Разрядник для грозозащиты и линия электропередачи, снабженная таким разрядником

Разрядник для грозозащиты и линия электропередачи, снабженная таким разрядником

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Область техники

Предлагаемое изобретение относится к разрядникам для защиты электрооборудования и высоковольтных линий (ВЛ) электропередачи от грозовых перенапряжений. С помощью таких устройств могут защищаться, например, высоковольтные установки, изоляторы и другие элементы ВЛ, а также различное электрооборудование.

Уровень техники

Известен так называемый трубчатый разрядник для ограничения перенапряжений на линии электропередачи (см. Техника высоких напряжений. / Под ред. Д.В.Разевига. - М.: Энергия, 1976, с.287). Основу разрядника составляет трубка из изоляционного газогенерирующего материала. Один конец трубки заглушен металлической крышкой, на которой укреплен внутренний стержневой электрод. На открытом конце трубки расположен электрод в виде кольца. Промежуток между стержневым и кольцевым электродами называется внутренним или дугогасящим промежутком. Один из электродов подсоединяется к земле, а второй через внешний искровой промежуток подсоединяется к проводу линии электропередачи.

При грозовом перенапряжении оба промежутка пробиваются, и импульсный ток отводится в землю. После окончания импульса через разрядник продолжает проходить сопровождающий ток, и искровой канал переходит в дуговой. Под действием высокой температуры канала дуги переменного тока в трубке происходит интенсивное выделение газа, и давление сильно увеличивается. Газы, устремляясь к открытому концу трубки, создают продольное дутье, благодаря чему дуга гасится при первом же прохождении тока через нулевое значение.

В результате многократной работы разрядника разрядная камера трубки разрабатывается. Разрядник становится неработоспособным и подлежит замене, что требует больших эксплуатационных расходов.

Известен также разрядник для ограничения перенапряжений на линии электропередачи на основе защитного воздушного искрового промежутка, образованного между двумя металлическими стержнями (см. Техника высоких напряжений. / Под ред. Д.В.Разевига. - М.: Энергия, 1976, с.285). Один из стержней известного разрядника присоединен к высоковольтному проводу линии, а второй - к заземленной конструкции, например к телу опоры линии электропередачи. При перенапряжении искровой промежуток пробивается, ток грозового перенапряжения отводится в землю, и напряжение на устройстве резко падает. Таким образом, осуществляются отвод грозового тока и ограничение перенапряжения. Однако дугогасящая способность одиночного промежутка незначительна, так что после окончания перенапряжения по дуге искрового промежутка продолжает протекать сопровождающий ток. Поэтому должен вступить в работу выключатель и разорвать цепь, что весьма нежелательно для потребителей, получающих электроэнергию от данной линии.

Известен далее разрядник, отличающийся от описанного выше тем, что между первым и вторым основными электродами (стержнями) расположен третий промежуточный стержневой электрод (см., например, патент США №4665460, 12.05.87, Н01Т 004/02). Таким образом, вместо одного воздушного искрового промежутка создано два промежутка. Благодаря этому удалось несколько увеличить дугогасящую способность разрядника и с его помощью гасить небольшие (порядка десятков ампер) сопровождающие токи при однофазных замыканиях на землю. Однако этот разрядник не может отключать токи более 100 А, которые обычно бывают при двух- и трехфазных замыканиях на землю при грозовых перенапряжениях.

В качестве ближайшего аналога настоящего изобретения может быть выбран разрядник для грозозащиты элементов электрооборудования или линии электропередачи с так называемой мультиэлектродной системой (МЭС), описанный в патенте РФ №2299508, 20.05.2007, Н02Н 3/22. Данный разрядник содержит изоляционное тело, выполненное из твердого диэлектрика, два основных электрода, механически связанных с изоляционным телом, а также два или более промежуточных электродов. Промежуточные электроды расположены между основными электродами с взаимным смещением, по меньшей мере, вдоль продольной оси изоляционного тела. При этом они выполнены таким образом, чтобы обеспечить формирование стримерного разряда между каждым основным и смежным с ним промежуточным электродом, а также между смежными промежуточными электродами.

Благодаря разбиению интервала между основными электродами на множество искровых промежутков данный разрядник обладает более высокой дугогасящей способностью, чем устройства с одним или с малым количеством разрядных промежутков (см. например, Таев А. С.«Электрическая дуга в аппаратах низкого напряжения», изд. «Энергия», 1965 г., стр.85).

