Линия электропередачи с импульсным грозовым разрядником

 

Использование: в области высоковольтной техники, в линиях электропередачи. Сущность: импульсный грозовой разрядник выполнен в виде продолговатого тела с гладкой поверхностью из твердого диэлектрика. По концам этого тела размещены концевые электроды разрядника, а на расстоянии от них, определяющем искровой промежуток, вокруг изоляционного тела разрядника расположен другой кольцевой электрод - второй основной электрод. Внутри изоляционного тела разрядника проходит дополнительный электрод, соединенный с концевыми электродами и проходящий по всей длине изоляционного тела разрядника, которые вместе образуют первый основной электрод. При этом первый и второй основные электроды разрядника подключены к элементам линии, находящимся под разными потенциалами, а длина L искрового промежутка между ними больше длины пути h импульсного перекрытия защищаемого элемента линии. В такой линии электропередачи обеспечивается надежная защита от коротких замыканий при перенапряжениях и снижаются капитальные затраты. 15 з. п. ф-лы, 1 табл., 10 ил.

Предлагаемое изобретение относится к области высоковольтной техники, а более конкретно к электропередачам с устройствами для защиты от грозовых перенапряжений, в том числе в виде импульсных грозовых разрядников.

Известные высоковольтные линии электропередач, как правило, включают в себя силовой провод, закрепленный на опорах посредством изоляторов, а также устройства грозозащиты, т. е. устройства для ограничения перенапряжений, возникающих в линии при попадании в нее молнии. Линия может содержать несколько силовых проводов, например, если линия выполнена многофазной. Опоры выполняются, как правило, заземленными, но встречаются также линии электропередачи с незаземленными опорами.

Наиболее распространенные линии электропередачи включают в себя в качестве устройства для ограничения перенапряжений стержневые разрядники, выполненные в виде двух металлических стержней, установленных в непосредственной близости от изоляторов, или гирлянд изоляторов, или других защищаемых элементов линии. Эти металлические стержни устанавливаются на некотором расстоянии друг от друга, называемом искровым промежутком, и при возникновении перенапряжения в случае попадания молнии в линию электропередачи разряд проходит через искровой промежуток разрядника, тем самым изолятор предохраняется от разрушения (см. Техника высоких напряжений. Под ред. Разевига Д. В. М. Энергия, 1976, с.286).

Известна также линия электропередачи с устройством для ограничения перенапряжений в виде вентильного разрядника, состоящего из одного или нескольких (в зависимости от класса напряжения) последовательно соединенных стандартных элементов. Каждый элемент содержит диски нелинейных резисторов с искровыми промежутками между ними, при этом каждый комплект искровых промежутков и нелинейных резисторов помещен в герметизированный фарфоровый чехол (см. Техника высоких напряжений. Под ред. Разевига Д.В. М. Энергия, 1976, с.300).

Линия с такими разрядниками обладает высокой надежностью, однако сложность и значительная стоимость вентильных разрядников, входящих в ее состав, обусловливает большие затраты на их использование и строительство всей линии.

Известна также линия электропередачи с устройством для ограничения перенапряжений в виде трубчатого разрядника, включающего винипластовую трубку, заглушенную с одной стороны металлической крышкой, являющейся одним из концевых электродов. На этой крышке укреплен внутренний стержневой электрод. На открытом конце трубки расположен другой концевой электрод. Искровое перекрытие происходит между стержневым электродом и концевым электродом, расположенным на открытом конце трубки, т.е. эти электроды являются основными. В таких линиях трубка разрядника отделена от силового провода внешним искровым промежутком (см. Техника высоких напряжений. Под ред. Разевига Д.В. М. Энергия, 1976, с. 289.) Недостатком известной линии является невысокая надежность защиты, поскольку работа разрядника сопровождается выхлопом сильно ионизированного генерируемого газа, что в случае попадания в зону выхлопа разрядника проводов смежных фаз или заземленных конструкций может инициировать перекрытие воздушной изоляции. Разрядник известной конструкции недолговечен, т.к. при протекании тока разряда происходит выгорание винипластовой трубки, и имеет ограниченный диапазон отключаемых токов. Поэтому не всегда предотвращается короткое замыкание и грозовое отключение линии.

