Ограничитель перенапряжений мультиградиентный

Использование: для защиты электрических сетей и электрооборудования от грозовых и коммутационных перенапряжений. Технический результат заключается в упрощении конструкции ограничителя. В ограничителе перенапряжений, содержащем колонку соединенных в последовательную электрическую цепь варисторов, колонка собрана из варисторов, местоположение которых по ее высоте определяется величиной градиента Ев, который характеризует отношение напряжения на единичном варисторе к его высоте, а в качестве указанного напряжения принимается или напряжение на варисторе при протекании по нему постоянного тока заданной величины, или действующее значение напряжения на варисторе при протекании по нему активной составляющей переменного тока заданной величины, или напряжение на варисторе при протекании по нему импульсного тока заданной амплитуды и формы, при этом колонка скомпонована таким образом, что для группы варисторов, расположенных на 1/3-1/2 высоты колонки, считая от ее верхнего конца, среднее значение градиента Евср_верх меньше, чем среднее значение градиента Евср_н для группы варисторов, расположенных ниже. 2 з.п. ф-лы, 3 ил.

 

Изобретение относится к высоковольтной технике, а именно к ограничителям перенапряжений, используемым для защиты электрических сетей и электрооборудования от грозовых и коммутационных перенапряжений.

В настоящее время для защиты высоковольтного электрооборудования широко применяются ограничители перенапряжений нелинейные (ОПН), в состав которых входят колонки последовательно соединенных нелинейных резисторов (варисторов) [см., например, RU 2009596, RU 2172036, RU 2144712, RU 2211497, RU 2218622, ЕР 0614198 В1].

Количество варисторов в ОПН, образующих колонку, выбирается в зависимости от требуемого уровня ограничения перенапряжений в электрической сети. Как показывают исследования, расположенные в разных частях колонки варисторы в процессе эксплуатации ОПН испытывают неодинаковые электрические нагрузки, которые отличаются тем сильнее, чем больше количество варисторов в колонке.

При работе ОПН колонка варисторов находится под воздействием сильно неоднородного поля, возникающего между высоковольтным электродом (высоковольтным проводом, подходящим к верхней части ОПН), и землей (заземленной опорой ОПН).

Протекающий через каждый из варисторов ток условно может быть разделен на активную и емкостную составляющие, соотношение которых зависит от приложенного к варистору напряжения.

В рабочем режиме, при котором к колонке варисторов приложено напряжение промышленной частоты, по величине не превышающее наибольшее рабочее напряжение ОПН, через колонку протекает, главным образом, емкостной ток, который зависит от емкости единичных варисторов. При этом часть протекающего через колонку варисторов тока ответвляется в окружающее пространство в виде токов утечки, величины которых определяются емкостью каждого из варисторов относительно земли, и достигает земли помимо колонки варисторов, так что через каждый ниже расположенный варистор в колонке в направлении сверху вниз протекает все меньший по величине ток. Следует отметить, что протекающий в колонке варисторов емкостной ток не только уменьшается по высоте колонки сверху вниз из-за токов утечки, но и несколько увеличивается за счет "подтекающих" к поверхности варисторов с высоковольтного электрода токов, величины которых определяются емкостью каждого из варисторов относительно высоковольтного провода. Однако в условиях нахождения колонки варисторов в описанном выше неоднородном электрическом поле емкость варисторов относительно земли значительно (примерно вдвое) больше их емкости относительно высоковольтного электрода, так что уменьшение протекающего в колонке тока в направлении сверху вниз за счет токов утечки не компенсируется некоторым его увеличением за счет токов, подтекающих с высоковольтного электрода.

