arc of a current of industrial frequency inside the device is required. Overvoltage arrester can occur during prolonged exposure to quasi-stationary overvoltages that exceed the permissible values of the applied frequency voltage of 50 Hz of the voltage-time arrester characteristics (GOST 52725-2207 "Non-linear surge arresters for AC electrical installations with voltage from 3 to 750 kV", Moscow, Standardinform , 2007).

С другой стороны изоляция некоторых видов электрооборудования (электрические машины, генераторы, изоляция трансформаторов со сниженным уровнем изоляции) требует глубокого ограничения атмосферных и внутренних перенапряжений для безаварийной эксплуатации. Защита данного типа электрооборудования требует применения ОПН со сниженными значениями остающихся напряжений при протекания импульсных токов. Это приводит к уменьшению выдерживаемых напряжений промышленной частоты характеристик «напряжение-время» при воздействии квазистационарных и феррорезонансных перенапряжений. Например, в сетях с изолированной нейтралью 3-35 кВ при однофазных замыканиях напряжение на здоровых фазах повышается до линейного, а также могут возникать феррорезонансные перенапряжений. Длительность воздействия таких перенапряжений может достигать несколько часов. При этом могут повреждаться стандартные ОПН, предназначенные для защиты изоляции электрических машин. В сетях 110 кВ с частично разземленной нейтралью трансформаторов при выпадении шлейфов в гирляндах изоляторах возникают неполнофазные режимы, которые приводят к возникновению опасных для ОПН квазистационарных и феррорезонансных перенапряжений в сети, что может приводить к повреждению ОПН.On the other hand, the insulation of certain types of electrical equipment (electrical machines, generators, insulation of transformers with a reduced level of insulation) requires a deep limitation of atmospheric and internal overvoltages for trouble-free operation. The protection of this type of electrical equipment requires the use of arrester with reduced values of the remaining voltage during the flow of pulsed currents. This leads to a decrease in the withstand voltages of the industrial frequency of the voltage-time characteristics when exposed to quasi-stationary and ferroresonant overvoltages. For example, in networks with an isolated neutral 3-35 kV with single-phase faults, the voltage at healthy phases rises to linear, and ferroresonant overvoltages can also occur. The duration of exposure to such overvoltages can reach several hours. In this case, standard arresters designed to protect the insulation of electrical machines can be damaged. In 110 kV networks with a partially earthed neutral of the transformers, when loops occur in the garland of insulators, non-phase modes arise, which lead to the emergence of quasistationary and ferroresonant overvoltages that are dangerous for the arrester, which can lead to damage to the arrester.

Известно устройство для защиты от перенапряжений [патент РФ на изобретение №2144712, опубл. 20.01.2000 г.], содержащее, по меньшей мере, одну колонку варисторов, размещенную между двумя концевыми электродами в электроизоляционном стеклопластиковом цилиндре, расположенном в наружной полимерной оболочке. В стенке цилиндра по всей его высоте имеются сквозные каналы, соединяющие внутреннюю полость цилиндра с зазором между цилиндром и наружной полимерной оболочкой, причем каналы закрыты пробками, имеющими меньшую механическую прочность, чем электроизоляционный цилиндр. Каналы в стенке изоляционного цилиндра могут представлять собой сверления либо прорези.A device for surge protection [RF patent for the invention No. 2144712, publ. 01/20/2000], containing at least one column of varistors located between two end electrodes in an insulating fiberglass cylinder located in the outer polymer shell. Through the entire height of the cylinder wall there are through channels connecting the internal cavity of the cylinder with a gap between the cylinder and the outer polymer shell, the channels being closed with plugs having lower mechanical strength than the insulating cylinder. The channels in the wall of the insulating cylinder may be a drilling or a slot.

Наличие каналов, закрытых легко удаляемыми пробками, обеспечивает отведение через стенку цилиндра ионизированного газа, образующегося при внутреннем дуговом замыкании варисторов.The presence of channels, closed by easily removable plugs, provides for the removal through the wall of the cylinder of ionized gas generated during the internal arc circuit of varistors.

