научная статья по теме УСТРОЙСТВО ЗАЩИТЫ ОТ ИМПУЛЬСНЫХ ПЕРЕНАПРЯЖЕНИЙ НА ОСНОВЕ ВАКУУМНОГО УПРАВЛЯЕМОГО РАЗРЯДНИКА Физика

Текст научной статьи на тему «УСТРОЙСТВО ЗАЩИТЫ ОТ ИМПУЛЬСНЫХ ПЕРЕНАПРЯЖЕНИЙ НА ОСНОВЕ ВАКУУМНОГО УПРАВЛЯЕМОГО РАЗРЯДНИКА»

ПРИБОРЫ И ТЕХНИКА ЭКСПЕРИМЕНТА, 2011, № 1, с. 72-76

^ ЭЛЕКТРОНИКА

И РАДИОТЕХНИКА

УДК 621.3.06

УСТРОЙСТВО ЗАЩИТЫ ОТ ИМПУЛЬСНЫХ ПЕРЕНАПРЯЖЕНИЙ НА ОСНОВЕ ВАКУУМНОГО УПРАВЛЯЕМОГО РАЗРЯДНИКА © 2011 г. Д. Ф. Алферов, Д. В. Евсин, В. П. Иванов, В. А. Сидоров

Всероссийский электротехнический институт им. В.И. Ленина Россия, 111250, Москва, Красноказарменная ул., 12 Поступила в редакцию 02.07.2010 г. После доработки 26.08.2010 г.

Предложена схема автоматического устройства защиты на основе вакуумного управляемого разрядника с временем срабатывания < 1 мкс. Приводятся результаты исследования пусковых и коммутационных характеристик такого устройства. Высокая коммутационная способность устройства обеспечивается способностью разрядника многократно пропускать импульсные токи амплитудой до сотен килоампер, длительностью до сотен микросекунд и ток промышленной частоты до десятков килоампер в течение нескольких периодов.

1. ВВЕДЕНИЕ

Надежная работа электротехнического оборудования обеспечивается при условии ограничения электрических воздействий на это оборудование до допустимых значений. В значительной степени эти ограничения обеспечиваются за счет специальных защитных аппаратов. Одним из опасных видов электрического воздействия являются импульсные перенапряжения, возникающие при воздействии грозового импульса или мощного электромагнитного излучения.

Для защиты от перенапряжений обычно применяются шунтирующие быстродействующие устройства. В качестве таких устройств используются газонаполненные защитные разрядники [1]. Однако искровые промежутки имеют значительное время деионизации и большие потери при пропускании разрядного тока. Кроме того, они не способны длительно (>100 мкс) пропускать аварийный ток. Данное обстоятельство ограничивает срок службы разрядников и затягивает время подключения объекта к источнику после завершения аварийного режима. Недостатком таких устройств также является значительный разброс пробивных напряжений искровых промежутков и сравнительно большие значения остающегося напряжения.

В последнее время наряду с защитными разрядниками все более широкое применение находят ограничители перенапряжений (о.п.н.) без искровых промежутков. В качестве активного элемента в них используются новые материалы на основе окиси цинка, имеющие нелинейную вольт-амперную характеристику. Сильно нелинейной вольт-амперной характеристикой обладают также стабилитроны, стабисторы и ограничительные диоды, которые применяются для ограничения

напряжения в длительном и импульсном режимах.

Однако для ограничения перенапряжения с большими амплитудами сопровождающего тока большой длительности приходится набирать большое количество параллельно-последовательно соединенных отдельных элементов, что приводит к увеличению тока утечки, к усложнению конструкции, большим габаритам и, соответственно, к высокой стоимости защитного устройства на основе о.п.н.

Альтернативным и более дешевым способом решения проблемы защиты от перенапряжений и токовой перегрузки электротехнического оборудования является использование быстродействующего защитного устройства на основе управляемых вакуумных разрядников.

Управляемый вакуумный разрядник (р.в.у.) представляет собой безнакальный трехэлектрод-ный герметизированный прибор с давлением остаточных газов, не превышающим 10-4 Па. Электродная система р.в.у. содержит два основных и один управляющий электроды. Управляющий электрод устанавливается на одном из основных электродов и отделяется от него с помощью диэлектрической вставки, образуя тем самым поджигающий промежуток. Расстояние между основными электродами всегда фиксировано и определяется требуемой электрической прочностью вакуумного промежутка. Разрядник содержит также экранную систему, которая защищает внутренние стенки корпуса от металлизации продуктами эрозии основных электродов.

Включение р.в.у. осуществляется подачей пускового импульса напряжения на управляющий электрод. Импульс напряжения вызывает пробой по поверхности диэлектрической вставки между

управляющим и основным электродами и генерацию инициирующего искрового разряда. Плазма искрового разряда быстро заполняет основной вакуумный промежуток, разряд переходит из искровой стадии в дуговую стадию, и разрядник включается. Время и надежность включения р.в.у. в значительной степени определяется амплитудой тока импульса запуска и его длительностью.

Плазма вакуумной дуги с металлическими электродами способна пропускать большие токи между основными электродами без их существенного разрушения. Вакуумный дуговой разряд сам себя поддерживает и гаснет, когда ток в основной цепи спадает до нуля. Вследствие быстрой де-ионизации плазмы и конденсации металлического пара на электродах вакуумный промежуток характеризуется высокой скоростью восстановления электрической прочности.

В настоящее время освоено производство разработанных в ВЭИ р.в.у. нескольких типов, предназначенных для коммутации мощных емкостных накопителей энергии в электрофизических установках, а также для электроразрядных и магнитно-импульсных технологий [2, 3]. Многолетний опыт эксплуатации р.в.у. показал, что они способны работать в широком диапазоне импульсных напряжений (1—50 кВ) и токов (0.1—300 кА). Во включенном состоянии падение напряжения на р.в.у. составляет 50—100 В, что позволяет существенно снизить уровень рассеиваемой энергии в разряднике при коммутации больших токов.

В работе [4] предложено устройство на основе комбинации р.в.у. и о.п.н. Устройство содержит р.в.у., соединенный последовательно с демпфирующим сопротивлением. Демпфирующее сопротивление состоит из параллельно соединенных нелинейного сопротивления (о.п.н.) и линейного сопротивления. Включение р.в.у. осуществляется с помощью блока запуска, который после подачи управляющего импульса выдает на управляющий электрод импульс поджига с заданными параметрами напряжения и тока. Такое устройство способно ограничивать перенапряжения с большими амплитудами сопровождающего тока большой длительности. Защитный уровень о.п.н. можно выбрать близким к номинальному напряжению сети. В результате рассеиваемая в о.п.н. энергия при протекании разрядного тока будет существенно меньше, чем в схеме его подключения без р.в.у. Параллельное соединение с нелинейным сопротивлением линейного также позволяет уменьшить выделяемую в нелинейном сопротивлении энергию. Однако наличие блока запуска в таком устройстве ограничивает минимальное время его срабатывания на уровне 10—15 мкс. Кроме того, требуется время на регистрацию возникновения перенапряжения и формирование импульса управления на блок запуска.

р.в.у.

Я

Рис. 1. Схема защитного устройства.

В данной работе предложена схема автоматического устройства защиты на основе р.в.у. с временем срабатывания <1 мкс. Приводятся результаты исследования пусковых и коммутационных характеристик такого устройства.

2. ОБЪЕКТ ИССЛЕДОВАНИЯ И УСЛОВИЯ ИЗМЕРЕНИЙ

Обеспечить малое время включения устройства (<1 мкс), необходимое при крутых фронте и спаде импульсов напряжения, позволит автоматическое устройство защиты от импульсных перенапряжений. В таком устройстве параллельно р.в.у. подсоединена цепь в виде последовательно соединенных нелинейного сопротивления Я и линейного сопротивления Яь а точка их соединения подсоединена к управляющему электроду разрядника (рис. 1). В качестве нелинейного сопротивления можно использовать о.п.н. или стабилитрон с иогр = изащ > ит (иогр — остающееся напряжение ограничения, изащ — напряжение защитного режима стабилитрона, ит — амплитуда максимального рабочего напряжения сети).

При возникновении перенапряжения выше защитного уровня в первый момент времени цепь из нелинейного Я и линейного Я1 сопротивлений ограничивает уровень напряжения на устройстве до величины иогр напряжения ограничения или напряжения стабилизации. В этом случае на управляющем электроде р.в.у. формируется импульс напряжения иу = Я^Я, где ¡Я — ток в нелинейном сопротивлении.

Надежное включение р.в.у. осуществляется при выполнении неравенства Я{ > Ц мин/¡я мин, где Ц Мин -минимальное напряжение на управляющем электроде, при котором происходит включение р.в.у.; ¡Я мин — значение тока в нелинейном сопротивлении (¡Я мин = 4ин пер) при минимальном переходном сопротивлении вольт-амперной характеристики о.п.н. (переход из области проводимости 2 (рис. 2) в область сопровождающего тока 1). Ток в цепи управляющего электрода будет определяться вольт-секундной характеристикой нелинейно-

74

АЛФЕРОВ и др.

U/UMHH

пер

1.5

мин пер

10-5 10-3 10-1 10

103 105 I, А

Рис. 2. Вольт-амперные характеристики о.п.н.

го сопротивления, а его длительность — временем включения р.в.у.

Для исследования пусковых и коммутационных характеристик защитного устройства был изготовлен макетный образец, содержащий вакуумный разрядник РВУ-47 [3] и цепь из последовательно соединенных нелинейного сопротивления Я (ОПН-КС 6/7.2) и линейного сопротивления Я{ (эта цепь подсоединена к р.в.у., как на рис. 1).

Исследования проводились на экспериментальном стенде, состоящем из высоковольтной и сильноточной частей (рис. 3). Высоковольтная часть стенда содержит накопительный конденсатор емкостью С1 = 0.4 мкФ на максимальное напряжение 100 кВ, который заряжался до напряжения и0 от высоковольтного трансформатора Тр через диод Д и зарядное сопротивление Я2 = = 256 кОм. Параллельно нелинейному сопротивлению в ряде опытов подсоединялся конденсатор емкостью С2 = 2.5—200 нФ. Высоковольтный импульс напряжения формировался на входе защитного устройства (Яь Я) после включения управляемого вакуумного разрядника Рх при разряде емкости Сх через сопротивление Я3 = 500 Ом. Максимальная амплитуда импульса напряжения

ограничивалась рабочим напряжением разрядника Р1 и составляла U0 = 30 кВ.

Сильноточная часть стенда содержит зарядное устройство G, конденсаторную батарею С0 емкостью 12.4 мФ на максимальное напряжение 3 кВ и реактор с регулируемой индуктивностью L0 до 600 мкФ. Параллельно конденсаторам подсоединены диодные блоки Д1 для формирования униполярного импульса тока.

В течение эксперимента измеря

Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.

Показать целиком

Пoхожие научные работыпо теме «Физика»