Следовательно, в рабочем режиме ОПН, при котором напряжение и ток в колонке варисторов определяются емкостными параметрами, помещение колонки варисторов в неоднородное электрическое поле обуславливает неравномерность распределения напряжения по ее высоте, при этом через верхнюю часть колонки варисторов протекает больший ток, чем через среднюю и нижнюю части. Неравномерность электрического воздействия является причиной того, что потери активной мощности оказываются разными для варисторов, расположенных в разных частях колонки, что приводит к их неравномерному нагреву. Повышенные токи в верхней части колонки ОПН вызывают перегрев расположенных в указанной части варисторов, что ведет к их преждевременному старению, и может явиться причиной выхода из строя ОПН.

Таким образом, для повышения эксплуатационной надежности типовой конструкции колонки варисторов требуется применять меры для выравнивания электрических воздействий по высоте колонки.

Известны конструкции ОПН, в которых используются расположенные соосно с колонкой варисторов экраны, выравнивающие распределение напряжения вдоль колонки [см., например, DE 2938073, FR 2697666].

В качестве ближайшего аналога авторами изобретения выбрана конструкция ограничителя перенапряжений, описанная в FR 2697666.

Рассматриваемый ограничитель перенапряжений содержит помещенную в корпусе колонку последовательно соединенных нелинейных резисторов (варисторов), расположенную между верхним высоковольтным и нижним заземленным электродами. Ограничитель перенапряжений также содержит установленные по высоте колонки соосно с ней кольцевые экраны, которые соединены электрически и механически с высоковольтным электродом.

Указанные экраны выполняют роль дополнительных электродов, которые изменяют воздействующее на варисторы электрическое поле, благодаря чему достигается более равномерное распределение напряжения по высоте колонки.

Недостатком рассматриваемой конструкции, также как и прочих конструкций ограничителей перенапряжений с выравнивающими экранами, является их сложность, что связано с необходимостью использования дополнительных конструктивных элементов - экранов, количество, форму, размеры и местоположение которых требуется подбирать таким образом, чтобы обеспечить выравнивание электрического поля вдоль колонки варисторов.

Задачей заявляемого изобретения является упрощение конструкции ограничителя перенапряжений.

Сущность заявляемого изобретения заключается в том, что в ограничителе перенапряжений, содержащем колонку соединенных в последовательную электрическую цепь варисторов, согласно изобретению колонка собрана из варисторов, местоположение которых по ее высоте определяется величиной градиента Ев, который характеризует отношение напряжения на единичном варисторе к его высоте, а в качестве указанного напряжения принимается или напряжение на варисторе при протекании по нему постоянного тока заданной величины, или действующее значение напряжения на варисторе при протекании по нему активной составляющей переменного тока заданной величины, или напряжение на варисторе при протекании по нему импульсного тока заданной амплитуды и формы, при этом колонка скомпонована таким образом, что для группы варисторов, расположенных на 1/3-1/2 высоты колонки, считая от ее верхнего конца, среднее значение градиента Евср_верх меньше, чем среднее значение градиента Евср_н для группы варисторов, расположенных ниже.

В частном случае выполнения изобретения на 1/3-1/2 высоты колонки, считая от ее верхнего конца, варисторы расположены так, что в направлении сверху вниз значение градиента Ев единичных варисторов в указанной группе последовательно возрастает.

В частном случае выполнения изобретения на 1/3-1/2 высоты колонки, считая от ее верхнего конца, расположены варисторы, у которых значение градиента равно или близко к наименьшему значению Ев_min для партии варисторов, предназначенных для компоновки колонки.

Принципиальным отличием заявляемой конструкции ОПН от известных конструкций является то, что место единичного варистора в колонке определяется индивидуальной особенностью его вольтамперной характеристики.

Вольтамперные характеристики производимых варисторов в силу различных причин отличаются друг от друга, то есть при одном и том же протекающем в варисторе токе и при одной и той же строительной высоте варистора остающееся на нем напряжение может варьироваться в диапазоне (15-20 и даже более)%. Отличие указанных характеристик в рамках одной партии варисторов наблюдается, главным образом, при малых токах, составляющих доли и единицы мА, которые протекают при приложении к варистору наибольшего рабочего напряжения или близкого к нему. При токах в варисторах, превышающих указанные, остающееся напряжение на варисторах в рамках одной партии оказывается практически одинаковым.

