Устройство для защиты от перенапряжений

Изобретение относится к высоковольтной технике, а именно к устройствам для защиты электрических сетей и оборудования от перенапряжений, и может быть использовано преимущественно в ограничителях перенапряжений нелинейных (ОПН), содержащих колонку последовательно соединенных нелинейных резисторов (варистов) с высоким коэффициентом нелинейности. Технический результат заключается в повышении эффективности использования входящих в его состав нелинейных резисторов при обеспечении в режиме протекания больших импульсных токов снижения остающегося напряжения и увеличения пропускной способности по току. Для этого устройство содержит подключенные между защищаемым объектом и землей соединенные последовательно нелинейные резисторы, а также искровые промежутки, указанные нелинейные резисторы объединены в нечетное количество модулей, к каждым соединенным последовательно трем модулям подключены два искровых промежутка, при этом в каждой тройке модулей первый искровой промежуток подключен параллельно соединенным последовательно верхнему и среднему модулям, а второй искровой промежуток подключен параллельно соединенным последовательно среднему и нижнему модулям. 2 ил.

 

Изобретение относится к высоковольтной технике, а именно к устройствам для защиты электрических сетей и оборудования от перенапряжений, и может быть использовано преимущественно в ограничителях перенапряжений нелинейных (ОПН), содержащих колонку последовательно соединенных нелинейных резисторов (варисторов) с высоким коэффициентом нелинейности.

В устройствах для защиты электрооборудования от перенапряжений, в состав которых входят последовательно соединенные нелинейные резисторы, величина напряжения открывания определяется количеством указанных резисторов, включенных в электрическую цепь. Для обеспечения устойчивой работы рассматриваемых устройств в условиях воздействия длительных (квазистационарных) перенапряжении необходимо повышать их напряжение открывания, что достигается увеличением числа нелинейных резисторов в электрической цепи. Однако увеличение количества включенных в электрическую цепь нелинейных резисторов в режиме протекания больших импульсных токов при коммутационных или грозовых перенапряжениях приводит к росту остающегося импульсного напряжения, которое негативно воздействует на защищаемое электрооборудование и может вызвать разрушение его изоляции.

Известны конструкции устройств для защиты от перенапряжений, в которых достигается снижение уровня остающегося напряжения за счет включения параллельно части нелинейных резисторов искровых промежутков (см., например, SU 694924, RU 2009596).

В качестве ближайшего аналога авторами заявляемого изобретения выбрано устройство для защиты от перенапряжений [RU 2009596].

Рассматриваемое устройство содержит подключенные между защищаемым объектом и землей соединенные последовательно нелинейные резисторы, а также искровые промежутки, шунтирующие часть нелинейных резисторов. При этом параллельно части нелинейных резисторов подключены пары последовательно включенных искровых промежутков, параллельно одному из которых в каждой паре включены последовательно соединенные резистор и цепочка из параллельно соединенных друг с другом коммутатора и конденсатора, общая точка которых соединена через другое сопротивление с нелинейным резистором, причем отношение сопротивлений нелинейных резисторов пропорционально отношению пробивных напряжений шунтирующих их искровых промежутков.

В данном устройстве при различных видах перенапряжений обеспечиваются различные режимы работы. При воздействии длительных перенапряжений с малыми токами искровые промежутки не пробиваются, при этом в электрическую цепь протекания тока включены все последовательно соединенные нелинейные резисторы. В режиме протекания больших импульсных токов при коммутационных или грозовых перенапряжениях искровые промежутки пробиваются и часть нелинейных резисторов шунтируется ими. При этом указанная часть резисторов оказывается не включенной в электрическую цепь протекания тока, вследствие чего остающееся напряжение уменьшается пропорционально числу отключенных резисторов.

В рассматриваемом устройстве недостаточно эффективно используются входящие в его состав нелинейные резисторы, поскольку не во всех режимах работы устройства используется вся совокупность нелинейных резисторов.

Задачей заявляемого устройства является повышение эффективности использования входящих в его состав нелинейных резисторов при обеспечении в режиме протекания больших импульсных токов снижения остающегося напряжения и увеличения пропускной способности по току.

Указанная задача достигается тем, что в устройстве для защиты от перенапряжений, содержащем подключенные между защищаемым объектом и землей соединенные последовательно нелинейные резисторы, а также искровые промежутки, шунтирующие часть нелинейных резисторов, согласно изобретению нелинейные резисторы объединены в нечетное количество модулей, к каждым соединенным последовательно трем модулям подключены два искровых промежутка, при этом в каждой тройке модулей первый искровой промежуток подключен параллельно соединенным последовательно верхнему и среднему модулям, а второй искровой промежуток подключен параллельно соединенным последовательно среднему и нижнему модулям.