Тем не менее, дугогасящая способность известного разрядника недостаточно велика, что ограничивает его область применения только грозозащитой ВЛ 6-10. Его сложно применять для грозозащиты ВЛ более высоких классов напряжения, т.к. число промежуточных электродов и габариты разрядника становятся слишком большими.

Раскрытие изобретения

Соответственно, задачей, которую решает настоящее изобретение, является создание надежного и обладающего невысокой стоимостью в производстве и эксплуатации разрядника, характеризующегося низкими разрядными напряжениями и высокой эффективностью гашения тока. Это позволит использовать разрядник по изобретению для грозозащиты ВЛ более высокого напряжения (20-35 кВ и выше), а также улучшить технико-экономические характеристики разрядников 3-10 кВ.

Таким образом, достигаемым техническим результатом является повышение надежности и упрощение конструкции грозовых разрядников.

Указанная задача решена, в основном, созданием разрядника для грозозащиты электрооборудования или линии электропередачи, содержащего изоляционное тело, выполненное из твердого диэлектрика, два основных электрода, механически связанных с изоляционным телом, и два или более промежуточных электродов, выполненных с возможностью формирования разряда (например, стримерного) между каждым из основных электродов и смежным с ним промежуточным электродом и между смежными промежуточными электродами, причем смежные электроды расположены между основными электродами с взаимным смещением, по меньшей мере, вдоль продольной оси изоляционного тела. В частности, линия, вдоль которой с взаимным смещением размещены промежуточные электроды, может быть расположена по продольной оси изоляционного тела. Разрядник по изобретению характеризуется тем, что промежуточные электроды расположены внутри изоляционного тела и отделены от его поверхности слоем изоляции, толщина которого выбрана превышающей расчетный диаметр D_k канала указанного разряда, при этом между смежными промежуточными электродами выполнены выходящие на поверхность изоляционного тела разрядные камеры (полости), площадь S поперечного сечения которых в зоне формирования канала разряда выбрана из условия S<D_к·g, где g - минимальное расстояние между смежными промежуточными электродами.

В зависимости от конкретного исполнения разрядника и от используемой технологии его изготовления разрядные камеры могут выполняться в виде глухих или сквозных отверстий в изоляционном теле. При этом эти отверстия могут иметь различную форму поперечного сечения (сечения плоскостью, перпендикулярной оси камеры), т.е. являться круглыми, прямоугольными, иметь вид щелей или иную форму, обеспечивающую выполнение разрядной камерой своих функций, которые будут подробно описаны далее. В частности, размеры поперечного сечения разрядной камеры могут быть непостоянными по ее длине (например, увеличивающимися по мере приближения к поверхности изоляционного тела).

Для эффективного решения задачи, поставленной перед изобретением, существенным условием является оптимальный выбор размеров разрядных камер. Так, длину камеры, задающую минимальное расстояние g между смежными электродами, целесообразно выбирать с учетом конкретного назначения разрядника, определяющего такие параметры его использования, как тип защищаемых конструкций, класс напряжения и др. Например, в разрядниках, предназначенных для защиты ВЛ среднего класса напряжения (6-35 кВ) от удара молнии значение g может лежать в интервале 1-5 мм. Если же разрядник по изобретению должен использоваться для защиты ВЛ высокого и сверхвысокого напряжения, значение g следует увеличить до 5-20 мм.

В некоторых вариантах выполнения разрядника он может быть дополнительно снабжен разрядными камерами, выполненными между каждым из основных электродов и смежным с ним промежуточным электродом.

Что касается выполнения изоляционного тела, наиболее предпочтительным (в том числе по соображениям технологичности) представляется придание ему формы бруска, ленты или цилиндра. Стоимостные показатели разрядника могут быть дополнительно улучшены при использовании варианта, обеспечивающего уменьшение материалоемкости за счет выполнения изоляционного тела с утолщениями в местах выходов разрядных камер на поверхность изоляционного тела. Такое решение позволяет обеспечить требуемую толщину слоя изоляции только на участках, окружающих разрядные камеры, тогда как на отрезках между этими участками толщина данного слоя может быть существенно уменьшена.

