Из чего состоит разрядник

Из чего состоит разрядник?

Сейчас в наше время разрядники распространены повсеместно. Поэтому вопросы о разрядниках стали актуальными. Но на большинстве сайтов информация очень сложная и непонятная. Эта статья очень проста в понимании. Из неё вы узнаете: что такое разрядник, принцип работы, устройство и виды разрядников.

В современной электронике довольно часто возникают сильные всплески напряжения. Перенапряжения могут сильно повлиять на электрические устройства, работающие при нормальных условиях, даже если они кратковременны. Причиной этого может стать плохая коммутация электрических цепей, слабая изоляция, резонансные помехи. Причины бывают, как и внутренние, так и внешние. Атмосферные разряды гроз могут стать внешней причиной перенапряжения.

Для предохранения от перенапряжения раньше применялись только громоотводы. Сейчас с высоким развитием современной электроники стали применяться такие замечательные устройства, как разрядники.

Защитные устройства с нелинейным сопротивлением (варисторы) часто также относят к разрядникам, хотя принцип их работы другой

Наиболее массовый класс разрядников, исторически появившийся первым — так называемые искровые разрядники. В их основе лежит явление электрического разряда в газе, отсюда и появилось слово «разрядник». Сейчас для защиты изоляции и аппаратуры используют также твердотельные устройства, обладающие нелинейным сопротивлением (варисторы) — при росте напряжения, приложенного к электродам, сопротивление резко падает. Такие устройства также называют разрядниками, хотя никакого разряда в них физически не происходит. Мы расскажем о принципе работы именно искровых разрядников.

Значение слова «разрядник»

РАЗРЯ́ДНИК 1 , -а, м. Устройство, служащее для защиты электрических сетей и установок от аварий, возможных при резком изменении напряжения электрического тока.

РАЗРЯ́ДНИК 2 , -а, м. Разг. Спортсмен, имеющий разряд 1 (во 2 знач.).

Источник (печатная версия): Словарь русского языка: В 4-х т. / РАН, Ин-т лингвистич. исследований; Под ред. А. П. Евгеньевой. — 4-е изд., стер. — М.: Рус. яз.; Полиграфресурсы, 1999; (электронная версия): Фундаментальная электронная библиотека

• Разря́дник — электрический аппарат, предназначенный для ограничения перенапряжений в электротехнических установках и электрических сетях. Первоначально разрядником называли устройство для защиты от перенапряжений, основанный на технологии искрового промежутка. Затем, с развитием технологий, для ограничения перенапряжений начали применять устройства на основе полупроводников и металл-оксидных варисторов, применительно к которым продолжают употреблять термин «разрядник».

РАЗРЯ’ДНИК, а, м. (тех.). Прибор, автоматически разряжающий электрические установки.

Источник: «Толковый словарь русского языка» под редакцией Д. Н. Ушакова (1935-1940); (электронная версия): Фундаментальная электронная библиотека

разря́дник I

1. спорт. спортсмен, имеющий какой-либо спортивный разряд ◆ Уже в девятом классе он занимался в юношеской спортивной школе и был разрядником по нескольким видам спорта. Александр Городницкий., «И жить ещё надежде», 2001 г. (цитата из НКРЯ) ◆ За полвека тренерской работы Анатолием Харлампиевым воспитано более 100 мастеров спорта и тысячи разрядников. «Самбо», Мифы и реальность, 2003 г. (цитата из НКРЯ)

Фразеологизмы и устойчивые сочетания

• спортсмен-разрядник

разря́дник II

1. техн. устройство для создания электрической искры ◆ Герц экспериментально подтвердил наличие электромагнитного излучения в диапазоне длин волн от 10 до 100 м с помощью искрового разряда и регистрацией сигнала в контуре в нескольких метрах от разрядника. Владимир Горбачёв, «Концепции современного естествознания», 2003 г. (цитата из НКРЯ)

2. техн. устройство для защиты электрической цепи от пробоев изоляции, действующее по принципу разрядника [1] ◆ При этом эксплуатацию и ремонт оборудования высокочастотных каналов телефонной связи и телемеханики по линиям электропередачи напряжением выше 1000 В (конденсаторы связи, реакторы высокочастотных заградителей, заземляющие ножи, устройства антенной связи, проходные изоляторы, разрядники элементов настройки и фильтров присоединения и т. д.) должен осуществлять персонал, обслуживающий установки напряжением выше 1000 В. «Правила технической эксплуатации электроустановок потребителей», 2003 г. (цитата из НКРЯ)