Однако устройство обладает недостаточной механической прочностью вследствие обрезки армирующих волокон при изготовлении каналов в стеклопластиковом цилиндре. К недостаткам данной конструкции можно отнести ограниченную область применения ОПН по защите электрооборудования от перенапряжений при отсутствии искровых промежутков. К недостаткам также относится и сложность процесса изготовления устройства.However, the device has insufficient mechanical strength due to trimming of the reinforcing fibers in the manufacture of channels in a fiberglass cylinder. The disadvantages of this design include the limited scope of the arrester to protect electrical equipment from overvoltage in the absence of spark gaps. The disadvantages also include the complexity of the manufacturing process of the device.

Известен ограничитель перенапряжения нелинейный изоляторного типа по патенту РФ на полезную модель №96694, опубл. 10.08.2010 г. ОПН содержит стеклопластиковый стержень, по крайней мере, одну колонку нелинейных варисторов, снабженных отверстиями для установки на стержень, ребристую защитную оболочку из кремнийорганической резины, которая нанесена непосредственно на боковые поверхности колонок нелинейных варисторов и металлические фланцы с оконцевателями, которые закреплены на торцах стеклопластикового стержня и в которых выполнены отверстия для установки в них пружин для поджима колонок варисторов и металлической шайбы для установки резьбового контакта.Known surge suppressor nonlinear insulator type according to the patent of the Russian Federation for utility model No. 96694, publ. 08/10/2010, the arrester contains a fiberglass rod, at least one column of nonlinear varistors equipped with holes for mounting on the rod, a ribbed protective sheath made of organosilicon rubber, which is applied directly to the side surfaces of the columns of nonlinear varistors and metal flanges with end fittings that are fixed at the ends of the fiberglass rod and in which holes are made for installing springs in them for clamping varistor columns and a metal washer for installing a threaded contour act.

Устройство предназначено для защиты линейной изоляции воздушных линий электропередач, при ограничении перенапряжений для электрооборудования подстанций со сниженными уровнями изоляции, ОРУ и ЗРУ электрических станций обладает недостаточной надежностью. Кроме того устройство может применяться только в подвесном исполнении, что существенно ограничивает область его применения.The device is designed to protect the linear insulation of overhead power lines, while limiting overvoltages for electrical equipment of substations with reduced insulation levels, outdoor switchgear and indoor switchgear of power plants has insufficient reliability. In addition, the device can be used only in suspended design, which significantly limits the scope of its application.

Известно устройство для защиты от перенапряжений [патент РФ на изобретение №2390082, опубл. 01.12.2008 г.], содержащее колонку последовательно соединенных высоконелинейных варисторов, а также коммутаторы, шунтирующие часть высоконелинейных варисторов. При этом зашунтированная часть высоконелинейных варисторов конструктивно разделена на отдельные блоки, состоящие из варистора, коммутатора, изолирующей шайбы и электрических соединений, обеспечивающих шунтирование варистора коммутатором и последовательное соединение всех блоков. Все блоки установлены в одну колонку с не зашунтированной частью высоконелинейных варисторов и размещены в едином изоляционном корпусе.A device for surge protection [RF patent for the invention No. 2390082, publ. December 1, 2008], containing a column of series-connected highly non-linear varistors, as well as switches, shunting part of the highly non-linear varistors. At the same time, the shunted part of the highly non-linear varistors is structurally divided into separate blocks, consisting of a varistor, a commutator, an insulating washer and electrical connections, which provide a bypass switch for the varistor and serial connection of all blocks. All blocks are installed in one column with a non-shunted part of highly non-linear varistors and placed in a single insulating casing.

Недостатком данной конструкции является последовательная установка коммутаторов, изолирующей шайбы с не зашунтированной частью высоконелинейных резисторов (варисторов), что приводит к увеличению габаритных размеры конструкции. Использование в качестве коммутаторов искровых промежутков с воздушным зазором не позволяет применять жидкие и твердые изоляционные материалы между корпусом и варисторами с повышенной теплопроводностью, что уменьшает величину отвода тепла от тела варисторов при протекании импульсных токов и нагреве, что приводит к снижению величины воздействующей токовой нагрузки на варисторы.The disadvantage of this design is the serial installation of switches, insulating washers with an unshunted part of highly non-linear resistors (varistors), which leads to an increase in the overall dimensions of the structure. The use of spark gaps with an air gap as switches does not allow the use of liquid and solid insulating materials between the housing and the varistors with increased thermal conductivity, which reduces the amount of heat removal from the body of the varistors during pulsed currents and heating, which leads to a decrease in the magnitude of the acting current load on the varistors .