В ходе теоретических и экспериментальных исследований авторы заявляемого изобретения определили, что существует принципиальная возможность изменения электрических свойств колонки варисторов при рабочем напряжении или близком к нему в сторону снижения неравномерности распределения потерь активной мощности по высоте колонки за счет использования отличий индивидуальных вольтамперных характеристик варисторов без изменения указанных свойств колонки варисторов при повышении напряжения сверх наибольшего рабочего.

В качестве параметра, определяющего индивидуальную особенность вольтамперной характеристики варистора, авторы изобретения предложили использовать значение градиента Ев, который характеризует отношение напряжения на единичном варисторе к его высоте и, поскольку производимые варисторы практически имеют одинаковую высоту, характеризует также активное сопротивление варистора и его емкость. При этом в качестве указанного напряжения принимается или напряжение на варисторе при протекании по нему постоянного тока заданной величины, или действующее значение напряжения на варисторе при протекании по нему активной составляющей переменного тока заданной величины, или напряжение на варисторе при протекании по нему импульсного тока заданной амплитуды и формы.

Если в верхней части колонки, где действуют наибольшие электрические нагрузки, поместить варисторы с меньшим по отношению к ниже расположенным варисторам значением градиента Ев (то есть такие варисторы, которые обладают относительно меньшим тепловыделением при заданном токе), то удается заметно снизить перегрев верхних варисторов в колонке по отношению к варисторам, расположенным в ее средней и нижней частях. При этом исследования показали, что для существенного снижения неравномерности распределения потерь активной мощности вдоль колонки варисторов и предотвращения перегрева верхних варисторов в колонке необходимо, чтобы для группы варисторов, расположенных на 1/3-1/2 высоты колонки, считая от ее верхнего конца, среднее значение градиента Евср_верх было меньше, чем среднее значение градиента Евср_н для группы варисторов, расположенных ниже.

Указанное условие будет, например, выполняться, если варисторы в колонке в обеих выделенных группах будут установлены таким образом, что каждый ниже расположенный варистор будет иметь градиент Ев, больший по значению, чем выше расположенный. Может быть выбран и другой порядок расположения варисторов в указанных двух группах, например, такой, при котором градиент варисторов, установленных ниже 1/3-1/2 длины колонки, сначала поступательно возрастает по величине от варистора к варистору в направлении сверху вниз, а у нижнего конца колонки остается одинаковым или даже несколько снижается.

Таким образом, заявляемое устройство обеспечивает снижение неравномерности распределения потерь активной мощности вдоль ОПН, что обуславливает повышение его эксплуатационной надежности. При этом достигается упрощение конструкции ОПН, поскольку для достижения указанных эффектов не требуется применять какие-либо дополнительные конструктивные элементы, например, такие сложные элементы, как выравнивающие экраны.

В частном случае выполнения изобретения, когда на 1/3-1/2 высоты колонки, считая от ее верхнего конца, варисторы расположены так, что в направлении сверху вниз значение градиента Ев единичных варисторов в указанной группе последовательно возрастает, достигается более равномерное выравнивание температуры вдоль указанного участка колонки варисторов, на котором перегрев варисторов особенно сильно сказывается на эксплуатационных свойствах ОПН.

В частном случае выполнения изобретения, когда на 1/3-1/2 высоты колонки, считая от ее верхнего конца, расположены варисторы, у которых значение градиента равно или близко к наименьшему значению Ев_min для партии варисторов, предназначенных для компоновки колонки, удается в наибольшей степени снизить перепад температуры между верхним и нижним концами колонки варисторов.

На фиг.1 представлен общий вид заявляемого ограничителя перенапряжений; на фиг.2 представлены результаты исследований распределения потерь активной мощности вдоль колонки варисторов для случая (1), когда варисторы в колонке расположены так, что в направлении сверху вниз значение градиента Ев единичных варисторов последовательно возрастает, и для случая (2), когда все варисторы в колонке имеют одинаковое значению Ев; на фиг.3 представлены результаты экспериментальных исследований распределения температуры вдоль колонки варисторов для случая (1), когда на 1/3 высоты колонки, считая от ее верхнего конца, расположены варисторы, у которых значение градиента равно или близко к наименьшему значению Ев_min для партии варисторов, предназначенных для компоновки колонки, и для случая (2), когда на 1/3 высоты колонки, считая от ее верхнего конца, расположены варисторы, у которых значение градиента равно или близко к наибольшему значению Ев_max для партии варисторов, предназначенных для компоновки колонки.

Заявляемый ограничитель перенапряжений содержит колонку 1 варисторов 2 (на чертеже для упрощения обозначены три варистора из общего их количества), помещенную в корпусе 3. Варисторы 2 соединены в последовательную электрическую цепь, при этом верхний конец колонки 1 соединен с высоковольтным проводом, а нижний опорный ее конец соединен с землей. Колонка 1 скомпонована из варисторов, предварительно отсортированных по величине градиента Ев, при этом группа (В) варисторов 2, расположенных на 1/3-1/2 высоты колонки 1, считая от ее верхнего конца, имеет среднее значение градиента Евср_верх меньше, чем среднее значение градиента Евср_н для группы (Н) варисторов 2, расположенных ниже.

Ограничитель перенапряжений работает следующим образом.

В рабочем режиме, при котором к колонке 1 варисторов 2 приложено напряжение промышленной частоты, по величине не превышающее наибольшее рабочее напряжение ОПН, через колонку 1 протекает ток. При этом через варисторы 2, установленные в группе (В), протекает больший по величине ток, чем через варисторы 2, установленные в группе (Н). За счет того, что в группе (В) помещены варисторы 2, среднее значение градиента которых меньше, чем среднее значение градиента у варисторов 2 в группе (Н), удается несколько снизить тепловыделение варисторов 2 группы (В), то есть на участке, занимающем 1/3-1/2 высоты колонки 1, считая от ее верхнего конца. Тем самым удается предотвратить перегрев варисторов 2 группы (В) по отношению к варисторам группы (H), что способствует повышению эксплуатационной надежности устройства.

Возможность снижения в заявляемом устройстве неравномерности тепловыделения вдоль колонки варисторов путем ее компоновки не случайным образом, а путем помещения в ее верхнюю часть варисторов с более низким градиентом была подтверждена авторами экспериментально.

Так, в частности, на фиг.2 представлены кривые (1) и (2), показывающие распределение потерь активной мощности вдоль колонки в зависимости от номера варистора при движении от верхнего конца колонки к нижнему концу. Кривые (1) и (2) рассчитывались при воздействии на испытуемые колонки варисторов рабочего напряжения промышленной частоты 50 Гц с действующим значением 85 кВ, обеспечивающим протекание тока в колонке варисторов порядка 0,3 мА. Кривая (1) соответствует случаю, когда варисторы в колонке установлены таким образом, что для группы варисторов, расположенных на 1/3-1/2 высоты колонки, считая от ее верхнего конца, среднее значение градиента Евср_верх меньше, чем среднее значение градиента Евср_н для группы варисторов, расположенных ниже, при этом в направлении от верхнего конца к нижнему значение градиента Ев единичных варисторов последовательно возрастает. Кривая (2) соответствует случаю, когда все варисторы в колонке имеют одинаковое значению Ев.

Из представленных на фиг.2 зависимостей видно, что в случае, когда варисторы в колонке расположены по возрастанию градиента сверху вниз (кривая (1)), происходит выравнивание распределения потерь активной мощности вдоль колонки варисторов, при котором величины активных потерь в верхней и нижней частях колонки варисторов отличаются меньше, чем в случае, когда колонка скомпонована из варисторов с одинаковым значением градиента (кривая (2)).

