Искровой разрядник

Полезная модель относится к области защиты элементов высоковольтного оборудования при контроле изоляции объекта при рабочем напряжении.

Известен искровой защитный разрядник (см. Г.М.Сви «Контроль изоляции оборудования высокого напряжения», М., 1988 г., с.108), содержащий два противостоящих острийных электрода, один из которых подключен к токоведущей части защищаемой цепи, другой заземлен. При работе в сети промышленной частоты он срабатывает с частотой 100 Гц.

Основным недостатком данного разрядника является то, что при такой частоте вследствие электрической эрозии происходит быстрое обгорание острийных электродов. Это в течении нескольких секунд приводит к резкому увеличению его пробивного напряжения (в 3-4 и более число раз). Следовательно, за это время разрядник утрачивает свои защитные свойства.

Наиболее близким по конструкции к предлагаемому нами разряднику является, выбранный нами за прототип, искровой защитный разрядник (см. Ю.В.Киселев, В.П.Черепанов «Искровые разрядники», М., 1976 г., с.37-44) типаР-13, РБ-3, Р-5, Р-20, Р-2М, Р-22, Р-26, Р-29, Р-44, в котором используются два противостоящих электрода с плоскими торцевыми поверхностями. Электроды закреплены в герметичном стеклянном (напр.: Р-13, Р-22, Р-44) или металлостеклянном (напр.: Р-29, Р-26) корпусе, заполняемом газом или смесью газов при повышенном или пониженном давлении: например, Р-13 - Аr при 0,4 МПа; Р-29 - смесь О ₂+CО₂+N₂ при 0,15-0,2 МПа; Р-26 - гелий; Р-22 - Ar+N₂ при 400 мм рт.ст.; Р-44 - Ar+N₂ при 650 мм рт.ст. Электроды выполнены из сплава ВНБ-3 с введением радиоактивного изотопа Ni⁶³ (Р-13, Р-26) или вольфрама (Р-29), или никеля, покрытого радиоактивным изотопом Fe ⁵⁵ (РБ-3, Р-5), или сплава W+3Ni+3BaCaWO ₆ (Р-22, Р-44).

Недостатком этих разрядников является сложность конструкции и технологии производства, требующих изготовления герметичных корпусов, использования специальных газов и электродов из дорогостоящих материалов.

Основным техническим результатом предлагаемого нами искрового защитного разрядника является простота в изготовлении, т.к. они работают при атмосферном давлении и не требуют герметичного корпуса, в использовании электродов из обычных материалов, высокая надежность и стабильность работы при напряжении промышленной частоты в течение 1 часа и более в непрерывном режиме.

Основной технический результат достигается тем, что в искровом защитном разряднике, содержащем корпус, в котором укреплены два противостоящих электрода с плоскими торцевыми рабочими поверхностями, согласно предложенному решению, электроды выполнены из нержавеющей стали или дюралюминия, или латуни, плоские торцевые рабочие поверхности которых предварительно, в течении не менее 5 минут, тренированы электрическими разрядами.

На фиг.1 показан пример конкретного выполнения искрового защитного разрядника, используемого для защиты измерительной обкладки высоковольтного ввода при измерении характеристик его изоляции при рабочем напряжении. Разрядник 1 содержит корпус 2 из оргстекла, в который вкручены два противостоящих электрода 3 диаметром 6 мм, из нержавеющей стали или дюралюминия, или латуни с плоскими торцевыми рабочими поверхностями. После установки межэлектродного расстояния 0,2-0,3 мм электроды контрагаются гайками 4. Гайками 5 на электродах закрепляются соединительные провода 6, служащие для подключения к элементам защищаемой цепи.

На фиг.2 показано расположение двух искровых защитных разрядников 1 в схеме измерения изоляционных характеристик высоковольтного ввода 7 (Св) при рабочем напряжении с использованием устройства 8 для подключения измерительного прибора 9 к высоковольтному оборудованию. Одним из проводов 6 разрядники 1 подключены к токоведущему элементу схемы, другим - к заземленной части оборудования. Один из разрядников расположен в устройстве 8 и служит для защиты измерительной обкладки 10 (Си) ввода 7 при внезапном отключении измерительного прибора 9 или обрыве кабеля измерительного прибора 11 в режиме проведения измерений тогда, когда узел 12 присоединения кабеля измерительного прибора устройства 8 отключен от земли. Другой такой же разрядник установлен в герметичном корпусе 13 измерительного вывода обкладки 10 и служит для защиты ее при внезапном обрыве кабеля 14 в любом режиме работы.

