Что такое разрядник в электрике

Устройство и принцип действия вентильных разрядников

Основными элементами вентильного разрядника являются искровой промежуток и нелинейный последовательный резистор, которые включаются последовательно между токоведущим проводом и землей параллельно защищаемой изоляции.

При воздействии на разрядник импульса грозового перенапряжения его искровой промежуток пробивается и через разрядник проходит ток. Разрядник таким образом вводится в работу. Напряжение, при котором пробиваются искровые промежутки, называется пробивным напряжением разрядника.

После пробоя искрового промежутка напряжение на разряднике, а значит, и на защищаемой им изоляции снижается до величины, равной произведению импульсного тока I и на сопротивление последовательного резистора Rи. Это напряжение называется остающимся напряжением Uосн. Его величина не остается постоянной, а изменяется вместе с изменением величины импульсного тока I и, проходящего через разрядник. Однако в течение всего времени работы разрядника остающееся напряжение не должно повышаться до величины, опасной для защищаемой изоляции.

Рис. 1. Электрическая схема включения вентильных разрядников. ИП — искровой промежуток, Rн — сопротивление нелинейного последовательного резистора, U — импульс грозового перенапряжения, И — изоляция защищаемого объекта.

После прекращения протекания импульсного тока через разрядник продолжает проходить ток, обусловленный напряжением промышленной частоты. Этот ток называется сопровождающим. Искровые промежутки разрядника должны обеспечить надежное гашение дуги сопровождающего тока при первом прохождении его через нуль.

Рис. 2. Форма импульса напряжения до и после срабатывания вентильного разрядника. t р — время срабатывания разрядника (время разряда), I и — импульсный ток разрядника.

Напряжение гашения вентильных разрядников

Надежность гашения дуги искровым промежутком зависит от величины напряжения промышленной частоты на разряднике в момент гашения сопровождающего тока. Максимальная величина напряжения, при которой искровые промежутки разрядников надежно разрывают сопровождающий ток, называется наибольшим допустимым напряжением или напряжением гашения Uгаш.

Величина напряжения гашения вентильного разрядника задается режимом работы электроустановки, в которой он работает. Так как при грозовых воздействиях могут происходить одновременно замыкание одной фазы на землю и работа вентильных .разрядников на других неповрежденных фазах, то напряжение на этих фазах при этом повышается. Напряжение гашения вентильных разрядников выбирается с учетом подобных повышений напряжения.

Для разрядников, работающих в сетях с изолированной нейтралью, напряжение гашения принимается равным U гаш =1,1 х 1,73 х U ф = 1,1 U н, где U ф — рабочее фазное напряжение.

При этом учитывается возможность повышения напряжения на неповрежденных фазах до линейного при замыкании одной фазы на землю и еще на 10% из-за регулирования напряжения потребителя. Следовательно, наибольшее рабочее напряжение разрядника составляет 110% номинального линейного напряжения Uном.

Для разрядников, работающих в сетях с глухо заземленной нейтралью, напряжение гашения составляет 1,4 U ф, т. е. 0,8 номинального линейного напряжения сети: U гаш = 1,4 U ф = 0,8 U ном. Поэтому такие разрядники иногда называются 80%-ными.

Искровые промежутки вентильных разрядников

Искровые промежутки вентильных разрядников должны удовлетворять следующим требованиям: иметь стабильное пробивное напряжение при минимальных разбросах, иметь пологую вольт-секундную характеристику, не изменять свое пробивное напряжение после многократных срабатываний, гасить дугу сопровождающего тока при первом переходе его через нулевое значение. Этим требованиям удовлетворяют многократные искровые промежутки, которые собираются из единичных искровых промежутков с малыми воздушными зазорами. Единичные искровые промежутки включаются последовательно и на каждый из них при наибольшем допустимом напряжении приходится около 2 кВ.

Деление дуги на короткие дуги в единичных искровых промежутках повышает дугогасящие свойства вентильного разрядника, что объясняется интенсивным охлаждением дуги и большим падением напряжения у каждого электрода (эффект катодного падения напряжения).

Напряжение пробоя искровых промежутков вентильного разрядника при воздействии атмосферных перенапряжений определяются его вольт-секундной характеристикой, т. е. зависимостью времени разряда от амплитуды импульса перенапряжения. Время разряда – это время от начала воздействия импульса перенапряжения до пробоя искрового промежутка разрядника.

Для эффективной защиты изоляции вольт-секундная характеристика ее должна лежать выше вольт-секундной характеристики разрядника. Сдвиг вольт-секундных характеристик необходим для того, чтобы сохранить надежность защиты при случайном ослаблении изоляции в эксплуатации, а также из-за наличия зон разброса разрядных напряжений как у самого разрядника, так и у защищаемой изоляции.