В целях обеспечения технологичности разрядника промежуточные электроды целесообразно выполнить в виде пластин или цилиндров, например, из металла, графита или углеволокна.

Для того чтобы обеспечить важное требование в отношении низкого разрядного напряжения разрядника по изобретению, предлагается снабдить его дополнительным электродом, соединенным с одним из основных электродов, и расположить этот дополнительный электрод на поверхности изоляционного тела, противоположной по отношению к поверхности, на которую выходят разрядные камеры, или внутри изоляционного тела. В последнем случае может оказаться конструктивно целесообразным, чтобы у изоляционного тела имелся полый компонент, а дополнительный электрод был установлен внутри этого полого компонента. При этом и полому компоненту изоляционного тела, и дополнительному электроду целесообразно придать круглое поперечное сечение. Такое выполнение позволит изготовить разрядник по изобретению на основе кабельной заготовки (отрезка электрического кабеля), жила и твердая изоляция которой образуют соответственно дополнительный электрод и полый компонент изоляционного тела разрядника, имеющие одинаковую длину. В общем случае длина дополнительного электрода составляет, по меньшей мере, половину расстояния между основными электродами. Электрическая прочность изоляции между дополнительным электродом и другим, не соединенным с ним основным электродом, выбирается больше, чем расчетное разрядное напряжение между основными электродами.

При этом промежуточные электроды могут быть закреплены внутри ленты из изоляционного материала, образующей часть изоляционного тела. Такое решение облегчает задачу расположения промежуточных электродов по оптимальной траектории. Например, гибкая лента с электродами может быть зафиксирована на поверхности полого компонента изоляционного тела таким образом, что промежуточные электроды будут расположены параллельно продольной оси изоляционного тела. Альтернативно гибкая лента с промежуточными электродами может быть намотана по спирали на поверхность полого компонента, так что промежуточные электроды будут размещены, с взаимным смещением, вдоль линии, имеющей форму спирали. Последний вариант позволит увеличить, при неизменной общей длине разрядника, количество используемых в нем промежуточных электродов и за счет этого дополнительно повысить его дугогасящую способность.

В альтернативном варианте разрядник по изобретению может использоваться в сочетании с известным разрядником длинно-искровым (РДИ) петлевого типа. В этом варианте полому компоненту изоляционного тела может быть придана U-образная форма, причем первый основной электрод может быть выполнен в виде металлической трубки, охватывающей полый компонент в его изогнутой части. Второй основной электрод может быть механически соединен с одним или с обоими концами полого компонента изоляционного тела и электрически соединен с дополнительным электродом, функцию которого в данном варианте выполняет металлический стержень РДИ. Соответственно, длина дополнительного электрода равна длине изоляционного тела. Промежуточные электроды могут быть расположены на одном или на обоих плечах изоляционного тела.

Еще одна задача, решенная настоящим изобретением, состоит в создании линии электропередачи, обладающей надежной грозозащитой благодаря ее оснащению надежными и недорогими разрядниками, характеризующимися низкими разрядными напряжениями и высокой дугогасящей способностью.

Данная задача решена созданием линии электропередачи, содержащей опоры с изоляторами, по меньшей мере, один находящийся под электрическим напряжением провод, связанный с изоляторами посредством крепежных устройств, и, по меньшей мере, один разрядник для грозозащиты элементов линии электропередачи. В соответствии с изобретением такой разрядник (а предпочтительнее, каждый из множества таких разрядников) выполнен в виде разрядника по настоящему изобретению. Согласно предпочтительным вариантам осуществления изобретения один основной электрод, по меньшей мере, одного или каждого разрядника по изобретению непосредственно или через искровой разрядный промежуток соединен с защищаемым элементом линии, а другой основной электрод непосредственно или через искровой разрядный промежуток соединен с землей.

Если находящийся под напряжением провод линии электропередачи по изобретению расположен внутри изоляционного защитного слоя, отрезок этого провода, примыкающий к изолятору линии электропередачи и расположенный между основными электродами разрядника, может быть использован в качестве дополнительного электрода, а соответствующий ему отрезок защитного слоя - в качестве полого компонента изоляционного тела. В данном случае первый основной электрод будет выполнен в виде прокусывающего зажима, установленного на указанном отрезке изоляционного защитного слоя и электрически соединенного с концом указанного отрезка провода (т.е. с дополнительным электродом). Второй основной электрод будет расположен на поверхности изоляционного защитного слоя (т.е. полого компонента изоляционного тела) и электрически соединен с металлическим средством крепления провода. Промежуточные электроды разрядника при этом желательно закрепить внутри ленты из изоляционного материала, зафиксированной на поверхности указанного отрезка изоляционного защитного слоя.

