Разрядник длинно-искровой

Разрядник длинно-искровой

Разрядник длинно-искровой (РДИ) является устройством защиты воздушных линий электропередачи 6 — 10 кВ от грозовых перенапряжений.

Принцип действия

При ударе молнии в линию или вблизи нее на проводах линии возникает грозовое перенапряжение, под воздействием которого изоляция линии может перекрыться.

После грозового перекрытия изоляции вероятность установления силовой дуги главным образом зависит от средней напряженности электрического поля, создаваемой рабочим напряжением линии на канале перекрытия.

Физические закономерности, связанные с переходом импульсного перекрытия в силовую дугу, исследовались в разных лабораториях мира. На основе обобщения результатов этих исследований и опыта эксплуатации действующих ВЛ в России принято нормативное соотношение, позволяющее оценивать вероятность возникновения силовой дуги при грозовых перекрытиях изоляции (1.1):

Ρ(д)=(1,59U*J*I-6) * 10-²= (1,59E-6)*10-²

где Е=U(ф)/l — средняя напряженность электрического поля вдоль пути перекрытия, кВ/м; U(ф) — фазное напряжение линии, кВ/м; l — длина пути перекрытия, м.

Как видно из (1.1), при заданном номинальном напряжении вероятность возникновения дуги приблизительно обратно пропорциональна длине пути перекрытия. Поэтому за счет увеличения l можно снизить вероятность установления силовой дуги и, следовательно, сократить число отключений линий. Данный способ грозозащиты реализует этот принцип за счет использования специальных разрядников.

Принцип работы разрядника основан на использовании эффекта скользящего разряда, который обеспечивает большую длину импульсного перекрытия по поверхности разрядника, и предотвращении за счет этого перехода импульсного перекрытия в силовую дугу тока промышленной частоты. Разрядный элемент РДИ, вдоль которого развивается скользящий разряд, имеет длину, в несколько раз превышающую длину защищаемого изолятора линии. Конструкция разрядника обеспечивает его более низкую импульсную электрическую прочность по сравнению с защищаемой изоляцией. Главной особенностью длинно-искрового разрядника является то, что вследствие большой длины импульсного грозового перекрытии вероятность установления дуги короткого замыкания сводится к нулю.

Авторы идеи

Авторы идеи РДИ Подпоркин Георгий Викторович, доктор технических наук, профессор Политехнического Университета Санкт — Петербурга, Senior Member IEEE, и Сиваев Александр Дмитриевич, кандидат технических наук, начали первые эксперименты по разработке длинно — искровых разрядников ещё в 1989 году, а в 1992 было получено авторское свидетельство.

Разрядные напряжения скользящего разряда

Фотография скользящего разряда

Длинно-искровые разрядники основаны на эффекте скользящего разряда. Упрощенная эквивалентная схема скользящего разряда по поверхности твердого диэлектрика приведена на рис. 2.1.

Рисунок 2.1.

Электроды 7 и 2, между которыми развивается разряд, расположены на поверхности твердого диэлектрика 4. К электроду L прикладывается импульс высокого напряжения U, а электрод 2 заземляется, то есть имеет потенциал 0. На противоположной поверхности твердого диэлектрика 4 расположена проводящая подложка 3, гальванически связанная с электродом 2. Таким образом, напряжение U, приложенное между электродами 1 и 2, воздействует также на электроды 1 и 3. Вследствие малой толщины диэлектрика наличие подложки 3 обеспечивает весьма высокие значения напряженности электрического поля на поверхности электрода L (особенно на его кромках) при относительно небольшом напряжении U. При достижении начальной напряженности коронного разряда с электрода 1 начинает развиваться скользящий разряд. Фактически наличие электрода 2 слабо влияет на величину напряженности электрического поля на поверхности электрода L и, соответственно, на напряжение коронного разряда. Канал разряда 5 обладает распределенной емкостью С относительно подложки 3. Элементарный участок канала имеет емкостное сопротивление относительно подложки (1.2):

X(c)=1/ω*C

где ω — эквивалентная круговая частота воздействующего импульса напряжения.