Читайте также:  Зарядное устройство для аккумуляторного шуруповерта

Вольт-секундная характеристика разрядника должна иметь пологую форму. Если она будет крутой, как это показано на рис. 3 пунктиром, то это приведет к тому, что разрядник потеряет универсальность, так как для каждого вида оборудования, обладающего индивидуальной вольт-секундной характеристикой, потребуется свой специальный разрядник.

Рис. 3. Вольт-секундные характеристики вентильных разрядников и защищаемой ими изоляции.

Нелинейный последовательный резистор. К нему предъявляются два противоположных требования: в тот момент, когда через него проходит ток молнии, его сопротивление должно уменьшаться; тогда же когда через него проходит сопровождающий ток промышленной частоты, оно должно, наоборот, увеличиваться. Таким требованиям удовлетворяет карборундовое сопротивление , которое изменяется в зависимости от приложенного к нему напряжения: чем выше приложенное напряжение, тем ниже его сопротивление и, наоборот, чем ниже приложенное напряжение, тем больше его сопротивление.

Кроме того, последовательно включенное карборундовое сопротивление, являясь активным сопротивлением, уменьшает сдвиг по фазе между сопровождающим током и напряжением, а при одновременном переходе их через нулевое значение гашение дуги облегчается.

С повышением напряжения величина сопротивления запорных слоев падает, что обеспечивает прохождение больших токов при относительно небольших падениях напряжения.

HTML clipboard Зависимость напряжения на разряднике от величины проходящего через него тока (вольт-амперная характеристика) приближенно выражается уравнением:

где U — напряжение на сопротивлении нелинейного резистора вентильного разрядника, I — ток, проходящий через нелинейный резистор, С — постоянная, численно равная сопротивлению при токе 1 А, α — коэффициент вентильности.

Чем меньше коэффициент α, тем меньше изменяется напряжение на нелинейном резисторе при изменении проходящего через него тока и тем меньше остающееся напряжение на вентильном разряднике.

Каждый импульс тока оставляет в последовательном резисторе след разрушения – происходит пробой запорного слоя отдельных зерен карборунда. Многократное прохождение импульсов тока приводит к полному пробою резистора и разрушению разрядника. Полный пробой резистора наступает тем скорее, чем больше амплитуда и длина импульса тока. Поэтому пропускная способность вентильного разрядника ограничена. При оценке пропускной способности вентильных разрядников учитывается пропускная способность и последовательных резисторов и искровых промежутков.

Резисторы должны выдерживать без повреждения 20 импульсов тока длительностью 20/40 мкс с амплитудой, зависящей от типа разрядника. Например, для разрядников типов РВП и РВО напряжением 3 – 35 кВ амплитуда тока равна 5000 А, типа РВС напряжением 16 – 220 кВ – 10 000 А и типов РВМ и РВМГ напряжением 3 – 500 кВ – 10000 А.

Для повышения защитных свойств вентильного разрядника нужно снижать остающееся напряжение, чего можно достичь уменьшением коэффициента вентильности α последовательного нелинейного резистора при одновременном повышении дугогасящих свойств искровых промежутков.

Повышение дугогасящих свойств искровых промежутков дает возможность увеличить сопровождающий ток, обрываемый ими, а следовательно, позволяет уменьшить сопротивление последовательного резистора. Техническое усовершенствование вентильных разрядников в настоящее время идет именно этими путями.

Следует отметить, что в схеме вентильного разрядника важное значение имеет заземляющее устройство. При отсутствии заземления разрядник работать не может.

Заземления вентильного разрядника и защищаемого им оборудований объединяются. В тех случаях, когда вентильный разрядник по каким-либо причинам имеет отдельное от защищаемого оборудования заземление, величина его нормируется в зависимости от уровня изоляции оборудования.

После тщательного осмотра разрядники устанавливают на опорные конструкции, выверяют по уровню и отвесу с подкладкой в необходимых случаях под цоколь отрезков из листовой стали и закрепляют на опорах с помощью хомута болтами.

При работе электрических установок возникают напряжения, которые могут значительно превышать номинальные значения. Возникающие перенапряжения делятся на две группы: внутренние (коммутационные) и атмосферные. Первые возникают при коммутации электрических цепей (индуктивности, конденсаторов, длинных линий), дуговых замыканий на землю и других процессах. Вторые возникают при воздействии атмосферного электричества, имеют импульсных характер. Эти перенапряжения могут пробить электрическую изоляцию элементов электрооборудования и вывести установку из строя.

Чтобы избежать пробоя, изоляция должна выдерживать возникающие перенапряжения в сети, а значит, необходимо увеличивать габаритные размеры электрооборудования.

В целях облегчения изоляции электрооборудования возникающие перенапряжения ограничивают с помощью разрядников.