Техническим результатом предлагаемого решения является упрощение конструкции и повышение надежности работы устройства.The technical result of the proposed solution is to simplify the design and increase the reliability of the device.

Для достижения заявленного технического результата в нелинейном ограничителе перенапряжения, содержащем установленную в защитном корпусе колонку последовательно соединенных высоконелинейных варисторов, предложена новая схема защиты устройства от перенапряжений. В схему ОПН введен, по крайней мере, один газовый разрядник, который установлен параллельно варисторам и соединен с ними через электрод.To achieve the claimed technical result in a nonlinear surge suppressor containing a column of highly connected non-linear varistors connected in series in a protective housing, a new circuit for protecting the device against overvoltage is proposed. At least one gas spark gap is introduced into the arrester, which is mounted parallel to the varistors and connected to them through an electrode.

Электроды выполнены в виде фуговой пластины и соединены с газовыми разрядниками с помощью болтового или заклепочного соединения.The electrodes are made in the form of a puffer plate and are connected to gas arresters using a bolt or rivet connection.

Количество газовых разрядников определяют в зависимости от величины остающегося напряжения на ОПН.The number of gas arresters is determined depending on the magnitude of the remaining voltage at the arrester.

Включение в устройство газовых разрядников, шунтирующих часть варисторов, ограничивает перенапряжение и обеспечивает защиту ОПН при протекании больших импульсных токов и взрывобезопасность при протекании токов дуги короткого замыкания.The inclusion of gas arresters in the device, shunting part of the varistors, limits overvoltage and protects the arrester during the flow of large pulse currents and explosion safety during the flow of short-circuit arc currents.

Предлагаемый ОПН представлен на рисунках, где показан:The proposed arrester is presented in the figures, which show:

Фиг. 1 - устройство в разрезе,FIG. 1 - device in section,

Фиг. 2 - соединение электрода с газовым разрядником,FIG. 2 - connection of the electrode with a gas spark gap,

Фиг. 3 - соединение электрода с варисторами и газовым разрядником.FIG. 3 - connection of the electrode with varistors and a gas spark gap.

Нелинейный ограничитель перенапряжений (фиг. 1) представляет собой корпус 1, выполненный из защитного изоляционного материала с высокими влагозащитными и тркингэрроизионными свойствами (например, силиконовой или кремнийорганической резины). В корпусе 1 установлена колонка последовательно соединенных высоконелинейных резисторов (варисторов) 2. Варисторы 2 отделены от корпуса 1 слоем электроизоляционного материала 3 с высокими механическими характеристиками, который защищает аппарат при механических нагрузках.Non-linear surge suppressor (Fig. 1) is a housing 1 made of a protective insulating material with high moisture-proofing and trekkingerroizionnymi properties (for example, silicone or silicone rubber). A column of highly connected non-linear resistors (varistors) 2 is installed in the housing 1. The varistors 2 are separated from the housing 1 by a layer of electrical insulation material 3 with high mechanical characteristics, which protects the device under mechanical loads.

Внутри корпуса 1 установлены газовые разрядники 4, не менее одного. Каждый газовый разрядник содержит не менее одного искрового промежутка. Каждый газовый разрядник 4 с помощью металлических электродов 5 подключен параллельно варисторам. Варисторы имеют форму цилиндра, а электроды 5 выполнены в форме круглой пластины. Для соединения варисторов с электродами пластины электродов прокладывают между слоями варисторов, при этом нижний ряд варисторов поджимает электрод к верхнему ряду, обеспечивая контакт варисторов с электродами (фиг. 2). С газовым разрядником, также имеющим цилиндрическую форму, пластина электрода соединена посредством болтов 6 или заклепок (фиг. 3).Inside the housing 1 installed gas arresters 4, at least one. Each gas spark gap contains at least one spark gap. Each gas spark gap 4 using metal electrodes 5 is connected in parallel to the varistors. The varistors are in the form of a cylinder, and the electrodes 5 are made in the form of a round plate. To connect the varistors with the electrodes, the electrode plates are laid between the varistor layers, while the lower row of varistors presses the electrode to the upper row, providing contact between the varistors and the electrodes (Fig. 2). With a gas spark gap, also having a cylindrical shape, the electrode plate is connected by means of bolts 6 or rivets (Fig. 3).