В одном из предпочтительных вариантов линии электропередачи по изобретению используется вариант разрядника, у которого изоляционное тело и дополнительный электрод имеют круглое поперечное сечение, причем дополнительный электрод разрядника выполнен в виде штыря изолятора, который в этом случае устанавливается непосредственно на разрядник. Изоляционное тело разрядника соответственно выполнено в виде изоляционного колпачка, при помощи которого изолятор обычно закрепляется на штыре.

Краткое описание чертежей

Заявляемое изобретение иллюстрируется чертежами, где

на фиг.1 на виде спереди, в сечении, показан вариант осуществления разрядника с плоским изоляционным телом;

на фиг.2 разрядник по фиг.1 представлен на виде сверху;

на фиг.3 показан фрагмент разрядника в сечении на виде спереди по фиг.1;

на фиг.4 фрагмент по фиг.1 представлен на виде сверху;

на фиг.5 на виде спереди, в сечении, показан вариант разрядника по изобретению с цилиндрическим изоляционным телом.

на фиг.6 разрядник по фиг.5 представлен на виде сверху;

на фиг.7 на виде спереди, в сечении, показан вариант разрядника с изоляционным телом, имеющим утолщения в местах выхода на поверхность тела разрядных камер;

на фиг.8 разрядник по фиг.7 представлен на виде сверху;

на фиг.9 на виде спереди, в сечении, показан вариант разрядника с плоским изоляционным телом и с дополнительным электродом;

на фиг.10 разрядник по фиг.9 представлен на виде сверху;

на фиг.11 представлен фрагмент принципиальной электрической схемы разрядника по фиг.9;

фиг.12 поясняет распределение напряжения между электродами разрядника;

на фиг.13 в сечении представлен вариант разрядника с изоляционным телом и с дополнительным электродом, выполненными в форме цилиндра со скругленным окончанием;

на фиг.14 показан вариант осуществления разрядника по фиг.13 с промежуточными электродами, расположенными по спирали;

фиг.15 иллюстрирует вариант ВЛ по изобретению с разрядником, выполненным с использованием изоляционного колпачка и металлического штыря изолятора;

на фиг.16 представлен вариант разрядника с полым компонентом изоляционного тела и с дополнительным электродом, выполненными в форме петли;

на фиг.17, 18 на видах спереди и сверху показан вариант осуществления разрядника с промежуточными электродами, вваренными в изоляцию кабельной заготовки;

фиг.19 иллюстрирует вариант выполнения ВЛ по изобретению, использующей провод, расположенный внутри изоляционного защитного слоя.

Осуществление изобретения

Как показано на фиг.1-4, разрядник согласно изобретению содержит продолговатое плоское изоляционное тело 1, выполненное из твердого диэлектрика, например из полиэтилена. На концах изоляционного тела 1 установлены первый и второй основные электроды 2, 3 соответственно, которые за счет такой установки оказываются механически связанными с изоляционным телом. Внутри изоляционного тела 1 установлены m промежуточных электродов 4. Минимальное значение m равно двум, тогда как оптимальное количество промежуточных электродов выбирается с учетом конкретной формы их выполнения, расчетного значения перенапряжения и других условий их работы. В представленном на фиг.1-4 варианте разрядника имеется 5 промежуточных электродов 4, которые выполнены в виде прямоугольных пластин, смещенных одна относительно другой вдоль продольной оси разрядника (соединяющей основные электроды 2, 3). Между каждой парой смежных промежуточных электродов 4 имеется воздушный искровой промежуток, определяющий расстояние между смежными электродами (измеряемое вдоль линии, соединяющей смежные электроды). Согласно изобретению длина искрового промежутка не должна быть меньше минимального расстояния g между электродами 4, выбираемого с учетом условий работы разрядника, как это будет описано далее. При этом каждый такой искровой промежуток расположен в разрядной камере 5, выходящей на поверхность изоляционного тела 1.