Фразеологизмы и устойчивые сочетания

• вентильный разрядник
• высоковольтный разрядник
• газовый разрядник
• искровой разрядник
• конденсаторный разрядник

разря́дник III

1. военн. истор. простейший инструмент, служащий для выталкивания снаряда из заряженного орудия

Разрядник

Разря́дник — электрический аппарат, предназначенный для ограничения перенапряжений в электротехнических установках и электрических сетях. Первоначально разрядником называли устройство для защиты от перенапряжений, основанный на технологии искрового промежутка. Затем, с развитием технологий, для ограничения перенапряжений начали применять устройства на основе полупроводников и металл-оксидных варисторов, применительно к которым продолжают употреблять термин «разрядник».

В электрических сетях часто возникают импульсные всплески напряжения, вызванные коммутациями электроаппаратов, атмосферными разрядами или иными причинами. Несмотря на кратковременность такого перенапряжения, его может быть достаточно для пробоя изоляции и, как следствие, короткого замыкания, приводящего к разрушительным последствиям. [1] Для того, чтобы устранить вероятность короткого замыкания, можно применять более надежную изоляцию, но это приводит к значительному увеличению стоимости оборудования. В связи с этим в электрических сетях целесообразно применять разрядники.

Разрядник состоит из двух электродов и дугогасительного устройства.

Электроды

Один из электродов крепится на защищаемой цепи, второй электрод заземляется. Пространство между электродами называется искровым промежутком. При определенном значении напряжения между двумя электродами искровой промежуток пробивается, снимая тем самым перенапряжение с защищаемого участка цепи. Одно из основных требований, предъявляемых к разряднику — гарантированная электрическая прочность при промышленной частоте (разрядник не должен пробиваться в нормальном режиме работы сети).

Дугогасительное устройство

После пробоя импульсом искровой промежуток достаточно ионизирован, чтобы пробиться фазным напряжением нормального режима, в связи с чем возникает короткое замыкание и, как следствие, срабатывание устройств РЗА, защищающих данный участок. Задача дугогасительного устройства — устранить это замыкание в наиболее короткие сроки до срабатывания устройств защиты.

Воздушный разрядник закрытого или открытого типа (трубчатый разрядник)

Воздушный разрядник представляет собой дугогасительную трубку из полимеров, способных подвергаться термической деструкции с выделением значительного количества газов и без значительного обугливания — полихлорвинила или оргстекла (первоначально, в начале XX века, это была фибра), с разных концов которой закреплены электроды. Один электрод заземляется, а второй располагается на определенном расстоянии от него (расстояние определяет напряжение срабатывания, или пробоя, разрядника) и имеет прямое электрическое подключение к защищаемому проводнику линии. В результате пробоя в трубке возникает интенсивная газогенерация (плазма), и через выхлопное отверстие образуется продольное дутье, достаточное для гашения дуги. В воздушном разряднике открытого типа выброс плазменных газов осуществляется в атмосферу. Напряжение пробоя воздушных разрядников — более 1 кВ.

Газовый разрядник

Конструкция и принцип действия идентичны воздушному разряднику. Электрический разряд происходит в закрытом пространстве (керамическая трубка), заполненном инертными газами. Технология электрического разряда в газонаполненной среде позволяет обеспечить лучшие характеристики скорости срабатывания и гашения разрядника. Напряжение пробоя газонаполненного разрядника — от 60 вольт до 5 киловольт.

Вентильный разрядник

Вентильный разрядник состоит из двух основных компонентов: многократного искрового промежутка (состоящего из нескольких последовательно соединенных единичных искровых промежутков) и рабочего резистора (состоящего из последовательного набора вилитовых дисков). Многократный искровой промежуток последовательно соединен с рабочим резистором. В связи с тем, что вилит меняет характеристики при увлажнении, рабочий резистор герметично закрывается от внешней среды. Во время перенапряжения многократный искровой промежуток пробивается, задача рабочего резистора — снизить значение сопровождающего тока до величины, которая сможет быть успешно погашена искровыми промежутками. Вилит обладает особенным свойством — его сопротивление нелинейно — оно падает с увеличением значения силы тока. Это свойство позволяет пропустить больший ток при меньшем падении напряжения. Благодаря этому свойству вентильные разрядники и получили свое название. Среди прочих преимуществ вентильных разрядников следует отметить бесшумность срабатывания и отсутствие выбросов газа или пламени.