Искровой разрядник – это электрический аппарат, искровой промежуток которого пробивается при определенном значении приложенного напряжения, ограничивая тем самым перенапряжение в установке. Основным элементом разрядника является искровой промежуток. Вольт-секундная характеристика этого промежутка должна лежать ниже вольт-секундной характеристики защищаемого оборудования. При появлении перенапряжения промежуток должен пробиться раньше, чем изоляция защищаемого оборудования.

Читайте также:  Как сделать деревянный нож в домашних условиях

После пробоя линия заземляется через сопротивление разрядника. При этом напряжение на линии определяется током, проходящим через разрядник, сопротивлениями разрядника и заземления. Чем меньше эти сопротивления, тем эффективнее ограничиваются перенапряжения, то есть больше разница между возможным и ограниченным разрядником перенапряжением. Во время пробоя через разрядник протекает импульс тока.

Напряжение на разряднике при протекании импульса тока данных значения и формы называется остающимся напряжением. Чем меньше это напряжение, тем лучше качество разрядника.

После прохождения импульса тока искровой промежуток оказывается ионизированным и легко пробивается номинальным фазным напряжением. Возникает короткое замыкание на землю, при котором через разрядник протекает ток промышленной частоты, который называется сопровождающим. Сопровождающий ток может изменяться в широких пределах.

Чтобы избежать выключения оборудования от релейной защиты, этот ток должен быть отключен разрядником в возможно малое время (около полупериода промышленной частоты).

На этом же принципе основан и вентильный разрядник. Он состоит из нескольких искровых промежутков и рабочего резистора(нелинейный вилитовый резистор). Искровые промежутки последовательно соединены с рабочим резистором. Во время перенапряжения искровые промежутки пробиваются, задача рабочего резистора — снизить значение сопровождающего тока до величины, которая сможет быть успешно погашена искровыми промежутками. Такой разрядник обладает особенным свойством — его сопротивление нелинейно — оно падает с увеличением значения силы тока. Это свойство позволяет пропустить больший ток при меньшем падении напряжения. Благодаря этому свойству вентильные разрядники и получили свое название. Среди прочих преимуществ вентильных разрядников следует отметить бесшумность срабатывания и отсутствие выбросов газа или пламени.

К разрядникам предъявляются требования:

-вольт-секундная характеристика разрядника должна идти ниже характеристики защищаемого оборудования;

-искровой промежуток разрядника должен иметь определенную гарантированную электрическую прочность при промышленной частоте и импульсах напряжения;

-остающееся напряжение на разряднике, характеризующее его ограничивающую способность, не должно достигать опасных для изоляции оборудования значений;

-сопровождающий ток частотой 50 Гц должен отключаться за минимальное время;

разрядник должен допускать большое число срабатываний без осмотра и ремонта.

В настоящее время разрядники уже устаревают и их заменяют на более современные ОПН (ограничитель перенапряжения)

В электрических сетях довольно часто наблюдается появление импульсных всплесков напряжения, вызванных различными причинами: коммутацией аппаратуры, атмосферными разрядами и прочими факторами. Несмотря на то, что такие перенапряжения носят кратковременный характер, они способны вызвать пробой изоляции с последующим коротким замыканием и разрушительными последствиями.

Одним из вариантов предотвращения негативных последствий могло бы стать использование более надежной изоляции, однако этот способ значительно увеличивает стоимость всего оборудования. Поэтому наиболее оптимальным вариантом стали разрядники, назначение которых зависит от области их применения. Основной функцией этих устройств является ограничение перенапряжений в электрических сетях и установках.

Общее устройство и принцип работы

Высокочастотное оборудование защищается не только молниеотводами, но и с помощью высоковольтных разрядников. Каждый из них состоит из двух основных частей – электродов и устройства для гашения дуги.

Один из электродов устанавливается на защищаемую цепь, а к другому подводится заземление. Между ними образуется пространство, известное как искровой промежуток. Когда напряжение достигает определенного значения, наступает пробой искрового промежутка между двумя электродами. За счет этого с защищаемого участка цепи снимается перенапряжение. Основным техническим требованием, предъявляемым к разряднику, является определенный уровень гарантированной электрической прочности в условиях промышленной частоты. То есть, при нормальном режиме работы сети разрядник не должен пробиваться.

После пробоя в действие вступает дугогасительное устройство. Под действием импульса повышается ионизация искрового промежутка, в результате чего пробивается фазное напряжение, действующее в нормальном режиме. Оно приводит к короткому замыканию и срабатыванию защитных устройств на этом участке. Основной задачей дугогасительного устройства как раз и является скорейшее устранение замыкания, до срабатывания средств защиты.