Под воздействием импульса напряжения U через него течет элементарный ток (1.3):

i=U/X(c)=U*ω*C

Общий емкостной ток есть сумма элементарных токов (1.4):

I=Σi=ΣU*ω*C=U*ω*ΣC

Ток, проходящий через основание канала разряда, является током переноса электронов и ионов в канале, однако в диэлектрике он продолжается емкостным током и равен ему по величине. Ток, протекающий через канал, его разогревает, что приводит к термической ионизации газа в канале и к падению сопротивления канала. Вследствие этого потенциал электрода L выносится на конец канала разряда, где увеличивается напряженность электрического поля и происходит дальнейшее образование лавин электронов и стримеров с конца канала разряда. Падение напряжения на канале скользящего разряда невелико, поэтому длина его резко увеличивается с ростом напряжения и процесс завершается полным перекрытием промежутка.

Чем больше ток в канале разряда, тем выше проводимость канала и потенциал на его конце, следовательно, длиннее скользящий разряд и ниже напряжение перекрытия. Ток, в свою очередь, определяется емкостью канала разряда по отношению к противоположному электроду. Поэтому чем больше емкость, тем ниже должно быть разрядное напряжение при неизменном расстоянии между электродами по поверхности диэлектрика. Таким образом, разрядное напряжение может быть связано с емкостью канала разряда по отношению к противоположному электроду.

Следует особо отметить слабую зависимость разрядного напряжения от расстояния между электродами, то есть весьма большое расстояние может быть перекрыто скользящим разрядом при относительно небольшом напряжении. Этот эффект скользящего разряда используется в длинно-искровых разрядниках. Исследования разрядных характеристик скользящего разряда выполнены в по схеме, приведенной на рис. 2.2. Испытания проведены стандартным грозовым импульсом 1,2/50 мкс положительной и отрицательной полярности. При воздействии импульса перенапряжения достаточной величины на изоляцию провода возможен либо пробой твердой изоляции, либо скользящий разряд по ее поверхности. Были исследованы различные виды изоляции: наилучшие результаты получены для изоляции, выполненной из полиэтилена.

Весьма длинные промежутки (5 м и более) по поверхности проводов перекрываются при относительно низком напряжении. Разрядные напряжения при отрицательной полярности импульса существенно ниже, чем при положительной. Чем тоньше слой изоляции, тем ниже разрядные напряжения, а также напряжения пробоя изоляции. Разрядные напряжения по поверхности изолированного провода должны быть ниже, чем пробивное напряжение изоляции. Таким образом, толщина изоляции должна быть скоординирована с необходимой длиной перекрытия РДИ.

Модификации РДИ

Разрядник длинно-искровой петлевого типа (РДИП)

РДИП-10 предназначен для защиты воздушных линий электропередачи напряжением 6-10 кВ трехфазного переменного тока с защищёнными и неизолированными проводами от индуктированных грозовых перенапряжений и их последствий и рассчитан для работы на открытом воздухе при температуре окружающего воздуха от минус 60 °C до плюс 50 °C в течение 30-и лет.

Конструктивный эскиз, показывающий общий вид и основные составные части разрядника приведен на рис.1а.

Рисунок 1а

Разрядник состоит из согнутого в виде петли металлического стержня, покрытого слоем изоляции из полиэтилена высокого давления. Концы изолированной петли закреплены в зажиме крепления, с помощью которого разрядник присоединяется к штырю изолятора на опоре ВЛ. В средней части петли поверх изоляции расположена металлическая трубка. На проводе ВЛ, напротив металлической трубки разрядника, закрепляется универсальный зажим для создания необходимого воздушного искрового промежутка S. Закрепление изолированной петли разрядника на ВЛ производится с помощью зажима крепления. Зажим крепления изготовлен из стали, покрытой защитным слоем цинка, и имеет конструкцию, обеспечивающую надежное крепление разрядника к элементам арматуры ВЛ. Конструкция зажима крепления разрядника может быть изменена и иметь форму, адаптированную под конкретные условия крепления разрядника на опоре ВЛ.