Магнитовентильный разрядник (РВМГ)

РВМГ состоит из нескольких последовательных блоков с магнитным искровым промежутком и соответствующего числа вилитовых дисков. Каждый блок магнитных искровых промежутков представляет собой поочередное соединение единичных искровых промежутков и постоянных магнитов, заключенное в фарфоровый цилиндр.

При пробое в единичных искровых промежутках возникает дуга, которая за счет действия магнитного поля, создаваемого кольцевым магнитом, начинает вращаться с большой скоростью, что обеспечивает более быстрое, по сравнению с вентильными разрядниками, дугогашение.

Ограничитель перенапряжений нелинейный (ОПН)

В процессе эксплуатации изоляция оборудования электрических сетей подвергается воздействию рабочего напряжения, а также различных видов перенапряжений, таких как грозовые, коммутационные, квазистационарные. Основными аппаратами для защиты сетей от грозовых и коммутационных перенапряжений являются вентильные разрядники (РВ) и нелинейные ограничители перенапряжений (ОПН). При построении или модернизации уже существующих схем защиты от перенапряжений с помощью ОПН и РВ необходимо решать две основные тесно связанные друг с другом задачи:

• выбор числа, мест установки и характеристик аппаратов, которые обеспечат надежную защиту изоляции от грозовых и коммутационных перенапряжений;
• обеспечение надежной работы самих аппаратов при квазистационарных перенапряжениях, для ограничения которых они не предназначены.

Защитные свойства РВ и ОПН основаны на нелинейности вольтамперной характеристики их рабочих элементов, обеспечивающей заметное снижение сопротивления при повышенных напряжениях и возврат в исходное состояние после снижения напряжения до нормального рабочего. Низкая нелинейность вольтамперной характеристики рабочих элементов в разрядниках не позволяла обеспечить одновременно и достаточно глубокое ограничение перенапряжений и малый ток проводимости при воздействии рабочего напряжения, от воздействия которого удалось отстроиться за счет введения последовательно с нелинейным элементом искровых промежутков. Значительно большая нелинейность окисно-цинковых сопротивлений варисторов ограничителей перенапряжений ОПН позволила отказаться от использования в их конструкции искровых промежутков, то есть нелинейные элементы ОПН присоединены к сети в течение всего срока его службы.

В настоящее время вентильные разрядники практически сняты с производства и в большинстве случаев отслужили свой нормативный срок службы. Построение схем защиты изоляции оборудования как новых, так и модернизируемых подстанций, от грозовых и коммутационных перенапряжений теперь оказывается возможным только с использованием ОПН.

Идентичность функционального назначения РВ и ОПН и кажущаяся простота конструкции последнего часто приводят к тому, что замену разрядников на ограничители перенапряжений проводят без проверки допустимости и эффективности использования устанавливаемого ОПН в рассматриваемой точке сети. Этим объясняется повышенная аварийность ОПН.

Помимо неверного выбора мест установки и характеристик ОПН еще одной причиной повреждений ОПН являются используемые при их сборке варисторы низкого качества, к которым, прежде всего, относятся китайские и индийские варисторы.

Стержневые искровые промежутки

Стержневые искровые промежутки также известные как «дугозащитные рога» применяются для защиты от пережога защищеных проводов и перевода однофазного к.з. в двухфазное. Для возникновения дуги необходим ток к.з., превышающий 1 кА. Вследствие относительно низкого напряжения (6-10 кВ против 20 кВ в сетях Финляндии) и высокого сопротивления заземления «дугозащитные рога» в российских сетях не срабатывают.

В настоящее время на ВЛ 6-10 кВ они запрещены «Положением о технической политике» ФСК.

