Вентильные разрядники

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

Вилитовый разрядник

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

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

Принцип работы разрядника заключается в следующем.

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

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

После пробоя искровых промежутков напряжение на разряднике будет равно:

Напряжение на вентильном

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

Зависимость между напряжением и током для разрядника

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

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

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

Вольт-амперная характеристика вилитового резистора

Зерна карборунда SiC с удельным сопротивлением примерно 10-2 Ом·м составляют основу вилита. На поверхности карборундовых зерен создается пленка из окиси кремния SiO2 толщиной 10-7 м. Сопротивление данной пленки зависит от напряжения, приложенного к ней. При небольших напряжениях удельное сопротивление составляет примерно 104 – 106  Ом·м. Сопротивление пленки резко уменьшается при увеличении приложенного напряжения, что и ограничивает величину падения напряжения. В этом случае сопротивление в основном определяется зернами карборунда.

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

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

Торцевые поверхности металлизируются.  Они являются контактами диска.

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

Остающееся напряжение при наличии дисков будет увеличено:

Остающееся напряжение на разряднике

Число дисков n должно быть меньше для уменьшения остающегося напряжения.

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *