Устройство защиты от перенапряжений

Изобретение относится к области электротехники, а именно к силовой коммутационной аппаратуре, и может быть использовано для защиты электрооборудования от перенапряжений. Техническим результатом является расширение диапазона рабочих напряжений, увеличение допустимых импульсных токов и скорости восстановления электрической прочности после отключения сопровождающего тока и увеличение надежности и срока службы. Устройство защиты от перенапряжений содержит управляемый разрядный промежуток, соединенный последовательно с рабочим сопротивлением. Управляемый разрядный промежуток выполнен в виде вакуумного управляемого разрядника. Рабочее сопротивление выполнено в виде параллельно соединенных нелинейного сопротивления R с U_защ<KU_m, где 1<К<1,8, К - коэффициент кратности, U_защ - остающееся напряжение ограничения, U_m - амплитуда номинального напряжения сети. Линейное сопротивление Z содержит активную и реактивную составляющую, при этом его величина удовлетворяет неравенству: U_пер/I_пер>Z>U_защ/I_max, где I_max - ток через R при U=U_защ, I_пер - значение тока в R, при котором его вольтамперная характеристика переходит из области проводимости в область сопровождающего тока, U_пер - напряжение на R при токе I=I_пер. 2 ил.

 

Изобретение относится к области электротехники, а именно к силовой коммутационной аппаратуре, и предназначено для защиты электрооборудования от перенапряжений.

Для защиты электрооборудования от грозовых и коммутационных перенапряжений применяются устройства, ограничивающие уровень перенапряжения путем шунтирования ими защищаемого оборудования при опасном для последних уровне напряжений.

Известны вентильные разрядники, содержащие последовательно соединенные искровые промежутки и рабочее сопротивление с нелинейной вольтамперной характеристикой [1]. Защитные характеристики такого разрядника определяются пробивным напряжением искровых промежутков и коэффициентом нелинейности рабочего сопротивления.

Недостатком этого устройства являются нестабильность пробивного напряжения и его изменение вследствие нарушения герметичности искрового промежутка, сложность конструкции и ограниченный ресурс при длительном пропускании разрядного тока.

Известен ограничитель перенапряжения (ОПН), содержащий сопротивление с высокой степенью нелинейности на основе оксида цинка (ZnO) [2]. ОПН ограничивает амплитуду перенапряжений так же, как и вентильный разрядник, но вследствие более высокой степени нелинейности он может быть применен без искровых промежутков. ОПН обеспечивает ограничение коммутационных перенапряжений до уровня U_защ=1,8 U_m и грозовых перенапряжений до уровня U_защ=2,4 U_m, где U_защ - остающееся напряжение ограничения ОПН, U_m - амплитуда номинального напряжения сети.

Недостатком этого устройства является то, что оно не способно ограничить перенапряжения существенно ниже двукратного.

Ближайшим техническим решением к предлагаемому является устройство, содержащее воздушный разрядник с управляющим электродом, включенным последовательно с рабочим сопротивлением [3].

Недостатками этого устройства являются узкий диапазон рабочих напряжений, значительное падение напряжения на разряднике в открытом состоянии, низкая отключающая способность и, как следствие, небольшой ресурс и низкая надежность.

Техническим результатом предложенного решения является существенное расширение диапазона рабочих напряжений, увеличение допустимых импульсных токов и скорости восстановления электрической прочности после отключения сопровождающего тока, а так же увеличение надежности и срока службы.

Технический результат достигается тем, что в устройстве защиты от перенапряжений, содержащем управляемый разрядный промежуток, соединенный последовательно с рабочим сопротивлением, в качестве управляемого разрядного промежутка используется вакуумный управляемый разрядник, а рабочее сопротивление выполнено в виде параллельно соединенных нелинейного сопротивления R и линейного сопротивления Z, содержащего активную и реактивную составляющую, причем используется нелинейное сопротивление с U_защ<KU_m,

где 1<К<1,8, U_защ - остающееся напряжение ограничения, U_m, - амплитуда номинального напряжения сети, а величина линейного сопротивления должна удовлетворять неравенству:

U_пер/I_пер>Z>U_защ/I_max,

где I_max - ток через R при U=U_защ, I_пер - значение тока в R (reference current), при котором его вольтамперная характеристика переходит из области проводимости 2 (фиг.2) в область сопровождающего тока 1, U_пер - напряжение на R при токе I=I_пер.