Универсальный зажим для провода изготовлен из стали, покрытой защитным слоем цинка. Конструкция зажима позволяет устанавливать его как на неизолированные, так и на защищённые провода, зажим для которых имеет прокусывающие шипы. Принцип работы разрядника основан на использовании эффекта скользящего разряда, который обеспечивает большую длину импульсного перекрытия по поверхности разрядника, и предотвращении за счет этого перехода импульсного перекрытия в силовую дугу тока промышленной частоты. При возникновении на проводе ВЛ индуктированного грозового импульса искровой воздушный промежуток S между проводом ВЛ и металлической трубкой разрядника пробивается, и напряжение прикладывается к изоляции между металлической трубкой и металлическим стержнем петли, имеющим потенциал опоры. Под воздействием приложенного импульсного напряжения вдоль поверхности изоляции петли от металлической трубки к зажиму крепления разрядника (по одному, или по обоим плечам петли) развивается скользящий разряд. Вследствие эффекта скользящего разряда вольт-секундная характеристика разрядника расположена ниже, чем вольт-секундная характеристика изолятора, то есть при воздействии грозового перенапряжения разрядник перекрывается, а изолятор нет. После прохождения импульсного тока молнии разряд гаснет, не переходя в силовую дугу, что предотвращает возникновение короткого замыкания, повреждение провода и отключение ВЛ. На рис.1б представлен момент срабатывания разрядника при воздействии грозового импульса перенапряжения во время лабораторных испытаний на полномасштабной модели траверсы ВЛ 10 кВ.

Рисунок 1б

Основные технические характеристики РДИП-10-4-УХЛ1

Конструкция узла крепления РДИП-10-4-УХЛ1 позволяет устанавливать его на штырь или крюк изолятора ВЛ и на другие элементы арматуры с защищенными и неизолированными проводами. Длинно-искровые разрядники:

• предотвращают пережог проводов (как и «дугозащитные рога»);
• исключают дуговые замыкания и отключения линии, возникающие вследствие индуктированных грозовых перенапряжений.

Разрядный элемент РДИ, вдоль которого развивается скользящий разряд, имеет длину, в несколько раз превышающую длину импульсного перекрытия защищаемого изолятора линии. Конструктивные особенности разрядника обеспечивают более низкое разрядное напряжение при грозовом импульсе по сравнению с разрядным напряжением защищаемой изоляции. Главной особенностью РДИ является то, что вследствие большой длины грозового перекрытия вероятность установления дуги короткого замыкания практически сводится к нулю.

Класс напряжения, кВ	10
Размер внешнего искрового промежутка, см	78
Размер внешнего искрового промежутка, см	2 - 4
50% импульсное пробивное напряжение, кВ, не более	110
Напряжение координации с изолятором ШФ10-Г, кВ	400
Выдерживаемое напряжение коммутационного импульса, кВ	90
Выдерживаемое напряжение промышленной частоты, кВ:
в сухом состоянии	60
под дождем	50
Ток гашения дуги при номинальном напряжении, А	200
Выдерживаемый импульсный ток 8-20 мкс, кА	40

Схема установки

Разрядник предназначен для защиты ВЛ 6, 10 кВ от индуктированных грозовых перенапряжений, которые, как уже отмечалось, составляют подавляющую долю от общего числа грозовых перенапряжений, способных приводить к перекрытиям изоляции.

Известно, что величина индуктированных перенапряжений не превосходит значения 300 кВ, и это позволяет при правильной организации грозозащиты исключить возможность одновременного перекрытия двух или трех фаз на одной опоре и, соответственно, междуфазных коротких замыканий. Для этого необходимо устанавливать по одному разряднику на опору с чередованием фаз, например, на первой опоре разрядник устанавливается на фазу А, на второй — на фазу В, на третьей — на фазу С и т. д. (см. рис.2).

Рисунок 2

При такой системе установки индуктированное на линии грозовое перенапряжение приводит к перекрытию разрядников на разных фазах соседних опор и образованию контура междуфазного замыкания сопровождающего тока напряжения промышленной частоты, в который включены сработавшие разрядники и сопротивления заземления опор Rз (см. рис.2), ограничивающие этот ток на уровне нескольких сотен ампер, способствуя его гашению и предотвращению отключения ВЛ.

Разрядные характеристики РДИП-10 обеспечивают то, что ни один из изоляторов всех трех фаз в данной схеме не перекрывается, поскольку каждый из них защищен разрядником, установленным электрически параллельно ему и расположенным либо непосредственно рядом с изолятором, либо на соседней опоре. При уровнях индуктированных перенапряжений, близких к импульсному напряжению срабатывания разрядника, возможно перекрытие разрядника лишь на одной опоре, приводящее к однофазному замыканию на землю. Ток замыкания при этом не превышает 10-20 А, и петлевой разрядник с общей длиной перекрытия 80 см гарантированно исключает возникновение силовой дуги.