Задачей настоящего изобретения является создание надежной и обладающей невысокой стоимостью в строительстве и эксплуатации линии электропередачи благодаря повышению надежности и упрощению конструкции средств защиты от грозовых воздействий.

Поставленная задача решается тем, что в линии электропередачи, включающей по меньшей мере одну заземленную опору, по меньшей мере один силовой провод, закрепленный на этой опоре, по меньшей мере один элемент изоляции указанного силового провода от указанной опоры или от других элементов линии, находящихся под электрическим потенциалом, отличным от потенциала силового провода, а также средства защиты указанного элемента изоляции от грозовых перенапряжений, выполненные в виде по меньшей мере одного импульсного искрового разрядника с двумя основными электродами, согласно изобретению указанный импульсный искровой разрядник выполнен в виде разрядника с поверхностным разрядом, причем длина искрового перекрытия между двумя основными электродами разрядника больше, чем длина искрового перекрытия защищаемого элемента изоляции, а напряжение срабатывания указанного разрядника ниже, чем разрядное напряжение защищаемого элемента изоляции.

Защищаемым элементом изоляции может быть, например, воздушный промежуток, фарфоровый изолятор, гирлянда изоляторов и т.п.

Наиболее высокая надежность линии будет достигнута при условии, что указанный разрядник выполнен с длиной пути искрового перекрытия между основными электродами, определяемой по формуле L > 0,06U^0,75 где: L длина пути искрового перекрытия, м U номинальное напряжение линии, кВ.

Указанный импульсный искровой грозовой разрядник может быть выполнен в виде продолговатого тела из твердого диэлектрика, на концах которого размещены концевые электроды для подключения разрядника к элементам электропередачи, а внутри указанного продолговатого тела разрядника размещен стержневой электрод. Указанный стержневой электрод расположен вдоль всего указанного тела разрядника и соединен с обоими концевыми электродами, образуя единый основной электрод, а на наружной поверхности указанного тела разрядника в средней его части размещен второй основной электрод.

Защита от грозовых перенапряжений в линии электропередачи согласно изобретению основана на следующем принципе.

При попадании молнии в линии электропередачи происходит импульсное перекрытие ближайшего изолятора или изоляционного промежутка. При перенапряжении после того, как произошло импульсное перекрытие изоляции, возможно либо дальнейшее развитие электрического разряда с переходом в силовую дугу рабочего напряжения, что означает короткое замыкание линии, либо восстановление электрической прочности изоляции после протекания тока молнии через канал разряда и опору в землю и продолжение нормального режима работы линии без ее отключения.

Вероятность возникновения силовой дуги главным образом зависит от номинального напряжения линии U_ном и длины пути перекрытия L. При заданном номинальном напряжении U_ном вероятность установления силовой дуги P_д приблизительно обратно пропорциональна длине перекрытия L: P_д 1/L За счет увеличения L (например, в 2 раза) возможно во столько же уменьшить вероятность возникновения дуги и соответственно сократить количество отключений линии (для данного примера также в 2 раза).

Авторам изобретения удалось найти техническую возможность создания достаточно длинного пути искрового перекрытия за счет использования эффекта поверхностного разряда по поверхности диэлектрика. Этот технический прием - увеличение длины пути искрового перекрытия за счет создания длинного поверхностного разряда по поверхности диэлектрического тела может быть использован в линии электропередачи с импульсным искровым грозовым разрядником. Для этого разрядник должен быть выполнен в виде разрядника с поверхностным разрядом и иметь соответствующие соотношения параметров. Длина пути искрового перекрытия по поверхности импульсного грозового разрядника должна быть больше, чем длина пути искрового перекрытия защищаемого элемента линии.

Минимальная длина пути перекрытия L_форм, обеспечивающая достаточное повышение надежности защиты, может быть вычислена по формуле: L_форм 0,06U^0,75, м где:
U номинальное напряжение линии, кВ.