При защите высоковольтных установок или линий электропередачи разрядник непосредственно или через искровой разрядный промежуток подключается одним основным электродом (например, первым основным электродом 2) к высоковольтному элементу электропередачи, например к проводу (на фиг.1-4 не изображен) электрически параллельно защищаемому элементу электропередачи, например изолятору (на фиг.1-4 не изображен). Своим другим, соответственно вторым, основным электродом 3 разрядник непосредственно или через искровой разрядный промежуток подключается к земле.

При воздействии на разрядник импульса перенапряжения от первого основного электрода 2 по направлению ко второму основному электроду 3 развивается разряд, последовательно пробивая промежутки между промежуточными электродами 4. Данный разряд, в зависимости от условий его формирования, может развиваться в различной форме, например в виде стримерного, лавинного или лидерного разряда. Далее для облегчения понимания и большей конкретности осуществление изобретения будет рассматриваться только на примере стримерного разряда, хотя оно применимо и к другим видам разряда. В процессе образования и развития искрового канала 6 происходит его расширение со сверхзвуковой скоростью. Как будет подробно описано далее, если сделать объемы разрядных искровых камер 5 между промежуточными электродами достаточно малыми, в результате развития разряда внутри камер 5 будет создаваться высокое давление. Под действием этого давления каналы 6 искровых разрядов между промежуточными электродами перемещаются к поверхности изоляционного тела (как это схематично показано на фиг.1 и 3) и далее выбрасываются наружу в окружающий разрядник воздух. Вследствие возникающего дутья, приводящего к удлинению каналов между промежуточными электродами, суммарное сопротивление всех каналов увеличивается. В результате общее сопротивление разрядника возрастает и происходит ограничение импульсного тока грозового перенапряжения. По окончании импульса грозового перенапряжения к разряднику остается приложенным напряжение промышленной частоты. Однако благодаря тому, что разрядник имеет большое сопротивление, а канал разряда разбит на множество элементарных каналов между промежуточными электродами, разряд не может самостоятельно существовать и гаснет.

Для обеспечения эффективности гашения параметры разрядника по изобретению, в первую очередь такие как минимальное расстояние g между смежными электродами, разделенными камерой 5, а также ширина разрядных камер 5 в зоне формирования разряда и толщина b слоя изоляции, должны выбираться в зависимости от расчетных характеристик разряда (в частности, от силы и крутизны тока в разряде и от его расчетного диаметра). Как это будет показано далее, расчетный диаметр разряда может быть определен с достаточной точностью исходя из требований к разряднику, обусловленных назначением разрядника, т.е. характеристиками и условиями использования элемента высоковольтного оборудования или ВЛ, защищаемого с его помощью.

Более конкретно, при выборе конструктивных параметров разрядников для защиты ВЛ необходимо учитывать, что возможны два существенно различных режима их работы: при ударе молнии вблизи высоковольтной линии электропередачи и при прямом ударе молнии (ПУМ) в линию.

Первый режим соответствует защите ВЛ от индуктированных перенапряжений, т.е. от перенапряжений, возникающих при ударе молнии вблизи ВЛ. Эти перенапряжения характеризуются относительно небольшими амплитудами, не более 300 кВ, и малой длительностью, порядка 2-5 мкс. Амплитуда тока имеет порядок 1-2 кА, а крутизна тока di/dt на фронте импульса лежит в диапазоне 0,1-2 кА/мкс. Как показали лабораторные исследования, применительно к данному режиму и к стримерной форме разряда оптимальное значение длины искрового разрядного промежутка находится в интервале 0,1-2 мм. Индуктированные перенапряжения опасны только для линий среднего класса напряжения, т.е. для ВЛ 6-35 кВ, причем для этих линий они являются основной причиной грозовых отключений. Прямые удары молнии в эти линии - явление относительно редкое вследствие небольшой высоты их опор. Таким образом, для защиты элементов ВЛ от индуктированных перенапряжений целесообразно использовать разрядники с g=0,1-2 мм.

