Вентильные разрядники.

Вентильные разрядники (РВ) применяются для защиты изоляции электрооборудования подстанций. Основными элементами вентильного разрядника являются многократный искровой промежуток и соединенный последовательно с ним резистор с нелинейной вольтамперной характеристикой (рис. 3.4). При воздействии на РВ импульса грозового перенапряжения пробивается искровой промежуток и через разрядник проходит импульсный ток, создающий падение напряжения на сопротивлении резистора. Благодаря нелинейной вольтамперной характеристике это падение напряжения мало меняется при существенном изменении импульсного тока (рис. 7.23).

Одной из основных характеристик РВ является остающееся напряжение U_ост,представляющее собой падение напряжения на сопротивлении резистора при определенном импульсном токе (5–14 кА в зависимости от типа РВ), который называется током координации I_к.

Остающееся напряжение и близкое к нему по значению импульсное пробивное напряжение искрового промежутка РВ U_пр должны быть на 20–25 % ниже разрядного или пробивного напряжения защищаемой изоляции (координационный интервал).

Вслед за импульсным током через РВ проходит сопровождающий ток промышленной частоты, величина которого зависит от сопротивления нелинейного резистора. Сопротивление же нелинейного резистора при рабочем напряжении такое большое, что возникающий достаточно слабый сопровождающий ток не способен поддержать дуговое состояние в искровом промежутке разрядника. В результате при переходе тока через нулевое значение дуга в искровом промежутке гаснет.

Наибольшее напряжение промышленной частоты на РВ, при котором надежно гаснет дуга и прекращается сопровождающий ток, называется напряжением гашения U_гаш, а соответствующий сопровождающий ток – током гашения I_гаш (см. рис. 7.24).

Гашение сопровождающего тока может осуществляться в условиях однофазного замыкания на землю, поэтому в качестве напряжения гашения принимается напряжение на неповрежденных фазах при однофазном замыкании на землю:

, (7.14)

где K_з – коэффициент, зависящий от способа заземления нейтрали; U_ном – номинальное линейное напряжение.

Коэффициент K_з для установок с заземленной нейтралью равен 0,8, а для установок с изолированной нейтралью – 1,1.

Дугогасящее действие искрового промежутка РВ характеризуется коэффициентом гашения

, (7.15)

где – пробивное напряжение искровых промежутков при частоте 50 Гц, а защитное действие нелинейного резистора – коэффициентом защиты (защитным отношением)

. (7.16)

Очевидно, что увеличение нелинейности сопротивления резистора приводит к уменьшению остающегося напряжения и снижению K_защ (рис. 3.5). С другой стороны, чем больший ток I_гаш допустим для разрядника, тем меньше U_ост при неизменной вольтамперной характеристике сопротивления. Таким образом, значение K_защ определяется не только свойствами нелинейного резистора, но и конструкцией искрового промежутка, от которой зависит ток гашения.

Рис. 7.25. Размещение искровых промежутков и дисков в разряднике РВС-20: 1 – стандартный комплект искровых промежутков; 2 – блок нелинейных резисторов

Основу нелинейного резистора разрядника составляет порошок электротехнического карборунда SiC. На поверхности карборунда имеется запорный слой толщиной порядка 100 мкм из окиси кремния SiO₂, сопротивление которого нелинейно зависит от напряженности электрического поля. При малых напряженностях поля (при небольших напряжениях на резисторе) удельное сопротивление слоя составляет 10⁴ – 10⁶ Ом×м, и практически все напряжение ложится на него, так как удельное сопротивление самого карборунда значительно меньше – около 10^-2 Ом×м. При повышении напряженности поля сопротивление запорного слоя резко падает и значение сопротивления нелинейного резистора начинает определяться собственно карборундом. Свойство материала резко менять свое сопротивление в зависимости от напряжения, обеспечивая пропускание очень больших токов при высоких напряжениях и весьма малых при пониженных, называют вентильным. Отсюда и название аппарата: вентильный разрядник.

Нелинейные резисторы РВ выполняются в виде дисков, состоящих из карборундового порошка и связующего материала. В зависимости от технологии изготовления получают диски из вилита или тервита. В качестве связки используется жидкое стекло. Вилитовые диски спекаются при сравнительно низкой температуре (около 300 °С). Тервитовые диски при изготовлении обжигаются при температуре выше 1000 °С, и часть запорных слоев из окиси кремния разрушается. При этом возрастает пропускная способность (до 1500 А вместо 300 А для вилита), однако уменьшается степень нелинейности материала.

На рис. 7.25 для примера показана конструкция вентильного разрядника РВС-20.

Основной недостаток вентильных разрядников связан с тем, что резисторы на основе карборунда обладают сравнительно невысокой нелинейностью. Снижение защитного отношения РВ достигается ценой значительного усложнения искровых промежутков, которые в разрядниках принимают на себя часть напряжений гашения.

С использованием варисторов из карбида кремния в сочетании с искровыми промежутками к настоящему времени разработаны достаточно эффективные ограничители перенапряжений: магнитно-вентильные разрядники РВМ и РВМГ для защиты изоляции от грозовых перенапряжений; магнитно-вентильные комбинированные разрядники РВМК для защиты изоляции установок сверхвысокого напряжения 330–1150 кВ от грозовых и коммутационных перенапряжений; магнитно-вентильные разрядники с растягивающейся дугой РВРД для защиты изоляции вращающихся машин от грозовых перенапряжений и т.д. Однако возможности таких защитных аппаратов практически, по-видимому, исчерпаны.