Разрядник длинно-искровой

Принцип работы разрядника основан на использовании эффекта скользящего разряда, который обеспечивает большую длину импульсного перекрытия по поверхности разрядника, и предотвращении за счет этого перехода импульсного перекрытия в силовую дугу тока промышленной частоты. Разрядный элемент РДИ, вдоль которого развивается скользящий разряд, имеет длину, в несколько раз превышающую длину защищаемого изолятора линии. Конструкция разрядника обеспечивает его более низкую импульсную электрическую прочность по сравнению с защищаемой изоляцией. Главной особенностью длинно-искрового разрядника является то, что вследствие большой длины импульсного грозового перекрытия вероятность установления дуги короткого замыкания сводится к нулю.

Существуют различные модификации РДИ, отличающиеся назначением и особенностями воздушных линий, на которых они применяются.

РДИ предназначены для защиты воздушных линий электропередачи напряжением 6-10 кВ трехфазного переменного тока с защищёнными и неизолированными проводами от индуктированных грозовых перенапряжений и их последствий, и прямого удара молнии; рассчитаны для работы на открытом воздухе при температуре окружающего воздуха от минус 60 °C до плюс 50 °C в течение 30-и лет.

Основное преимущество РДИ: разряд развивается вдоль аппарата по воздуху, а не внутри его. Это позволяет значительно увеличить срок эксплуатации изделий и повышает их надежность.

На электрических принципиальных схемах в России разрядники обозначаются согласно ГОСТ 2.727—68.
1. Общее обозначение разрядника
2. Разрядник трубчатый
3. Разрядник вентильный и магнитовентильный
4. ОПН

Применение разрядников

Коммутационные явления в оборудовании, грозовые разряды и другие факторы приводят к скачкам напряжения, его резкому повышению до высокой отметки, которая может представлять опасность для электроустановок.

Применение разрядных устройств, в зависимости от вида и модификации, направлено на защиту линий высоковольтных передач и находящихся вблизи них зданий от грозовых разрядов, электрооборудования, электроники и бытовой техники – от перепадов напряжения в электросети. Сфера использования разрядников охватывает все направления и отрасли, в которых применяются электроустановки, приборы и другие технические средства, функционирующие от электросети.

Принцип действия

Устройство состоит из 2-х основных частей – корпуса и элемента, предназначенного для гашения напряжения. Принцип функционирования приспособления заключается в следующем. В случае возникновения высокого напряжения, на электродах устройства оно также значительно повышается.

Вследствие воздействия высоких импульсов происходит понижение напряжения до номинального значения. В результате электрооборудование оказывается защищенным, не происходит пробой изоляционной оболочки.

Типы и классификация разрядников

На сегодняшний день применяются различные виды приспособлений, которые отличаются назначением, конструкцией и другими параметрами. Сейчас большой популярностью пользуется газовый разрядник, в состав которого входит коаксиальный компонент с малым разрядным пространством и патрон, выводящийся в грунт. Корпус устройства заполняется газом – неоном или аргоном.

В момент скачка напряжения срабатывает защита, под воздействием температурного фактора мгновенно падает сопротивление. Сразу же происходит образование дугового разряда с напряжением до 10 000 Вольт. После гашения дуги приспособление переходит в состояние, не проводящее ток.

Также используется следующие виды:

• трубчатое устройство – выполнено в виде трубки из полихлорвинила, на обеих сторонах которой находятся электроды; к одному подсоединяется заземление, а другой устанавливается подальше от участка, который необходимо защитить; основным достоинством данного вида является отсутствие шума во время срабатывания;
• вентильный разрядник – имеет более высокий параметр пробоя, чем газовая модель; состоит из нескольких искровых пространств и сопротивлений нелинейного типа;
• магнитовентильный – в его конструкцию входят магнитные элементы, высокое напряжение снижается под воздействием магнитного поля;
• нелинейный ограничитель – состоит из варисторов, а не из электродов, как предыдущие виды; при резком повышении напряжения сопротивление варистора снижается, он пропускает электроток и за счет этого происходит снижение напряжения; количество варисторов зависит от того, какое необходимо получить пробивное напряжение.
• длинно-искровой – используется для эффективной защиты ВЛ электропередач в диапазоне от 6,0 до 10,0 кВ от грозовых разрядов.

11. Разрядники 6 КВ, 10 КВ, 35кВ, 110 кВ, 220 кВ

Основные характеристики разрядников 6-220 кВ приведены в таблицах 2 и 3.

