ТЕРМОГРЯЗЕСТОЙКИЙ ОГРАНИЧИТЕЛЬ ПЕРЕНАПРЯЖЕНИЙ

ТЕРМОГРЯЗЕСТОЙКИЙ ОГРАНИЧИТЕЛЬ ПЕРЕНАПРЯЖЕНИЙ


RU (11) 2074427 (13) C1

(51) 6 H01C7/12 

(12) ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ К ПАТЕНТУ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ 
Статус: по данным на 25.10.2007 - прекратил действие 

--------------------------------------------------------------------------------

(14) Дата публикации: 1997.02.27 
(21) Регистрационный номер заявки: 94045456/07 
(22) Дата подачи заявки: 1994.12.27 
(45) Опубликовано: 1997.02.27 
(56) Аналоги изобретения: 1. Тиходеев Н.Н., Шур С.С. Изоляция электрических сетей. - М.: Энергия, 1979, с. 211 - 263. 2. Гарасим С.И., Рудакова В.М., Шур С.С., Якобсон А.В. Исследование грязестойкости ограничителей перенапряжений. - М.: Электрические станции, 1985, N 6, с. 44 - 47. 3. M.N.Redrugina, prof. S.S.Shur, Dr.J.Vokalek and ander. rep.44.16, ISH, Technische Universitat Dresden, 1991. 4. M.N.Redrugina, prof. S.S.Shur, Dr.J.Vokalek and ander. rep.33 - 202, CIGRE, 1992. 5. Авторское свидетельство СССР N 1690492, кл. H 01 C 7/12, 1992. 
(71) Имя заявителя: Акционерное общество открытого типа "Научно- исследовательский институт по передаче электроэнергии постоянным током высокого напряжения" 
(72) Имя изобретателя: Шур С.С.; Редругина М.Н. 
(73) Имя патентообладателя: Акционерное общество открытого типа "Научно- исследовательский институт по передаче электроэнергии постоянным током высокого напряжения" 

(54) ТЕРМОГРЯЗЕСТОЙКИЙ ОГРАНИЧИТЕЛЬ ПЕРЕНАПРЯЖЕНИЙ 

Использование: в электротехнике, в частности в устройствах защиты электрических сетей и установок от перенапряжения. Цель изобретения - повышение надежности работы и снижение веса и стоимости защитных аппаратов, предназначенных для эксплуатации в различных, в том числе как легких, так и экстремальных по температуре окружающей среды и степени загрязнения атмосферы условиях. Сущность: термогрязестойкий ограничитель перенапряжений электрических сетей и установок с эффективно заземленной нейтралью содержит высоконелинейный резистор, который размещен между электропроводящими фланцами внутри герметизированной изоляционной покрышки. Геометрия покрышки, определяющая эффективную длину пути утечки, коэффициент формы, число, форму и вылет ребер такова, что обеспечивает электрическую прочность внешней изоляции при загрязнениях и увлажнениях. Высоконелинейный резистор представляет собой один или несколько параллельно включенных столбов, скомплектованных из последовательно соединенных единичных высоконелинейных элементов. Удельная поперечная емкость между столбом резистора и увлажненным слоем загрязнения Сп, эквивалентный коэффициент теплоотдачи, приведенный к поверхности столба резистора реального ограничителя э и эквивалентный коэффициент теплоотдачи, приведенный к поверхности одноколонкового осесимметричного аппарата с расчетной поверхностью теплоотдачи резистора реального аппарата эo, выбраны из определенного соотношения. 5 ил., 3 табл. 


ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ



Изобретение относится к электротехнике, в частности к устройствам защиты электрических сетей и установок от перенапряжений.

Известны защитные устройства, применяющиеся для защиты электрических сетей и установок с эффективно заземленной нейтралью, например, нелинейные ограничители перенапряжений (ОПН) [1]

Недостатком известных устройство является зависимость надежности резистора ОПН от конкретных условий эксплуатации, которые могут быть достаточно разнообразны. Например, высокие температуры окружающей среды (t, oС) при умеренной степени загрязнения атмосферы (СЗА). Или большая СЗА при небольших температурах окружающей среды, и, наконец, в экстремальных ситуациях, большая СЗА в сочетании с высокими температурами окружающей среды.

Экспериментальные исследования [2, 3] доказали, что наличие поперечных емкостей (Сп, пФ/м) между резистором ОПН и увлажненным слоем загрязнения на покрышке приводит к повышенным токовым воздействиям на резистор ОПН. Повышенные токовые воздействия вызывают перегревы (T, К) резистора по отношению к температуре окружающей среды. Перегревы, ухудшая тепловой режим резистора, являются причиной снижения надежности работы ОПН. Экспериментально установлено [4] что предельно допустимая в течение длительного времени температура резистора не должна превышать (90 100)oС. Энергия, рассеиваемая в резисторе при так называемом "тепловом удаpе", вызванном коммутационным импульсным и последующим резонансным перенапряжением, в самых неблагоприятных условиях повышает температуру резистора не более чем на 25oС. Следовательно, предельно допустимый длительный перегрев резистора не должен превышать

T[(6575)-t)] (70-t),K.

Прототипом заявляемого устройства является грязестойкий ограничитель перенапряжений (авт. св. N 1690492 от 08.07.91) [5] который фиксирует отношение внешнего диаметра покрышки (D2) к диаметру столба резистора (D1) на уровне D2/D12,2. Для осесимметричных конструкций D2/D12,2 соответствует условию Сп(70 75)пФ/м. При выполнении условия D2/D12,2 резистор ограничителя становится малочувствительным к имеющим статистический характер электротермодинамическим процессам, протекающим в увлажненном слое загрязнения на покрышке ОПН.

Однако прототип (авт. св. N 1690492) обладает двумя существенными недостатками, которые связаны с тем, что условие D2/D12,2 получено без учета того, что кроме нагрева, вызываемого наличием удельной поперечной емкости Сп, всегда имеет место теплоотдача от резистора в окружающую среду, которая понижает температуру резистора, причем процесс теплоотдачи от резистора к окружающей среде слабо зависит от величины Сп.

Недостатки прототипа следующие. В том, случае, который имеет место для показанных на фиг.1 несоосных конструкций ОПН с крупногабаритными резисторами, условие D2/D12,2 может привести к неоправданно оптимистичным оценкам теплового режима резистора, и фактическая надежность работы ОПН будет хуже прогнозируемой. В другом случае, который имеет место для показанных на фиг.2 осесимметричных одно- или многоколонковых конструкций, выполнение условия D2/D1 2,2 может оказаться, наоборот, неоправданно жестким, особенно если ограничитель предназначается для эксплуатации в районах, хотя и с высокой СЗА, но при умеренных температурах окружающей среды. В этом случае удовлетворение требования прототипа D2/D12,2 может привести к неоправданному увеличению стоимости ОПН.

Изложенное наглядно иллюстрируется показанными на фиг. 3 расчетно-экспериментальными зависимостями математического ожидания перегревов резистора ( К) от поперечной емкости. Приведенные на фиг. 3 зависимости построены по результатам испытаний 12 загрязненных ограничителей 110 кВ и 230 кВ, представленных в табл.1. В табл.2 для этих ОПН-110 и ОПН-220 кроме опытных значений приведены расчетные значения Сп и коэффициентов теплоотдачи (э, Вт/м2К) от резистора в окружающую среду. Величина э определяет интенсивность охлаждения резистора.

Из сопоставления данных табл.1 и 2 видно, что величина поперечной емкости Сп существенным образом зависит как от диаметра и толщины покрышки, так и от характера оребрения, т.е. геометрии ее наружной поверхности. Величина коэффициента теплоотдачи э в основном определяется двумя факторами: конструкцией аппарата (осесимметричное или несоосное расположение столба резистора внутри покрышки и суммарная поверхность тепловыделения столба резистора); теплофизическими характеристиками материалов, из которых изготовлен ОПН, в первую очередь коэффициентами теплопроводности фарфора, песка, воздуха, полимеров и анизотропным характером теплопроводности столба резистора в продольном и поперечном направлениях.

Если воспользоваться зависимостями фиг.3 и экспериментально полученной [3] функцией распределения вероятностей перегревов резистора в виде



то нетрудно подсчитать, что на вероятностном уровне 0,997, несмотря на выполнение условия D2/D12,2, т.е. когда Сп75 пФ/м, одноколонковый несоосный ограничитель с крупногабаритными (48мм) резисторами уже при температуре окружающей среды t16,5oС нельзя рассматривать как грязестойкий, ибо температура его резистора превысит 100oС. В то же время осесимметричный многоколонковый ОПН с резистором из малогабаритных (28мм) высоконелинейных элементов при том же уровне надежности P=0,997 удовлетворяет требованиям грязестойкости вплоть до температур окружающей среды t39,2oС.

Таким образом, использование защитных устройств по прототипу может сделать невыгодным применение технологически и экономически перспективных крупногабаритных высоконелинейных элементов, ибо улучшение надежностных и стоимостных показателей при проектировании и массовом производстве ограничителей с крупногабаритными резисторами особенно четко проявляется при переходе к несоосным конструкциям.