Благодаря наличию шунтирующих часть нелинейных резисторов искровых промежутков в случае их пробоя в режиме протекания больших импульсных токов при коммутационных или грозовых перенапряжениях в заявляемом устройстве обеспечивается снижение величины остающегося импульсного напряжения.

Объединение последовательно соединенных нелинейных резисторов в нечетное количество модулей и подключение искровых промежутков параллельно каждой паре модулей указанным выше образом приводят к тому, что при пробое искровых промежутков модули оказываются включенными параллельно друг другу. При этом возникающий в электрической цепи устройства ток протекает через всю совокупность нелинейных резисторов (через все модули) как в случае отсутствия пробоя искровых промежутков, так и в случае их пробоя.

В первом случае за счет последовательного соединения резисторов через них (через каждый модуль) протекает один и тот же общий ток, при этом величина остающегося напряжения определяется суммой сопротивлений всех резисторов (всех модулей) и при большом числе резисторов может составить значительную величину.

Во втором случае за счет параллельного соединения модулей через резисторы каждого из модулей (через каждый модуль) протекает часть общего тока, а величина остающегося напряжения снижается, поскольку сопротивление электрической цепи на участке параллельного соединения модулей значительно меньше, чем на участке их последовательного соединения. При этом, что является существенным в режиме протекания больших токов, за счет параллельного соединения модулей заявляемое устройство может пропускать значительно больший ток.

Таким образом, заявляемое изобретение обеспечивает достижение следующего технического результата - последовательное включение в электрическую цепь нелинейных резисторов в случае отсутствия пробоя искровых промежутков и параллельное включение объединенных в модули резисторов в случае пробоя искровых промежутков. В результате повышается эффективность использования нелинейных резисторов в процессе эксплуатации устройства. При этом в режиме протекания больших импульсных токов при пробое искровых промежутков уменьшается величина остающегося напряжения и увеличивается пропускная способность устройства по току.

Нечетное количество модулей может быть различным (3, 5, 7), при этом для существенного снижения остающегося напряжения и увеличения пропускной способности оказывается достаточным объединить резисторы в минимально возможное количество модулей, равное трем.

Для удобства расчета рабочих характеристик устройства целесообразным является, чтобы модули содержали одинаковое количество нелинейных резисторов и имели близкие значения параметров (напряжение открывания и остающееся напряжение).

На фиг.1 представлен общий вид заявляемого устройства, на фиг.2 представлена эквивалентная электрическая схема устройства в случае пробоя искровых промежутков.

Устройство для защиты от перенапряжений (ОПН) содержит колонку подключенных между защищаемым объектом (не показан) и землей последовательно соединенных нелинейных резисторов (варисторов), которые объединены в верхний, средний и нижний модули 1, 2 и 3.

Каждый модуль 1, 2 и 3 содержит одинаковое количество варисторов. Параллельно верхнему и среднему модулям 1 и 2 (между точками А и С) подключен искровой промежуток 4. Параллельно среднему и нижнему модулям 2 и 3 (между точками В и D) подключен искровой промежуток 5.

Устройство работает следующим образом.

При воздействии на ОПН перенапряжения, превышающего напряжение открывания колонки варисторов, но не приводящего к пробою искровых промежутков 4 и 5, варисторы открываются, и по модулям 1, 2 и 3 течет ток I₀.

В режиме протекания больших импульсных токов при возникновении перенапряжений, приводящих к последовательному пробою искровых промежутков 4 и 5, модули 1,2 и 3 попарно шунтируются указанными искровыми промежутками. Вначале происходит пробой искрового промежутка 4 при достижении падения напряжения на модулях 1 и 2 величины, превышающей напряжение его пробоя. При этом, как показали расчеты, после пробоя искрового промежутка 4 напряжение на искровом промежутке 5 повышается на 20-30%, что приводит к его пробою практически вслед за пробоем искрового промежутка 4. Модули 1, 2 и 3 оказываются включенными параллельно друг другу (см. фиг.2), и через них протекают токи, по величине в три раза меньшие, чем ток I₀. При этом остающееся напряжение на ОПН снижается более чем в три раза, а пропускная способность ОПН по току возрастает примерно в три раза.

Устройство для защиты от перенапряжений, содержащее подключенные между защищаемым объектом и землей, соединенные последовательно нелинейные резисторы, а также искровые промежутки, шунтирующие часть нелинейных резисторов, отличающееся тем, что нелинейные резисторы объединены в нечетное количество модулей, к каждым соединенным последовательно трем модулям подключены два искровых промежутка, при этом в каждой тройке модулей первый искровой промежуток подключен параллельно соединенным последовательно верхнему и среднему модулям, а второй искровой промежуток подключен параллельно соединенным последовательно среднему и нижнему модулям.