В таблице приведены опубликованные в литературе максимальные из используемых в настоящее время длин изоляции l_из.

Как видно из таблицы длина пути искрового перекрытия, определенная по вышеуказанной формуле, по меньшей мере на 20 70% больше, чем максимальные длины обычной изоляции.

Достижение желаемого результата повышения надежности защиты от коротких замыканий в электропередаче можно объяснить следующим образом.

В импульсном искровом грозовом разряднике согласно настоящему изобретению стержневой электрод, размещенный по всей длине продолговатого тела из диэлектрика, инициирует прохождение разряда по всей длине поверхности изоляционного тела разрядника, и импульсная электрическая прочность этого искрового промежутка оказывается меньшей, чем у защищаемого элемента линии электропередачи, в частности изолятора или изоляционного промежутка. При этом благодаря достаточно большой длине искрового промежутка разрядника, а следовательно, и пути прохождения скользящего разряда предотвращается возникновение силовой дуги после прохождения импульсного тока молнии. Чем больше длина пути искрового перекрытия разрядника, тем меньше вероятность возникновения силовой дуги и меньше число отключений линии.

Заявляемое изобретение иллюстрируется чертежами, которые изображают:
фиг. 1 схема однофазной линии электропередачи с импульсным искровым грозовым разрядником согласно изобретению;
фиг. 2 модификация схемы линии электропередачи с разрядником, подключенным к опоре через искровой промежуток;
фиг. 3 другая модификация схемы линии электропередачи с разрядником, подключенным к заземленному электроду через искровой промежуток;
фиг. 4 другая модификация схемы линии электропередачи с разрядником, подключенным к изолятору поддерживающей гирлянды;
фиг. 5 схема линии электропередачи с разрядником, подключенным к грозозащитному тросу;
фиг.6 схема двухцепной линии электропередачи согласно изобретению;
фиг.7 схема линии электропередачи с петлеобразным разрядником;
фиг.8 схема линии электропередачи со сдвоенным разрядником;
фиг.9 схема линии электропередачи с гирляндой сдвоенных разрядников;
фиг. 10 схема линии электропередачи с разрядником, установленным в разрыве силового провода.

Примеры осуществления изобретения
На фиг. 1 показана линия электропередачи с импульсным искровым грозовым разрядником 1, подключенным к силовому проводу 2 электрически параллельно с защищаемым элементом изоляции, в данном случае изолятором 3. При этом концевые электроды разрядника 4¹ и 4² присоединены к силовому проводу линии 2, т. е. имеют с ним непосредственный электрический контакт. В средней части цилиндрического тела 1¹, выполненного из твердого диэлектрика, на его поверхности расположен второй основной электрод 5. Внутри этого тела 1¹ от одного конца до другого проходит стержневой электрод 6, электрически соединенный с концевыми электродами 4¹ и 4² и образующий вместе с ними первый основной электрод. Второй основной электрод 5 подключен к заземленной опоре 7 линии электропередачи.

В линии электропередачи, имеющей конструкцию, показанную на фиг.1, при возникновении грозового перенапряжения на проводе возникают условия для формирования канала разряда 8 между вторым основным электродом разрядника 5 и концевыми электродами 4¹ и 4², находящимися в этот момент под потенциалом провода 2, чему способствует наличие стержневого электрода 6 внутри изоляционного тела разрядника, формирующего скользящий разряд по его поверхности. Одновременно с искровым перекрытием по поверхности изоляционного тела 1¹ происходит ограничение перенапряжения между проводом 2 и опорой 7, и по разрядному каналу 8 протекает импульсный ток, обусловленный воздействием молнии, после чего линия электропередачи восстанавливает нормальный режим работы.