Усовершенствованный разрядник длинно-искоровой петлевой РДИП1

РДИП1-10 по характеристикам, принципу действия и назначению не отличается от разрядника РДИП-10-IV-УХЛ1, являясь лишь его конструктивной модификацией.

Рисунок 3

Конструктивное отличие РДИП1 от РДИП сводится к измененным форме изгиба петли, деталям узла крепления и способу обеспечения воздушного зазора между разрядником и проводом. Общий вид разрядника приведен на рис.3. Воздушный разрядный промежуток между электродом РДИП1 и проводом сохраняет установленные параметры независимо от геометрии провода в пролете и даже при проскальзывании провода в обвязке на изоляторе.

Разрядник длинно-искровой модульный (РДИМ)

Фотография испытаний РДИМ

РДИМ предназначен для защиты от прямых ударов молнии и индуктированных грозовых перенапряжений воздушных линий электропередачи (ВЛ) и подходов к подстанциям напряжением 6, 10 кВ трехфазного переменного тока с неизолированными и защищенными проводами.

РДИМ обладает наилучшими вольт-секундными характеристиками, именно поэтому его целесообразно применять для защиты участков линии, подверженных прямым ударам молнии, а также для защиты подходов к подстанциям ВЛ.

РДИМ состоит из двух отрезков кабеля с корделем, выполненным из резистивного материала. Отрезки кабеля сложены между собой так, что образуются три разрядных модуля 1, 2, 3 (см. рис. 4).

Рисунок 4

Отрезки резистивного корделя подсоединяются к металлическим оконцевателям через внутренние искровые промежутки И1, И2, И3, И4. При воздействии импульса грозового перенапряжения они перекрываются и резистивный кордель верхнего отрезка кабеля, имеющий сопротивление R, выносит высокий потенциал U на поверхность нижнего отрезка кабеля в его средней части. Аналогично, резистивный кордель нижнего отрезка кабеля, имеющий также сопротивление R, выносит низкий потенциал 0 на поверхность верхнего отрезка кабеля в его средней части. Таким образом, к каждому разрядному модулю одновременно приложено полное напряжение U и для всех трёх разрядных модулей 1, 2, 3 созданы условия для одновременного начала развития скользящих разрядов, которые, при перекрытии соответствующих модулей, создают единый, длинный канал перекрытия.

Технические характеристики РДИМ-10-1,5-IV-УХЛ1

Класс напряжения, кВ	10
Длина перекрытия по поверхности, мм	1500
50% импульсное разрядное напряжение, кВ, не более
на положительной полярности	100
На отрицательной полярности	90
Напряжение координации с изолятором ШФ10-Г, кВ	300
Многократно выдерживаемое внутренней изоляцией импульсное напряжение, не менее, кВ	300, 50 импульсов
Выдерживаемое напряжение промышленной частоты, не менее, кВ:
в сухом состоянии	42
под дождем	28
Ток гашения дуги при номинальном напряжении, А	200
Выдерживаемый импульсный ток 8/20 мкс, кА	40 , 20 импульсов
масса, кг	1,6
срок службы, не менее, лет	30

Схема установки

При необходимости обеспечения гарантированной защиты от любых грозовых воздействий, в том числе, от прямого удара молнии в ВЛ, нужно устанавливать на каждую опору защищаемого участка ВЛ по три разрядника модульного типа РДИМ-10-1,5-IV-УХЛ1, на все фазы. При этом необходимо обеспечить низкое (желательно не более 10 Ом) сопротивление заземления лишь на ближайших нескольких опорах подхода ВЛ к подстанции. Остальные опоры по условиям грозозащиты специально заземлять не требуется. В случае если технико-экономический анализ показывает целесообразность защиты от прямых ударов молнии не всей линии, а лишь отдельных участков, их целесообразно защищать следующим образом. На всех опорах защищаемого участка следует установить по три разрядника модульного типа РДИМ-10-1,5-IV-УХЛ1, на все фазы. Две опоры, являющимися крайними с двух сторон защищаемого от прямых ударов молнии участка ВЛ, необходимо заземлять, обеспечивая, по возможности, величину их сопротивления заземления не более 10 Ом. Если это требование по объективным причинам невыполнимо, следует компенсировать это дополнительным заземлением еще одной, или нескольких соседних опор на каждой из сторон участка. Остальные опоры данного участка ВЛ специально заземлять не надо.