При ПУМ в одиночный хорошо заземленный объект ток молнии может достигать 100 и более килоампер, длительность разряда - 50-1000 мкс, а крутизна тока di/dt на фронте импульса 20 кА/мкс. При ПУМ в провод ВЛ напряжение теоретически могло бы достичь 10 MB. Однако при ПУМ в ВЛ среднего напряжения, защищенную разрядниками, установленными электрически параллельно каждому изолятору, происходит срабатывание разрядников на нескольких опорах, т.к. длины пролетов небольшие (50-100 м) и уровень изоляции линии относительно низкий (100-300 кВ). Ток молнии распределяется между несколькими опорами, а на опорах разветвляется еще на три части между разрядниками трех фаз. Как показали полевые измерения, ток через одну опору не превышает 20 кА. Для таких величин тока во избежание образования проводящих каналов из расплавленного металла электродов целесообразно увеличить минимальное расстояние g между смежными электродами, разделенными камерой, до 4-5 мм.

На ВЛ высокого напряжения 110-220 кВ длины пролетов составляют 200-300 м, а уровень изоляции находится в диапазоне 500-1000 кВ. Поэтому при ПУМ в отводе тока молнии участвуют разрядники одной или двух опор, т.е. ток через один разрядник не превышает 40 кА. Для таких ВЛ по указанной выше причине целесообразно выбирать g в интервале 5-10 мм.

На ВЛ сверхвысокого напряжения 330-750 кВ длины пролетов составляют 400-500 м, а уровень изоляции находится в диапазоне 2000-3000 кВ. Поэтому при ПУМ в отводе тока молнии участвуют только разрядники одной опоры или только один разрядник пораженной молнией фазы. В связи с этим ток через один разрядник может достигать 60-100 кА. Для таких ВЛ целесообразно выбирать g в интервале 10-20 мм.

С учетом приведенных данных минимальное расстояние g между смежными электродами, разделенными камерой, согласно изобретению при его использовании для защиты элементов ВЛ среднего класса напряжения целесообразно выбирать в интервале 0,1-5 мм. Если же разрядник по изобретению предназначен для защиты элементов ВЛ высокого или сверхвысокого напряжения, значение g целесообразно выбирать в интервале 5-20 мм.

Площадь поперечного сечения S разрядных камер и толщина b изоляции могут быть оценены из следующих соображений.

Расчетный радиус r_к канала стримера при разряде в воздухе при нормальных условиях может быть определен по формуле С.И.Брагинского (см. Техника высоких напряжений: учебник для вузов. / Под ред. Г.С.Кучинского. СПб.: Энергоатомиздат, 2003, стр.88):

где t - время, с; di/dt - крутизна тока, А/с.

В Таблице приведены расчетные значения радиуса r_k по формуле (1) для различных, наиболее характерных значений di/dt и t. Следует отметить, что радиус канала r_k и соответственно его диаметр D_k=2r_к являются функциями времени, т.е. с увеличением времени они возрастают. Данные расчета приведены в последовательности, дающей постепенное увеличение радиуса стримерного канала.

В качестве параметра t приведены значения длин фронта импульса для наиболее характерных вариантов использования разрядника: 1) при индуктированных перенапряжениях (т.е. при ударе молнии вблизи линии); 2) при прямом ударе молнии в провод для повторных разрядов; 3) при ударе молнии в линию и обратном перекрытии линейной изоляции (например, гирлянды изоляторов); 4) при прямом ударе молнии в провод линии. Крутизны тока di/dt, приведенные в Таблице, также соответствуют вышеназванным вариантам.

Разумеется, для определения расчетного значения радиуса (диаметра) канала стримерного (или иного) разряда могут быть использованы и другие расчетные формулы или экспериментальные методы, оптимизированные для конкретных ситуаций использования разрядника и/или для конкретных вариантов конструкции разрядника по изобретению (например, для конкретных профилей разрядных камер или конструкции промежуточных электродов). Однако, как это подтверждено результатами лабораторных испытаний, расчеты по формуле (1) дают приемлемые результаты практически для всех вариантов разрядника, охватываемых прилагаемой формулой изобретения.

Для того чтобы при разряде возникло избыточное давление в разрядной камере, должны выполняться определенные условия. Рассмотрим эти условия применительно к варианту разрядника с промежуточными электродами в виде пластин и с разрядными камерами, имеющими форму параллелепипедов (см. фиг.1). Стример зарождается между точками смежных промежуточных электродов, на которых напряженность поля максимальна (в рассматриваемом варианте - между углами промежуточных электродов). При развитии стримера его канал расширяется со сверхзвуковой скоростью в радиальном от оси направлении. Если диаметр канала стримера становится больше, чем глубина разрядной камеры h, т е.