Длина пути искрового перекрытия разрядника, т.е. расстояние l между каждым из концевых электродов 4¹ и 4² и вторым основным электродом 5, превышает длину пути искрового перекрытия h защищаемого изолятора 3. При этом напряжение срабатывания разрядника 1 меньше, чем разрядное напряжение изолятора 3. В частности, например, для линии электропередачи с номинальным напряжением 35 кВ длина разрядника 1 составляет 4 м, при этом длина искрового перекрытия примерно равна половине длины разрядника, т.е. 2 м. Напряжение срабатывания такого разрядника составляет 200 кВ. Применяемые для таких линий электропередачи изоляторы имеют длину 0,4 м и разрядное напряжение 300 кВ. При таком соотношении параметров искровое перекрытие при попадании молнии в линию электропередачи будет происходить не через изолятор 3, а по поверхности разрядника 1 между концевыми электродами 4¹ и 4² и вторым основным электродом 5, электрически связанным с землей. Благодаря тому, что длина искрового перекрытия по поверхности разрядника 1 достаточно велика, разряд не переходит в силовую дугу, и не происходит короткого замыкания линии. Более подробно физические основы этого процесса были описаны выше.

В линии электропередачи, изображенной на фиг. 2, разрядник 1 связан через искровой воздушный промежуток с заземленной опорой 7. В этой модификации на защищаемой гирлянде изоляторов 3 закреплен стержневой изолятор 9, свободный конец которого расположен на расстоянии от опоры 7, обеспечивающем при перенапряжении искровое подключение к ней разрядника 1, который своим вторым основным электродом 5 соединен проводящим спуском 10 с упомянутым свободным концом стержневого изолятора 9. В этом варианте раскачивание провода под действием ветра не приводит к изменению искрового воздушного промежутка между концом изолятора 9 и опорой 7, и разрядник 1 стабильно срабатывает независимо от качания провода.

Возможно также выполнение линии электропередачи (фиг.3) в варианте, когда разрядник 1 своими концевыми электродами 4¹ и 4² присоединен к силовому проводу 2, а его второй основной электрод 5 присоединен через воздушный промежуток к заземленному электроду 11.

Такое исполнение рационально в регионах с незначительными средними скоростями ветра, которые несущественно изменяют расстояние между вторым основным электродом 5 разрядника 1 и заземленным электродом 11.

Возможно конструктивное выполнение линии электропередачи, в котором второй основной электрод 5 соединен с одним из изоляторов поддерживающей гирлянды 3 линии проводящим спуском 10 (фиг.4). В этой модификации при возникновении перенапряжения между силовым проводом 2 и заземленной опорой 7 вначале образуется канал разряда между проводящим спуском 10 и опорой 7, а затем идет развитие скользящего разряда от электрода 5 по поверхности тела разрядника 1 в обоих направлениях к концевым электродам 4¹ и 4². Такое исполнение целесообразно, в отличие от предыдущего, для регионов с высокой ветровой нагрузкой, т. к. в данной модификации длина искрового промежутка между верхним концом проводящего спуска 10 и опорой 7 остается неизменной.

На фиг. 5 изображена линия электропередачи, в которой, в отличие от предыдущего примера, с силовым проводом 2 линии связан второй основной электрод 5 разрядника 1. В данном примере разрядник 1 своими концевыми электродами 4¹ и 4² присоединен к грозозащитному тросу 12 линии электропередачи, а второй основной электрод 5 присоединен к стержневому изолятору 9, установленному на гирлянде изоляторов 3. Таким образом, второй основной электрод 5 подключен через искровой воздушный промежуток к силовому проводу 2. В этом случае, когда возникает импульсное перенапряжение между силовым проводом 2 и опорой 7, вначале образуется канал разряда 8 в воздушном промежутке между проводом 2 и электродом 5, а затем идет развитие скользящего разряда к обоим концевым электродам разрядника 4¹ и 4².

Изобретение может быть реализовано и для двухцепной линии электропередачи, как это проиллюстрировано на фиг.6.

В этом случае целесообразно использовать для защиты обеих цепей линии один разрядник, для чего второй основной электрод 5 разрядника 1 подключается к грозозащитному тросу 12 линии, как это показано на фиг.6, или к ее заземленной опоре 7, а концевые электроды 4¹ и 4² связаны с силовыми проводами 2 одноименных фаз разных цепей линии через искровые воздушные промежутки, как это понятно из приведенных выше примеров.