С другой стороны, при невысоких температурах окружающей среды условие прототипа D2/D12,2 для осесимметричных одноколонковых или многоколонковых конструкций может оказаться излишне жестким, неоправданно завышающим стоимость и вес ограничителя, так как при его выполнении абсолютная температура резистора будет ниже длительно допустимых 100oС. В подобных ситуациях тепловой режим резистора ОПН позволяет без снижения надежности ориентироваться на отношение D2/D1, меньшее чем 2,2. Уменьшение отношения D2/D1 рационально осуществить за счет наружного диаметра покрышки D2, ибо уменьшение D2 одновременно увеличивает интенсивность теплоотдачи от резистора во внешнюю среду и заметно снижает вес и стоимость аппарата.

Технической задачей настоящего изобретения является создание ОПН, обеспечивающего повышение надежности работы, снижение веса и стоимости защитных аппаратов, предназначенных для эксплуатации в различных, в том числе как легких, так и экстремальных по температуре окружающей среды и степени загрязнения атмосферы, условиях путем оптимизации конструкции ограничителя и улучшения теплового режима его резистора.

Указанный технический результат достигается тем, что в термогрязестойком ограничителе перенапряжений электрических сетей и установок с эффективно заземленной нейтралью, содержащем включенный между фазой защищаемой сети и землей высоконелинейный, например, окисно-цинковый резистор, размещенный между электропроводящими фланцами внутри герметизированной изоляционной покрышки, геометрия наружной поверхности которой, определяющая эффективную длину пути утечки, коэффициент формы, число, форму и вылет ребер, обеспечивает электрическую прочность внешней изоляции при загрязнениях и увлажнениях, причем высоконелинейный резистор представляет собой один или несколько параллельно включенных столбов, скомплектованных из последовательно соединенных единичных высоконелинейных элементов, удельная поперечная емкость между столбом резистора и увлажненным слоем загрязнения Сп, эквивалентный коэффициент теплоотдачи, приведенный к поверхности столба резистора реального ограничителя э и эквивалентный коэффициент теплоотдачи, приведенный к поверхности одноколонкового осесимметричного аппарата с расчетной поверхностью теплоотдачи резистора реального аппарата эo выбраны из соотношения:



где m параметр, зависящий от заданного уровня надежности Р работы термогрязестойкого ограничителя и температуры окружающей среды toС. Численные значения параметра m представлены в табл.3.

Здесь

Сп, пФ/м удельная поперечная емкость между столбом резистора и увлажненным слоем загрязнения;

э, Вт/м2К эквивалентный (с учетом теплоотдачи излучением и конвективной теплоотдачи с поверхности покрышки) коэффициент теплоотдачи, приведенный к поверхности столба резистора реального ограничителя;

эo, Вт/м2к эквивалентный (с учетом теплоотдачи излучением и конвективной теплоотдачи с поверхности покрышки) коэффициент теплоотдачи, приведенный к поверхности одноколонкового осесимметричного аппарата с расчетной поверхностью, равной суммарной поверхности теплоотдачи резистора реального аппарата.

На фиг. 4 представлен термогрязестойкий ограничитель перенапряжений (ОПНТГ), содержащий включенный между фазой защищаемой сети 1 и землей 2 высоконелинейный резистор 3, заключенный в герметизированную изоляционную фарфоровую или полимерную покрышку 4 между верхним 5 и нижним 6 электропроводящими фланцами.

Параметр = Cпэo/э, учитывающий как нагрев столба резистора, так и его охлаждение за счет процессов теплоотдачи от столба резистора к окружающей среде, является критерием подобия, который сводит семейство зависимостей фиг.3 к показанной на фиг.5 единой обобщенной зависимости 

Алгоритм расчета указанных в табл.3 численных значений параметра m следующий:

в выражении для функции распределения вероятностей перегревов выполняется переход к обобщенному критерию b;

с учетом того, что длительно допустимый перегрев резистора T(70-t)C, математическое ожидание перегревов резистора равно



для заданной надежности P по обобщенной зависимости фиг.5 определяются, как показано на фиг. 5, пунктиром, представленные в табл.3 численные значения m.

Техническая задача настоящего изобретения будет решена, если конструкция и теплофизические характеристики материалов, из которых изготовлены элементы ОПНТГ, выбраны так, чтобы выполнялось условие



поскольку в этом случае будут оптимальным образом учтены реальные условия эксплуатации и абсолютная температура резистора не превышает длительно допустимые 100oС.

При этом внешняя геометрия покрышки (эффективная длина пути утечки, коэффициент формы, число и вылет ребер и др.) может выбираться независимо, исходя только из необходимости обеспечения электрической прочности внешней изоляции в условиях СЗА региона эксплуатации термогрязестойкого ограничителя. Это объясняется тем, что абсолютная температура резистора не может превзойти длительно допустимые 100oС.

Сущность предлагаемого изобретения заключается в повышении надежности, уменьшении стоимости и веса термогрязестойкого ограничителя перенапряжений за счет оптимизации конструкции ограничителя и улучшении теплового режима его резистора ОПНТГ при эксплуатации в различных условиях по температуре окружающей среды от t=(15 20)oС до t=(40 45)oС и степени загрязнения атмосферы от (I II) районов СЗА до (IV V) районов СЗА.