Установка РДИМ для защиты подходов к подстанции

Для защиты подхода к подстанции от набегающих волн грозовых перенапряжений устанавливается комплект их трех разрядников РДИМ на каждую из 4-х ближайших опор к подстанции. Так оборудование ближайших к подстанции опор исключает повреждение оборудования подстанции пр любых последствиях удара молнии.

Список литературы

1. Подпоркин Г.В. Молниезащита и электромагнитная совместимость электротехнического и электронного оборудования. Грозозащита линий электропередачи 6-10кВ длинно-искровыми разрядниками (РДИ): Учеб.пособие. Спб.: Изд-во СПбГТУ, 2001, 58 с.
2. Защита сетей 6-35 кВ от перенапряжений / Халилов Ф.Х., Евдокунин Г.А., Поляков B.C., Подпоркин Г.В., Таджибаев А.И. - СПб.: Энергоатомиздат. Санкт-Петербургское отделение, 2002.- 272 с.
3. МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ ПО ЗАЩИТЕ РАСПРЕДЕЛИТЕЛЬНЫХ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СЕТЕЙ НАПРЯЖЕНИЕМ 0,4-10 кВ ОТ ГРОЗОВЫХ ПЕРЕНАПРЯЖЕНИЙ (разработчик Открытое акционерное общество по проектированию сетевых и энергетических объектов (ОАО "РОСЭП"), утверждены Протоколом № 2 заседания Постоянно действующей комиссии по нормативно-техническому обеспечению деятельности ОАО "ФСК ЕЭС" от 30.11.2004, введены в действие с 01.12.2004

[1]

1. Подпоркин Г.В., Сиваев А.Д. Новая грозозащита линий электропередачи с помощью длинно-искровых разрядников. – Энергетик, 1997 г. № 3, с. 15 – 17.
2. Грозозащита ВЛ 6-10 кВ длинно-искровыми разрядниками. – Руководящие материалы по проектированию электроснабжения сельского хозяйства (РУМ), 2000 г., №11, с. 10-36.
3. Подпоркин Г.В., Пильщиков В.Е., Сиваев А.Д. Грозозащита воздушных линий 10 кВ длинно-искровыми разрядниками модульного типа / Электричество, 2002, № 4, с. 8-15.
4. Г. В. Подпоркин, В. Е. Пильщиков, А. Д. Сиваев “Защита ВЛ 6 - 10 кВ от грозовых перенапряжений посредством длинно-искровых разрядников модульного типа”, «Энергетик» 2003, №1, стр. 27-29.
5. Г. В. Подпоркин, В. Е. Пильщиков, А. Д. Сиваев, М. К. Ярмаркин «О грозозащите ВЛ 35- 110 кВ длинно –искровыми разрядниками антенного типа», Известия РАН «Энергетика», 2003, № 6, стр. 59-68.
6. Г. В. Подпоркин, В. Е. Пильщиков, А. Д. Сиваев, М. К. Ярмаркин «Грозозащита ВЛ 10 кВ длинно-искровыми разрядниками антенного типа» «Электричество», 2004, №8, стр. 7-15.
7. Г. В. Подпоркин, Н.Н. Тиходеев «О сооружении компактных ВЛ 35 кВ с использованием защищенных проводов», «Энергетик» 2004, №8 стр. 19-22.
8. Пильщиков В. Е., Сиваев А. Д. «Повышение дугогасящей способности длинно – искровых разрядников», «Электротехника», № 8, 2006 г., стр. 47-53.
9. Подпоркин Г. В., Калакутский Е. С. «Система защиты ВЛ 35 кВ с защищёнными проводами от грозовых перенапряжений и их пережога» , «Энергетик» 2006, №10, стр. 19-22.

Международные публикации

1. G. V. Podporkin, A. D. Sivaev, "Lightning Protection of Overhead Distribution Lines by Long Flashover Arresters", IEEE Transactions on Power Delivery, Vol. 13, 1998, No. 3, July, pp. 814-823.
2. G. V. Podporkin, N. N. Tikhodeev “Compact 35 kV Overhead Lines with Covered Conductors”, IEEE, Power Tech, St. Petersburg, Russia, June 27-30, 2005, report 103.