где b - толщина слоя изоляции; а - толщина электрода, он начинает перемещаться по стенкам камеры наружу, что способствует его охлаждению и, соответственно, гашению разряда. Таким образом, минимальная толщина изоляции, способствующая гашению разряда, должна быть

где а - толщина электрода. Чем больше толщина изоляции b, тем сильнее возникающее в процессе расширения канала стримера дутье, т.е. тем лучше охлаждается и гасится канал разряда. Поэтому для повышения надежности гашения целесообразно выбрать значение b превышающим расчетный диаметр D_к канала.

С другой стороны, с увеличением b усиливается давление на стенки газоразрядных камер, что может привести к разрушению разрядника. Оптимальная толщина изоляции b может быть определена расчетным и экспериментальным путем при конкретной разработке разрядника в зависимости от его назначения и применяемых материалов. Однако, полагая приближенно толщину электрода а=1 мм, можно указать границы, в которых она находится, используя формулу (3) и данные Таблицы: b=1÷35≈1÷40 мм.

Продольное сечение канала стримера имеет расчетную площадь D_к·g. Однако при выборе ширины камеры меньшей D_k, т.е. при выполнении условия

стример полностью перекроет разрядную камеру по ширине, не успев достичь расчетного диаметра D_k. Другими словами, стримерный разряд займет всю площадь S поперечного сечения разрядной камеры. Как следствие, канал стримера будет выдуваться из разрядной камеры наружу, что приведет к ускоренному гашению разряда.

Подставляя в (4) соответствующие значения расчетного диаметра D_k=2r_к, где значения радиуса r_к канала стримера взяты из Таблицы (r_к=0,5-18 мм и g=0,1-20 мм), легко определить конкретные значения и диапазоны возможных изменений площади поперечного сечения разрядных камер:

Механизм гашения искрового разряда внешне напоминает механизм гашения дугового разряда в трубчатом разряднике, описанном в разделе "Уровень техники", но имеет существенное отличие, которое состоит в том, что внутри трубчатого разрядника достаточно долго (до 10 мс) горит дуга, имеющая температуру порядка 20 тыс. градусов. Она выжигает стенки газогенерирующей трубки, и образовавшиеся от теплового разрушения газы выбрасывают канал разряда наружу. В разряднике по изобретению гашение искрового разряда происходит сразу после окончания импульса грозового перенапряжения, длительность которого в среднем составляет порядка 50 мкс, т.е. примерно на 3 порядка меньше, чем длительность горения дуги. Кроме того, температура канала стримера не превышает 5-6 тыс. градусов, т.е. примерно в 4 раза меньше, чем температура дуги. Благодаря указанным двум факторам в разряднике по изобретению практически нет эрозии даже после многократных срабатываний.

На практике возможны следующие варианты применения разрядников:

1) для защиты ВЛ среднего класса напряжения (СН) 6-35 кВ от индуктированных перенапряжений (см. Таблицу, строки 1 и 2);

2) для защиты ВЛ высокого (ВН) 110-220 кВ и сверхвысокого (СВН) 330-7500 кВ классов напряжения при наличии грозозащитного троса от обратных перекрытий (см. Таблицу, строки 5 и 6);

3) для защиты ВЛ высокого 110-220 кВ и сверхвысокого 330-7500 кВ классов напряжения при отсутствии грозозащитного троса от прямых ударов молнии в провод линии (см. Таблицу, строки 3, 4 и 7, 8) и обратных перекрытий (см. Таблицу, строки 5 и 6).