Читайте также:  Пайка стали оловом в домашних условиях

Широкое распространение получили конструкции газовых разрядников. В их состав входит коаксиальный элемент с незначительным разрядным промежутком, и патрон с выводом на землю. В промежутке между ними выполняется установка газоразрядного элемента в форме таблетки, заключенного в стеклянную или керамическую оболочку и оборудованного электродами с каждой стороны. Внутреннее пространство оболочки заполнено газом – аргоном или неоном.

В случае перенапряжения происходит срабатывание защиты: под действием высокой температуры в разряднике наступает резкое падение сопротивления. После этого образуется дуговой разряд с напряжением около 10 вольт. Каждый такой разрядник оборудуется собственным заземлением, в противном случае он будет бесполезен.

Во всех газовых разрядниках центральная жила коаксиального кабеля и первый электрод соединяются между собой. Второй электрод соединяется с заземленным корпусом разрядника. Когда через устройство проходит высокий импульс с большим напряжением, происходит пробой разрядника и центральная жила кабеля в течение короткого времени шунтируется на землю. Наблюдается существенное падение значения тока, до состояния гашения дуги, после чего наступает размыкание, то есть прибор находится в непроводящем режиме.

Как правило, газоразрядная трубка считается одноразовой деталью разрядника, требующая замены после каждого срабатывания.

Технические характеристики газовых разрядников

Каждый газовый разрядник обладает специфическими электрическими свойствами и техническими характеристиками.

  • Номинальный импульсный ток разряда. Технические требования, предъявляемые к разряднику, определяют его способность выдерживать определенное значение импульсного тока. Отклонение от нормы имеет допустимые пределы, определяемые требованиями. Номинальное значение тока всегда указано в технической спецификации конкретного устройства.
  • Емкость и сопротивление изоляции. Данные параметры достигают, соответственно, свыше 10 гОм и менее 1 пФ, что делает такие устройства буквально незаменимыми при использовании в той или иной сети.
  • Статическое напряжение срабатывания. Данным параметром определяется тип разрядника, установленного в защитном устройстве. Его значение равно напряжению, достаточному для зажигания разрядника, при условии медленного возрастания величины напряжения.
  • Динамическое напряжение срабатывания. Эта величина является своеобразным пределом, когда наступает быстрый рост напряжения, при котором происходит срабатывание газового разрядника.

Виды разрядников

Трубчатый разрядник. Изготовлен в виде полихлорвиниловой трубки, предназначенной для гашения дуги. На каждом конце разрядника имеется по одному электроду. К одному электроду подводится заземление, а другой устанавливается на незначительном расстоянии от защищаемого участка.

Регулировка этого расстояния осуществляется в зависимости от величины напряжения на участке. В случае возникновения перенапряжения, возникает пробой сразу в двух местах – между обоими электродами и между разрядником и защищаемым участком. Действие пробоя приводит к возникновению в трубке интенсивной газогенерации, а продольное дутье, образующееся в выхлопном отверстии, вполне способно погасить электрическую дугу.

Вентильный разрядник. Конструкция включает две основные части: многократный искровой промежуток, состоящий из нескольких однократных элементов и рабочий резистор, представляющий собой последовательно набранные вилитовые диски. Оба основных элемента последовательно соединены между собой. Рабочий резистор обеспечивается герметичной защитой от внешней среды, в связи со свойствами вилита изменять свои характеристики при повышенной влажности. При появлении перенапряжения возникает пробой многократного искрового промежутка.

Рабочий резистор выполняет задачу снижения тока до такой величины, чтобы ее могли свободно погасить искровые промежутки. Сопротивление вилита является нелинейным, оно снижается по мере увеличения силы тока. Данное свойство дает возможность пропускать больше тока при уменьшении падения напряжения. Основным достоинством разрядников этого типа считается бесшумное срабатывание при отсутствии выбросов газа или пламени.

Магнитовентильный разрядник. В его состав входят несколько блоков, соединенных последовательно, с магнитными искровыми промежутками и вилитовыми дисками. В каждом блоке имеются единичные искровые промежутки, соединенные последовательно, и постоянные магниты. Все элементы блока размещаются в фарфоровом цилиндре. Во время пробоя в единичных промежутках возникает дуга. На нее воздействует поле, создаваемое кольцевыми магнитами, заставляя вращаться с высокой скоростью. В результате, гашение дуги происходит гораздо быстрее, чем в других типах вентильных разрядников.

Ограничитель перенапряжения нелинейный. В этом разряднике отсутствуют искровые промежутки. Конструкция активной части ограничителя включает в себя последовательный набор варисторов. Именно на их свойствах основан принцип работы всего устройства, поскольку проводимость варисторов находится в зависимости от прилагаемого напряжения.

Ссылка на основную публикацию
Adblock detector