На фиг.3, в частности, представлены экспериментальные зависимости (1) и (2), показывающие распределение температуры вдоль колонки в зависимости от номера варистора при движении от верхнего конца колонки к нижнему концу. Зависимости (1) и (2) рассчитывались при воздействии на испытуемые колонки варисторов рабочего напряжения промышленной частоты 50 Гц с действующим значением 85 кВ, обеспечивающим протекание тока в колонке варисторов порядка 0,3 мА. Для измерения температуры различных участков колонки варисторов использовался тепловизор. Зависимость (1) соответствует случаю, когда варисторы в колонке установлены таким образом, что для группы варисторов, расположенных на 1/3-1/2 высоты колонки, считая от ее верхнего конца, среднее значение градиента Евср_верх меньше, чем среднее значение градиента Евср_н для группы варисторов, расположенных ниже, при этом на 1/3 высоты колонки, считая от ее верхнего конца, расположены варисторы, у которых значение градиента равно или близко к наименьшему значению Ев_min для партии варисторов, предназначенных для компоновки колонки. Зависимость (2) соответствует случаю, когда на 1/3 высоты колонки, считая от ее верхнего конца, расположены варисторы, у которых на 1/3 высоты колонки значение градиента равно или близко к наибольшему значению Ев_max для партии варисторов, предназначенных для компоновки колонки.

Из представленных на фиг.3 зависимостей видно, что в случае, когда варисторы в колонке расположены таким образом, что на 1/3 высоты колонки, считая от ее верхнего конца, значение градиента единичных варисторов равно или близко к наименьшему значению Ев_min (кривая (1)), происходит выравнивание распределения температуры вдоль колонки варисторов, и значения температур в верхней и нижней частях колонки варисторов отличаются друг от друга в значительной степени меньше, чем в случае, когда колонка скомпонована из варисторов, у которых на 1/3 высоты колонки значение градиента равно или близко к наибольшему значению Ев_max для партии варисторов, предназначенных для компоновки колонки.

Приведенные примеры исследований показали, что предложенная авторами конструкция ОПН, в которой место варистора в колонке определяется значением его градиента и варисторы расположены в колонке описанным выше образом, позволяет существенно снизить неравномерность распределения потерь активной мощности вдоль колонки и тем самым предотвратить перегрев варисторов, расположенных в верхней ее части.

1. Ограничитель перенапряжений, содержащий колонку соединенных в последовательную электрическую цепь варисторов, отличающийся тем, что колонка собрана из варисторов, местоположение которых по ее высоте определяется величиной градиента Ев, который характеризует отношение напряжения на единичном варисторе к его высоте, а в качестве указанного напряжения принимается или напряжение на варисторе при протекании по нему постоянного тока заданной величины, или действующее значение напряжения на варисторе при протекании по нему активной составляющей переменного тока заданной величины, или напряжение на варисторе при протекании по нему импульсного тока заданной амплитуды и формы, при этом колонка скомпонована таким образом, что для группы варисторов, расположенных на 1/3-1/2 высоты колонки, считая от ее верхнего конца, среднее значение градиента Евср_верх меньше, чем среднее значение градиента Евср_н для группы варисторов, расположенных ниже.

2. Ограничитель перенапряжений по п.1, отличающийся тем, что на 1/3-1/2 высоты колонки, считая от ее верхнего конца, варисторы расположены так, что в направлении сверху вниз значение градиента Ев единичных варисторов в указанной группе последовательно возрастает.

3. Ограничитель перенапряжений по п.1, отличающийся тем, что на 1/3-1/2 высоты колонки, считая от ее верхнего конца, расположены варисторы, у которых значение градиента равно или близко к наименьшему значению Ев_min для партии варисторов, предназначенных для компоновки колонки.