При конструировании разрядников необходимо ориентироваться на наиболее тяжелые условия работы в данном классе, т.е. на наибольшие значения крутизны тока di/dt и времени t. Так, для защиты ВЛ 6-35 кВ от индуктированных перенапряжений следует расчет конструкции разрядника вести в соответствии со строкой 2 приведенной таблицы, т.е. для t=2 мкс и соответственно для r_к=1,8 мм. При этом согласно изобретению толщина слоя изоляции b желательно должна быть больше, чем диаметр канала D_k к моменту максимума напряжения, т.е. b>D_k=2r_к=2·1,8=3,6 мм. Площадь поперечного сечения разрядной камеры S, по изобретению, должна быть S<D_к·g=2·3,6=7,2 мм². Например, при круглой форме поперечного сечения разрядной камеры ее диаметр d должен быть не более

Экспериментальные исследования показали, что в конкретных реализациях, рассчитанных на вариант 1 применения, т.е. предназначенных для защиты ВЛ 10 кВ от индуктированных перенапряжений, параметры разрядника могут быть, например, следующие: число разрядных камер m=50; g=2 мм; b=4 мм; d=3 мм; S=7 мм² (реализация 1). Для ВЛ 20 кВ: m=150; g=3 мм; b=4 мм; d=3 мм; S=7 мм² (реализация 2).

При этом следует учитывать, что в разряднике по изобретению ограничения накладываются только на минимальное расстояние между смежными электродами, разделенными камерой, на минимальное значение толщины изоляции и на максимальное значение площади поперечного сечения разрядной камеры. Это позволяет оптимизировать конструкцию разрядника применительно к конкретным вариантам его использования, варьируя указанные параметры, а также форму разрядных камер в достаточно широких пределах.

На фиг.5, 6 показан вариант разрядника с цилиндрическим изоляционным телом 1 и с разрядными камерами 5, проходящими от промежуточных электродов 4 к верхней и к нижней поверхностям изоляционного тела 1. Таким образом, разрядные камеры 5 выполнены в виде сквозных отверстий, проходящих через изоляционное тело 1 и определяющих разрядные воздушные промежутки между промежуточными электродами 4. Поперечное сечение камеры может иметь прямоугольную (как показано на фиг.1-4), круглую (как показано на фиг.6) или иную форму. Вариант по фиг.5, 6 обладает большей технологичностью по сравнению с вариантом, показанным на фиг.1-4, т.к. для его изготовления может быть применена, например, высокотехнологичная гидроабразивная резка материалов, с использованием которой возможно быстрое и точное выполнение сквозных отверстий.

В сквозных (т.е. выходящих на обе стороны изоляционного тела) разрядных камерах давление, создаваемое внутри камеры при расширении канала разряда, меньше, чем в глухих (т.е. с выходом только на одну поверхность изоляционного тела) камерах, поэтому скорость перемещения канала разряда в них меньше и эффективность гашения ниже. Однако надежность их работы выше, т.к. вероятность разрыва камеры при избыточном давлении ниже. То же самое относится и к щелевым камерам. Эффективность гашения их ниже, но электродинамическая стойкость (т.е. способность выдерживать большие токи, например, при прямом ударе молнии в линию) выше. Поэтому выбор типа и формы разрядных камер зависит от назначения разрядника (например, для защиты от индуктированных перенапряжений или от ПУМ), технологии изготовления и экономических факторов.

На фиг.7, 8 показан вариант разрядника с изоляционным телом 1 в виде гибкой ленты с утолщениями в местах выходов разрядных камер 5 на поверхность изоляционного тела 1 и с промежуточными электродами 4 в виде круглых металлических шайб или шайб из графита. Этот вариант характеризуется наиболее экономным использованием изоляционного материала для изготовления изоляционного тела 1, так как необходимая толщина b изоляции, определяющая размер камеры по ее оси, обеспечивается локально в месте выхода камеры на поверхность изоляционного тела.

На фиг.9, 10 представлен вариант разрядника с плоским изоляционным телом 1 и с дополнительным электродом 7. Первый основной электрод 2 предназначен для подключения к элементу высоковольтной линии электропередачи, например к проводу, находящемуся под высоким потенциалом, а второй основной электрод 3 - к земле, имеющей нулевой потенциал. В данном варианте помимо разрядных камер 5 между промежуточными электродами 4 введены дополнительные разрядные камеры между каждым из основных электродов 2, 3 и смежным с ним промежуточным электродом 4. Дополнительные разрядные камеры могут быть выполнены аналогично разрядным камерам между промежуточными электродами. Однако в некоторых вариантах выполнения разрядника по изобретению параметры дополнительных разрядных камер могут быть модифицированы с учетом того, что длина канала разряда в этих камерах может превышать длину аналогичного канала в остальных разрядных камерах.

Дополнительный электрод 7 электрически соединен со вторым