В случае применения прототипа (авт. св. N 1690492) при высоких температурах окружающей среды высокая надежность может быть обеспечена только за счет отказа от несоосных конструкций и использования технологически и экономически перспективных в несоосных конструкциях крупногабаритных резисторов, неизбежен переход к многоколонковым осесимметричным конструкциям с малогабаритными высоконелинейными элементами.

В случае использования прототипа по а. с. 1690492 в регионах с умеренной температурой окружающей среды высокая надежность может быть достигнута, однако ценой ухудшения весовых и стоимостных показателей.

Таким образом, заявленные отличительные признаки являются существенными для решения технической задачи предлагаемого изобретения. 


ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ



Термогрязестойкий ограничитель перенапряжений для защиты от перенапряжений электрических сетей и установок с эффективно заземленной нейтралью, содержащий включенный между фазой защищаемой сети и Землей высоконелинейный, например, окисно-цинковый резистор, размещенный между электропроводящими фланцами внутри герметизированной изоляционной покрышки, геометрия наружной поверхности которой, определяющая эффективную длину пути утечки, коэффициент формы, число, форму и вылет ребер, обеспечивает электрическую прочность внешней изоляции при загрязнениях и увлажнениях, причем высоконелинейный резистор представляет собой один или несколько параллельно включенных столбов, скомплектованных из последовательно соединенных единичных высоконелинейных элементов, отличающийся тем, что удельная поперечная емкость между столбом резистора и увлажненным слоем загрязнения Сп, эквивалентный коэффициент теплоотдачи, приведенный к поверхности столба резистора реального ограничителя э, и эквивалентный коэффициент теплоотдачи, приведенный к поверхности одноколонкового осесимметричного аппарата с расчетной поверхностью теплоотдачи резистора реального аппарата эо выбраны из соотношения



где m параметр, зависящий от заданного уровня надежности работы термогрязестойкого ограничителя Р и температуры окружающей среды toС, численные значения которого приведены в табл. 3 описания.




ПРОЧИТАТЬ НУЖНО ВСЕМ !
Судьба пионерских изобретений и научных разработок, которым нет и не будет аналогов на планете еще лет сорок, разве что у инопланетян



Независимый научно технический портал

Подборка патентов изобретений и технологий относящихся к ЭЛЕКТРОЭНЕРГЕТИКЕ:
Гелиоэнергетика - Солнечные электростанции, Солнечные батареи. Солнечные коллекторы;
Ветроэнергетика - Ветроэнергетические установки. Ветродвигатели;
Волновые электростанции. Гидроэлектростанции;
Термоэлектрические источники тока;
Химические источники тока;
Нетрадиционные устройства и способы получения, преобразования и передачи ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ;
Устройства и способы экономии и сохранения электроэнергии;
Генераторы постоянного электрического тока. Электрические машины.



Устройства и способы получения, преобразования, передачи, экономии и сохранения электрической энергии




СОВЕРШЕННО БЕСПЛАТНО!
Вам нужна ПОЛНАЯ ВЕРСИЯ данного патента? Сообщите об этом администрации портала. В сообщении обязательно укажите ссылку на данную страницу.


ПОИСК ИНФОРМАЦИИ В БАЗЕ ДАННЫХ


Режим поиска:"и" "или"

Инструкция. Ключевые слова в поле ввода разделяются пробелом или запятой. Регистр не имеет значения.

Режим поиска "И" означает, что будут найдены только те страници, где встречается каждое из ключевых слов. При использовании режима "или" результатом поиска будут все страници, где встречается хотя бы одно ключевое слово.

В любом режиме знак "+" перед ключевым словом означает, что данное ключевое слово должно присутствовать в найденных файлах. Если вы хотите исключить какое-либо слово из поиска, поставьте перед ним знак "-". Например: "+электрический -генератор".

Поиск выдает все данные, где встречается введенное Вами слово. Например, при запросе "генератор" будут найдены слова "генераторы", "ренераторов" и другие. Восклицательный знак после ключевого слова означает, что будут найдены только слова точно соответствующие запросу ("генератор!").


Солнечные электростанции. Гелиоэнергетика | Ветроэнергетические установки. Ветродвигатели. Ветрогенераторы | Волновые, геотермальные и гидроэлектростанции | Термоэлектрические источники тока | Химические источники тока. Накопители электроэнергии. Батареи и аккумуляторы | Нетрадиционные устройства и способы получения, преобразования и передачи электрической энергии | Устройства и способы экономии и сохранения электроэнергии | Генераторы постоянного и переменного электрического тока. Электрические машины


Рейтинг@Mail.ru