В ряде случае, с точки зрения удобства монтажа, целесообразно использовать модификацию, представленную на фиг.7. В этом примере продольное тело 1¹ разрядника выполнено в форме петли, а концевые электроды 4¹ и 4² электрически соединены между собой перемычкой 13. Этой перемычкой 13 разрядник 1 подключен к одному из элементов линии, в частности к заземленной опоре 7, а вторым основным электродом 5 к элементу с противоположным потенциалом, в частности к силовому проводу 2.

На фиг. 8 показана часть схемы линии электропередачи, в которой разрядник 1, описанный в предыдущем примере, соединен с аналогичным разрядником, образуя сдвоенный разрядник, причем концевые электроды 4¹ и 4² каждого из разрядников соединены друг с другом и связаны общей перемычкой 13'.

В этом случае общая длина искрового перекрытия разрядника L будет соответствовать расстоянию между электродами 5, подключенными к проводу 2 и опоре 7.

Подобные сдвоенные разрядники могут быть соединены в гирлянду, в которой разрядники соединены друг с другом вторыми основными электродами 5 (фиг.9).

Такие модификации возможно использовать для линии электропередач высших классов напряжения. При этом увеличение числа последовательно включенных искровых промежутков разрядников облегчает условия работы внутренней изоляции тела разрядника.

В линии электропередачи согласно настоящему изобретению разрядник может быть включен и последовательно с защищаемым элементом.

На фиг. 10 показана линия с разрядником 1, включенным электрически последовательно с защищаемым изолятором 3 в разрыве силового провода 2. В этом случае разрядник своими концевыми электродами 4¹ и 4² соединен с силовым проводом 2 в его разрыве, а второй основной электрод 5 присоединен к защищаемому изолятору 3. В этом варианте, как и в последующих с ним связанных, длина пути импульсного перекрытия между элементами линии, находящимися под разными потенциалами, определяется суммой длин разрядных промежутков по поверхности разрядника и по защищаемому элементу изоляции, в частности, в конструкции на фиг.10 общая длина пути перекрытия между проводом 2 и опорой 7 будет определяться суммой расстояний l и h.

Поэтому в вариантах линии с последовательным включением разрядника 1 суммарная длина пути импульсного перекрытия всегда больше длины пути перекрытия защищаемого элемента, в частности, в соответствии с фиг.10 - изолятора 3. Тем самым обеспечивается защитная функция разрядника по предотвращению перехода импульсного перекрытия в силовую дугу.

Аналогичным образом может решаться проблема защиты междуфазных воздушных промежутков от грозовых перекрытий, переходящих в дуговое короткое замыкание. При этом, в частности на двухфазной линии, в разрыве каждого из силовых проводов двух разноименных фаз устанавливаются разрядники таким образом, что их вторые основные электроды располагаются напротив друг друга и по меньшей мере на одном из них размещается вспомогательный стержневой электрод, причем его конец находится на таком расстоянии от расположенного напротив второго основного электрода другого разрядника или от конца аналогичного вспомогательного электрода другого разрядника, которое обеспечивает искровое подключение обоих разрядников друг к другу при перенапряжении. Длина пути перекрытия между силовыми проводами в данном случае будет определяться суммой длин промежутков по поверхности разрядников и по воздушному промежутку между вторыми основными электродами, по меньшей мере один из которых снабжен вспомогательным стержневым электродом.

Приведенные в настоящем описании изобретения варианты и модификации выполнения линии электропередачи даны лишь для пояснения их устройства и принципов работы. Специалистам в данной области техники должно быть понятно, что возможны отклонения от вышеприведенных примеров выполнения, которые также охватываются формулой изобретения.

Формула изобретения

1. Линия электропередачи, включающая по меньшей мере одну заземленную опору, по меньшей мере один силовой провод, закрепленный на этой опоре, по меньшей мере один изолятор указанного силового провода от указанной опоры, а также средства защиты указанного изолятора от грозовых перенапряжений в виде, по меньшей мере одного импульсного искрового разрядника с двумя основными электродами, отличающаяся тем, что указанный импульсный искровой разрядник выполнен в виде разрядника с поверхностным разрядом, причем длина искрового перекрытия между двумя основными электродами разрядника больше, чем длина искрового перекрытия защищаемого изолятора, а напряжение срабатывания указанного разрядника ниже, чем разрядное напряжение защищаемого изолятора.