На фиг.3 представлены графики изменения пробивного напряжения И_пр. разрядника в зависимости от времени его работы t_p для различных материалов электродов:

(а) - нержавеющая сталь: (б) - дюралюминий; (в) - латунь.

На фиг.4 показаны осциллограммы изменения напряжения за один период в защищаемой цепи в начальный период работы (г) разрядника (до 5 мин.) и в последующий период времени (д). Пунктиром (е) приведена форма изменения напряжения промышленной частоты, воздействующего на измерительную обкладку 10 ввода 7 при отключенном измерительном приборе 9 и отсутствии защитных разрядников 1 в случае разземления ее в узле 12.

Работа предложенного нами искрового защитного разрядника осуществляется следующим образом. Разрядники (фиг.1), плоские торцевые поверхности электродов 3 которых предварительно (после изготовления и сборки) в течение не менее 5 мин. тренированы электрическими разрядами, устанавливаются в схеме измерения изоляционных характеристик высоковольтных вводов 7 при рабочем напряжении 220В (фиг.2). Они подключены к выводу измерительной обкладки 10 и размещаются в герметичных устройстве 8 для подключения измерительного прибора к высоковольтному оборудованию и корпусе измерительного вывода 13 ввода 7. Пробивное напряжение разрядников (300-500 В) соответствует значениям при t_p более 5 мин. (фиг.3).

В режиме, когда измерения не проводятся, вывод измерительной обкладки 10 заземлен в узле 12 устройства 8. В этом случае напряжение на выводах разрядников 1 отсутствует. При проведении измерений к измерительной обкладке через кабель 14 и устройство 8 с помощью кабеля 11 подключается измерительный прибор 9, а заземление в узле 12 устройства 8 отключается. В этом режиме работы значение напряжения на измерительной обкладке не превышает нескольких десятков вольт, что существенно ниже пробивного напряжения разрядников. При возникновении внештатных ситуаций, приведенных выше, на измерительной обкладке 10 ввода 7 возможно появление напряжения промышленной частоты амплитудой до 6 кВ (фиг.4, осц. е). Изоляции измерительной обкладки на это напряжение не рассчитана. В этом случае защитные разрядники срабатывают и напряжение на обкладке 10 снижается до безопасных 300-500 В (фиг.4, осц. д). При работе разрядника в схемах контроля изоляции элементов высоковольтного оборудования (вводы, трансформаторы тока и др.) при рабочем напряжении разрядный ток, протекающий через разрядник, ограничен высоким электрическим сопротивлением основной изоляции объекта и составляет не более нескольких десятков миллиампер. При таких токах разряд не может перейти в дуговую стадию и происходит в форме тлеющего разряда. Для нетренированных электрическими разрядами поверхностей электродов при межэлектродном расстоянии 0,2÷0,3 мм пробивное напряжение достигает значений 1,5-2 кВ и более. Тлеющий разряд развивается в нестационарной форме, что приводит к возникновению многократных срабатываний разрядника даже в пределах одного полупериода воздействующего напряжения (фиг.4, осц. г).

Напряжение зажигания тлеющего разряда и устойчивость его горения зависит от способности катода эмитировать электроны. Тренировка электродов приводит к появлению на их рабочих поверхностях микронеоднородностей с высоким коэффициентом усиления электрического поля, нагара, что способствует увеличению

эмиссии электронов, а, следовательно, к снижению напряжения зажигания разряда и его стабилизации (фиг.4, осц. д).

Тренировка электродов электрическими разрядами производится после изготовления и сборки разрядников в установках, позволяющих получать разрядные токи близкие к реальным (20-40 мА). Как видно из графика, приведенного на фиг.3, пробивное напряжение стабилизируется при времени тренировки 5 и более минут.

Таким образом, предложенные искровые защитные разрядники позволяют в аварийных случаях снижать уровень напряжения в цепи измерительной обкладки объектов контроля изоляции с 4-6 кВ до 300-500 В при ресурсе работы 1 час и более в непрерывном режиме в сетях переменного тока промышленной частоты.

Предложенные нами защитные разрядники прошли испытания и установлены в эксплуатацию на высоковольтном оборудовании 110-220 кВ подстанций «Томскэнерго», «Кузбассэнерго» и «Тюменьэнерго» в количестве более двух тысяч штук.

Искровой защитный разрядник, содержащий корпус, в котором укреплены два противостоящих электрода с плоскими торцевыми рабочими поверхностями, отличающийся тем, что электроды выполнены из нержавеющей стали или дюралюминия, или латуни, плоские торцевые поверхности которых предварительно, в течение не менее пяти минут, тренированы электрическими разрядами.