Таблица 2 – Технические характеристики разрядников 6 кВ, 10 кВ

Параметр	Единица измерения	РВО-6 Н	РВО-10 Н
Класс напряжения сети	кВ	6	10
Наибольшее допустимое напряжение	кВ	7,5	12,7
Пробивное напряжение при частоте 50 Гц в сухом состоянии и под дождём:
не менее	кВ	16	26
не более	кВ	19	30,5
Импульсное пробивное напряжение при предразрядном времени от 2 до 20 мкс, не более	кВ	32	48
Остающееся напряжение при волне 8 мкс, не более:
с амплитудой тока 3000А	кВ	25	43
с амплитудой тока 5000А	кВ	27	45
Ток утечки, не более	мкА	6	6
Токовая пропускная способность:
20 импульсов тока волной 16/40 мкс	кА	5,0	5,0
20 импульсов тока прямоугольной волной длительностью 2000 мкс	А	75	75
Длина пути утечки внешней изоляции, не менее	см	18	26
Допустимое натяжение проводов, не менее	Н	300	300
Высота, не более	мм	294	411
Масса, не более	кг	3,1	4,2

Таблица 3 – Технические характеристики разрядников 35кВ, 110 кВ, 220 кВ

Назначение ОПН

Ограничители перенапряжения предназначены для защиты электроприборов и оборудования от воздействия высоковольтных импульсов напряжения. Благодаря простоте конструкции и надежности, они нашли широкое применение в области энергоснабжения. Данные устройства защиты пришли на смену устаревшим, весьма громоздким вентильным разрядникам. В отличие от предшественников, принцип действия ограничителя заключается не в использовании искровых промежутков. В качестве главного рабочего элемента в ОПН используются нелинейные резисторы, выполненные из материала, основу которого составляет окись цинка.

Принцип работы разрядников основан на способности высокого напряжения пробивать воздушный промежуток. Напряжение пробоя промежутка зависит главным образом от величины воздушного зазора.

Воздушный разрядник

Конструкция воздушного разрядника очень проста. Величина воздушного зазора между фазным и заземляющим проводом выбирается таким образом, что он гарантированно не пробивается при рабочем напряжении, но в случае кратного увеличения этого значения происходит пробой. При этом образуется электрическая цепь через дуговой разряд между фазой и защитным заземлением. Импульс тока, уходящий в заземляющее устройство, снимает перенапряжение и защищает силовые цепи от повреждения.

Вентильный разрядник

Усовершенствованной моделью воздушного разрядника является разрядник вентильного типа. Конструкция вентильного разрядника включает в себя несколько компонентов:

• искровой промежуток, разделённый на несколько воздушных зазоров;
• резистора.

Рабочий резистор представляет собой набор последовательно соединённых между собой дисков, изготовленных из вилита или тирита. Свойства этих материалов таковы, что вольт-амперная характеристика рабочего сопротивления является нелинейной. Это свойство позволяет пропускать большие импульсные токи перенапряжений при малом падении напряжения на самом элементе. Благодаря нелинейности характеристики разрядник получил название вентильный. Срабатывание вентильных разрядников происходит практически бесшумно, кроме этого, не наблюдается такое обильное выделение газа и пламени как в случае с воздушным разрядником.

Искровые промежутки вентильных разрядников

Искровые промежутки вентильных разрядников должны удовлетворять следующим требованиям: иметь стабильное пробивное напряжение при минимальных разбросах, иметь пологую вольт-секундную характеристику, не изменять свое пробивное напряжение после многократных срабатываний, гасить дугу сопровождающего тока при первом переходе его через нулевое значение. Этим требованиям удовлетворяют многократные искровые промежутки, которые собираются из единичных искровых промежутков с малыми воздушными зазорами. Единичные искровые промежутки включаются последовательно и на каждый из них при наибольшем допустимом напряжении приходится около 2 кВ.

Деление дуги на короткие дуги в единичных искровых промежутках повышает дугогасящие свойства вентильного разрядника, что объясняется интенсивным охлаждением дуги и большим падением напряжения у каждого электрода (эффект катодного падения напряжения).

Напряжение пробоя искровых промежутков вентильного разрядника при воздействии атмосферных перенапряжений определяются его вольт-секундной характеристикой, т. е. зависимостью времени разряда от амплитуды импульса перенапряжения. Время разряда — это время от начала воздействия импульса перенапряжения до пробоя искрового промежутка разрядника.