Изобретение иллюстрируется фиг.1, где показана принципиальная схема устройства для ограничения перенапряжений. На фиг.2 приведена типичная вольтамперная характеристика нелинейного элемента.

Устройство содержит вакуумный разрядник 1 с блоком запуска 2 и соединенное последовательно с разрядником рабочее сопротивление 3, которое состоит из параллельно соединенных нелинейного сопротивления R - 4 и линейного сопротивления Z - 5. Такое устройство подключается параллельно защищаемому объекту в каждой фазе напряжения сети.

Устройство работает следующим образом.

Включение вакуумного разрядника 1 осуществляется с помощью блока запуска 2, который после подачи управляющего импульса выдает на управляющий электрод импульс поджига с заданными параметрами напряжения и тока.

Вакуумный разрядник 1 способен надежно включаться в широком диапазоне рабочих напряжений (0,01-1)U_ном и длительно пропускать разрядный ток. После включения разрядника через него начинает протекать импульсный ток, величина которого ограничивается рабочим сопротивлением 3. При подходе тока к нулю разрядник отключает ток, и на нем восстанавливается сетевое напряжение.

Нелинейное сопротивление 4 служит для ограничения уровня перенапряжений при включении разрядника. Защитный уровень в предложенной схеме можно выбрать близким к номинальному напряжению на защищаемом оборудовании, т.е. коэффициент кратности перенапряжений К<1,8. В результате рассеиваемая в сопротивлении 4 энергия при протекании разрядного тока будет существенно меньше, чем в схеме без вакуумного разрядника.

Параллельное соединение с нелинейным сопротивлением 4 линейного сопротивления 5 также позволяет уменьшить выделяемую в нелинейном сопротивлении энергию. Величина линейного сопротивления Z выбирается на основе критерия оптимального распределения энергии, поглощаемой в сопротивлениях R и Z из соотношения:

U_пер/I_пер>Z>U_защ/I_max,

где I_max - ток через R при U=U_защ, I_пер - значение тока в R, при котором его вольтамперная характеристика переходит из области проводимости 2 (фиг.2) в область сопровождающего тока 1, U_пер - напряжение на R при токе I=I_пер=1-20 мА.

Если Z>U_пер/I_пер, в этом случае Z превышает R во всех реальных режимах и основная часть энергии рассеивается в R.

Если Z<U_защ/I_max, то почти весь ток протекает через Z и R практически не работает.

Указанное соотношение определяет диапазон величины линейного сопротивления Z. Оптимальная величина R выбирается из этого диапазона на основе инженерного расчета. Задачей этого расчета является выбор линейного сопротивления такой величины, чтобы большая часть энергии поглощалась в нем, и в тоже время, чтобы это сопротивление имело приемлемые габаритные и стоимостные показатели.

Источники информации

1. Чунихин А.А., Жаворонков М.А. Аппараты высокого напряжения. М.: Энергоатомиздат, 1985, С.395.

2. Series capacitors for power system. Part 2: Protective equipment for series capacitor banks. IEC 143-2: 1994, P.75.

3. Курехин В.В. Защита сетей от опасных уровней коммутационных перенапряжений // Управление электромеханическими объектами в горной промышленности. Кемерово: Кн. Изд-во, 1982, С.27 (прототип).

Устройство защиты от перенапряжений, содержащее управляемый разрядный промежуток, соединенный последовательно с рабочим сопротивлением, отличающееся тем, что в качестве управляемого разрядного промежутка используется вакуумный управляемый разрядник, а рабочее сопротивление выполнено в виде параллельно соединенных нелинейного сопротивления R и линейного сопротивления Z, содержащего активную и реактивную составляющую, причем используется нелинейное сопротивление с

U_защ/KU_m,

где 1<К<1,8, К - коэффициент кратности перенапряжения, U_защ - остающееся напряжение ограничения; U_m - амплитуда номинального напряжения сети, а величина линейного сопротивления должна удовлетворять неравенству

U_пер/I_пер>Z>U_защ/I_защ,

где I_max - ток через R при U=U_защ, I_пер - значение тока в R, при котором его вольтамперная характеристика переходит из области проводимости в область сопровождающего тока, U_пер - напряжение на R при токе I=I_пер.