Изоляционный материал газовых разрядников имеет меньшие механические характеристики, чем основной изоляционный материал 3 корпуса 1 ОПН.The insulating material of gas arresters has lower mechanical characteristics than the main insulating material 3 of the housing 1 of the arrester.

Ограничитель напряжения работает следующим образом. При воздействии перенапряжений остающееся напряжение на ОПН определяется суммой остающихся напряжений на каждом варисторе. При протекании импульсного тока и достижении на варисторе определенной величины остающегося напряжения срабатывает искровой промежуток в газовом разряднике и тем самым шунтирует варистор. При этом остающееся напряжение на ОПН определяется суммой остающихся напряжений на не зашунтированных варисторах. После перенапряжений в газовых разрядниках горит дуга с токами порядка 1-2 мА, что позволяет ее погасить при первом прохождении тока через ноль.The voltage limiter operates as follows. Under the influence of overvoltages, the remaining voltage at the arrester is determined by the sum of the remaining voltages at each varistor. When the pulse current flows and the varistor reaches a certain value of the remaining voltage, a spark gap is triggered in the gas spark gap and thereby shunts the varistor. In this case, the remaining voltage at the arrester is determined by the sum of the remaining voltages on the non-shunted varistors. After overvoltages in gas arresters, an arc burns with currents of the order of 1-2 mA, which allows it to be extinguished during the first passage of current through zero.

В зависимости от необходимой величины остающегося напряжения на ОПН устанавливается два и более газовых разрядника. Газовые разрядники по своим характеристикам имеют такие же параметры, как и у варисторов. Номинальный разрядный ток разрядников составляет 5 кА или 10 кА.Depending on the required value of the remaining voltage, two or more gas arresters are installed on the arrester. Gas arresters in their characteristics have the same parameters as varistors. The rated discharge current of the arresters is 5 kA or 10 kA.

При повреждении ОПН происходит рост температуры и возникает дуга короткого замыкания внутри аппарата. Корпус разрядника имеет меньшие значения механической прочности и температуры плавления, что приводит к протеканию дуги тока через искровые промежутки разрядников и в дальнейшем через внешний защитный изоляционный материал с выходом на внешнюю поверхность ОПН. Газовые разрядники в конструкции ОПН позволяют избежать взрывного характера повреждения ограничителя и разлета осколков поврежденных варисторов.If the arrester is damaged, the temperature rises and a short-circuit arc arises inside the device. The arrester housing has lower values of mechanical strength and melting temperature, which leads to a current arc flowing through the spark gaps of the arrester and subsequently through an external protective insulating material with access to the outer surface of the arrester. Gas arresters in the design of the arrester prevent the explosive nature of damage to the limiter and the expansion of fragments of damaged varistors.

Экономическая эффективность использования предлагаемого технического решения обусловлена значительным упрощением конструкции и технологии производства ОПН. Предлагаемая конструкция позволила исключить использование операций ручной сборки. Введение в конструкцию ОПН газоразрядников привело к повышению надежности работы и увеличению срока службы устройства при воздействии квазистационарных перенапряжений, что позволило более эффективно защитить оборудование со сниженными характеристиками импульсной прочности изоляции от перенапряжений сети и снизить благодаря этому аварийность защищаемого оборудования - электрических машин, трансформаторов.The economic efficiency of using the proposed technical solution is due to a significant simplification of the design and production technology of arrester. The proposed design eliminated the use of manual assembly operations. The introduction of gas discharge arresters into the design of arrears has led to increased reliability and longer service life of the device under the influence of quasistationary overvoltages, which made it possible to more efficiently protect equipment with reduced characteristics of the impulse insulation strength from network overvoltages and thereby reduce the accident rate of protected equipment - electrical machines, transformers.

Claims

1. Non-linear surge suppressor, comprising a housing of protective insulating material, in which a column of highly connected non-linear varistors is connected in series, characterized in that it is supplemented by at least one gas spark gap, which is mounted parallel to the varistors and connected to them through an electrode.

2. Non-linear surge suppressor according to claim 1, characterized in that the electrodes are made in the form of a circular plate and connected to gas arresters using a bolt or rivet connection.

3. The nonlinear surge suppressor according to claim 1, characterized in that the number of gas arresters is determined depending on the magnitude of the remaining voltage across the arrester.