2. Линия по п.1, отличающаяся тем, что указанный разрядник выполнен с длиной пути искрового перекрытия между основными электродами, определяемой по формуле
L > 0,06 U^7,75,
где L длина пути искрового перекрытия, м;
U номинальное линейное напряжение в сети, кВ.

3. Линия по п. 1 или 2, отличающаяся тем, что указанный разрядник выполнен в виде продолговатого тела из твердого диэлектрика, на концах которого размещены концевые электроды, а внутри продолговатого тела по всей его длине размещен стержневой электрод, связанный с концевыми электродами, и образующий вместе с ними первый основной электрод, а на поверхности продолговатого тела в средней его части размещен второй основной электрод.

4. Линия по п.3, отличающаяся тем, что указанный разрядник присоединен обоими своими концевыми электродами к указанному силовому проводу электрически параллельно защищаемому элементу изоляции.

5. Линия по п.4, отличающаяся тем, что указанный второй основной электрод разрядника присоединен к заземленной опоре.

6. Линия по п.5, отличающаяся тем, что указанный второй основной электрод разрядника присоединен к заземленной опоре через искровой промежуток.

7. Линия по п.3, отличающаяся тем, что указанный разрядник присоединен обоими своими концевыми электродами к заземленной опоре, при этом второй основной электрод присоединен к силовому проводу.

8. Линия по п.7, отличающаяся тем, что второй основной электрод присоединен к указанному силовому проводу через искровой промежуток.

9. Линия по п. 3, отличающаяся тем, что она выполнена двухцепной и по меньшей мере одна опора выполнена заземленной, при этом концевые электроды разрядника порознь связаны с силовыми проводами одноименных фаз разных цепей, а второй основной электрод разрядника соединен с заземленной опорой линии.

10. Линия по п.9, отличающаяся тем, что на указанных изоляторах обеих цепей закреплены стержневые изоляторы, со свободными концами которых соединен второй основной электрод разрядника, при этом указанные концы стержневых изоляторов подсоединены к силовому проводу через искровой промежуток.

11. Линия по п.3, отличающаяся тем, что указанное тело из диэлектрика и стержневой электрод изогнуты в форме петли, а концевые электроды соединены друг с другом перемычкой.

12. Линия по п.11, отличающаяся тем, что она снабжена еще одним указанным разрядником, концевые электроды которого соединены с концевыми электродами первого разрядника и друг с другом через общую перемычку, образуя сдвоенный разрядник.

13. Линия по п.12, отличающаяся тем, что она снабжена по меньшей мере еще одним сдвоенным разрядником, и они соединены друг с другом последовательно своими вторыми основными электродами, образуя гирлянду разрядников.

14. Линия по п.3, отличающаяся тем, что указанный разрядник установлен последовательно своими концевыми электродами с силовым проводом в его разрыве, а второй основной электрод присоединен к защищаемому элементу изоляции.

15. Линия по п.14, отличающаяся тем, что она выполнена многофазной, при этом разрядники, установленные на силовых проводах двух разноименных фаз, расположены так, что их вторые основные электроды расположены напротив друг друга и по меньшей мере на одном из них размещен вспомогательный стержневой электрод, причем его конец находится на таком расстоянии от расположенного напротив второго основного электрода другого разрядника или от конца его второго вспомогательного электрода, которое обеспечивает искровое подключение обоих разрядников друг к другу при перенапряжении.

16. Линия по п.15, отличающаяся тем, что на силовом проводе другой фазы напротив второго основного электрода разрядника установлен вспомогательный стержневой электрод, конец которого расположен на таком расстоянии от указанного второго основного электрода, которое обеспечивает искровое подключение к нему при перенапряжении.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6, Рисунок 7, Рисунок 8, Рисунок 9, Рисунок 10, Рисунок 11