Для эффективной защиты изоляции вольт-секундная характеристика ее должна лежать выше вольт-секундной характеристики разрядника. Сдвиг вольт-секундных характеристик необходим для того, чтобы сохранить надежность защиты при случайном ослаблении изоляции в эксплуатации, а также из-за наличия зон разброса разрядных напряжений как у самого разрядника, так и у защищаемой изоляции.

Вольт-секундная характеристика разрядника должна иметь пологую форму. Если она будет крутой, как это показано на рис. 3 пунктиром, то это приведет к тому, что разрядник потеряет универсальность, так как для каждого вида оборудования, обладающего индивидуальной вольт-секундной характеристикой, потребуется свой специальный разрядник.

Рис. 3. Вольт-секундные характеристики вентильных разрядников и защищаемой ими изоляции.

Нелинейный последовательный резистор. К нему предъявляются два противоположных требования: в тот момент, когда через него проходит ток молнии, его сопротивление должно уменьшаться; тогда же когда через него проходит сопровождающий ток промышленной частоты, оно должно, наоборот, увеличиваться. Таким требованиям удовлетворяет карборундовое сопротивление, которое изменяется в зависимости от приложенного к нему напряжения: чем выше приложенное напряжение, тем ниже его сопротивление и, наоборот, чем ниже приложенное напряжение, тем больше его сопротивление.

Кроме того, последовательно включенное карборундовое сопротивление, являясь активным сопротивлением, уменьшает сдвиг по фазе между сопровождающим током и напряжением, а при одновременном переходе их через нулевое значение гашение дуги облегчается.

С повышением напряжения величина сопротивления запорных слоев падает, что обеспечивает прохождение больших токов при относительно небольших падениях напряжения.

HTML clipboardЗависимость напряжения на разряднике от величины проходящего через него тока (вольт-амперная характеристика) приближенно выражается уравнением:

где U — напряжение на сопротивлении нелинейного резистора вентильного разрядника, I — ток, проходящий через нелинейный резистор, С — постоянная, численно равная сопротивлению при токе 1 А, α — коэффициент вентильности.

Чем меньше коэффициент α, тем меньше изменяется напряжение на нелинейном резисторе при изменении проходящего через него тока и тем меньше остающееся напряжение на вентильном разряднике.

Величины остающихся напряжений, приводимые в паспорте вентильного разрядника, даются для нормированных импульсных токов. Величины этих токов лежат в пределах 3 000—10000 А.

Каждый импульс тока оставляет в последовательном резисторе след разрушения — происходит пробой запорного слоя отдельных зерен карборунда. Многократное прохождение импульсов тока приводит к полному пробою резистора и разрушению разрядника. Полный пробой резистора наступает тем скорее, чем больше амплитуда и длина импульса тока. Поэтому пропускная способность вентильного разрядника ограничена. При оценке пропускной способности вентильных разрядников учитывается пропускная способность и последовательных резисторов и искровых промежутков.

Резисторы должны выдерживать без повреждения 20 импульсов тока длительностью 20/40 мкс с амплитудой, зависящей от типа разрядника. Например, для разрядников типов РВП и РВО напряжением 3 — 35 кВ амплитуда тока равна 5000 А, типа РВС напряжением 16 — 220 кВ — 10 000 А и типов РВМ и РВМГ напряжением 3 — 500 кВ — 10000 А.

Для повышения защитных свойств вентильного разрядника нужно снижать остающееся напряжение, чего можно достичь уменьшением коэффициента вентильности α последовательного нелинейного резистора при одновременном повышении дугогасящих свойств искровых промежутков.

Повышение дугогасящих свойств искровых промежутков дает возможность увеличить сопровождающий ток, обрываемый ими, а следовательно, позволяет уменьшить сопротивление последовательного резистора. Техническое усовершенствование вентильных разрядников в настоящее время идет именно этими путями.

Следует отметить, что в схеме вентильного разрядника важное значение имеет заземляющее устройство. При отсутствии заземления разрядник работать не может.

Заземления вентильного разрядника и защищаемого им оборудований объединяются. В тех случаях, когда вентильный разрядник по каким-либо причинам имеет отдельное от защищаемого оборудованиязаземление, величина его нормируется в зависимости от уровня изоляции оборудования.