Результат интеллектуальной деятельности: РАЗРЯДНИК ДЛЯ ЗАЩИТЫ ОТ ПЕРЕНАПРЯЖЕНИЙ И ЭЛЕКТРИЧЕСКОЕ УСТРОЙСТВО С ГАЗОВОЙ ИЗОЛЯЦИЕЙ

Ссылка на родственную заявку

По заявке испрашивается приоритет родительской заявки на патент Японии JP 2011-136781, поданной 20 июня 2011, полное содержание которой включено путем ссылки.

Область техники

Настоящее изобретение относится к разряднику для защиты от перенапряжений и электрическому устройству с газовой изоляцией.

Предшествующий уровень техники

Обычно энергосистемы оснащаются электрическим оборудованием с газовой изоляцией, таким как распределительное устройство с газовой изоляцией (CIS), газоизолированная шина (GIB) и так далее, в которых герметично размещен изолирующий газ. В электрическом оборудовании с газовой изоляцией центральный проводник помещается в заземленный металлический резервуар, в котором герметично размещается изолирующий газ, и поддерживается изоляция между металлическим резервуаром и центральным проводником.

Однако в случае электрического оборудования с газовой изоляцией, использующего газ SF₆ в качестве изолирующего газа, при низких температурах окружающей среды, ниже -25°С, происходит сжижение газа SF₆ и снижение внутреннего давления и тем самым возникает проблема ухудшения характеристик изоляции. Соответственно, электрическое оборудование с газовой изоляцией размещают в помещении, где оно не подвергается воздействию низких температур, чтобы избежать сжижения газа SF₆, когда электрическое оборудование эксплуатируется в окружающей среде с низкими температурами.

Однако электрическое оборудование с газовой изоляцией необходимо соединять вне помещения, на открытом воздухе, для обеспечения изоляционного расстояния в атмосфере, когда электрическое оборудование с газовой изоляцией надо соединить в атмосфере с воздушной линией электропередачи и схемой трансформатора напряжения. В этом случае часть электрического оборудования с газовой изоляцией, ведущая к присоединяемой части на открытом воздухе, располагается в окружающей среде с низкими температурами.

Как правило, герметизированный изолирующий газ не сжижается, когда по проводящему элементу, находящемуся в металлическом резервуаре электрического оборудования с газовой изоляцией, течет электрический ток, так как он нагревается за счет образования тепла проводящим элементом. С другой стороны, давление газа в электрическом оборудовании с газовой изоляцией снижается до приблизительно атмосферного давления вследствие того, что, когда электрический ток отсутствует, газ SF₆, герметично размещенный под высоким давлением, превышающим атмосферное давление, сжижается при снижении окружающей температуры. Невозможно поддерживать изоляционную способность при высоком импульсном напряжении, таком как при ударе молнией, когда давление изолирующего газа снижается до приблизительно атмосферного давления.

Соответственно, чтобы предотвратить ухудшение характеристик изоляции, вызываемое сжижением изолирующего газа в условиях окружающей среды с низкими температурами, предлагается обеспечивать нагрев электрического оборудования с газовой изоляцией посредством внешнего электрического источника тепла и т.п.

Однако при этом необходимо обеспечить постоянное электрическое питание для нагрева, и происходят потери рабочей электрической мощности при обычном способе нагрева посредством внешнего электрического источника питания. Дополнительно, существует вероятность ухудшения надежности оборудования в целом, так как проблема, из-за которой происходит сжижение изолирующего газа, не может быть решена во время перебоев в работе внешнего электрического источника питания.

Краткое описание чертежей

Фиг. 1 изображает конструкцию электрического устройства с газовой изоляцией согласно первому варианту осуществления;

Фиг. 2 изображает конструкцию разрядника для защиты от перенапряжений согласно первому варианту осуществления;

Фиг. 3 изображает конструкцию электрического устройства с газовой изоляцией согласно второму варианту осуществления;

Фиг. 4 изображает конструкцию электрического устройства с газовой изоляцией согласно третьему варианту осуществления;

Фиг. 5 изображает конструкцию разрядника для защиты от перенапряжений согласно третьему варианту осуществления.

Подробное описание изобретения

Разрядник для защиты от перенапряжений согласно вариантам осуществления настоящего изобретения включает в себя блок переключения, соединенный с электрическим оборудованием с газовой изоляцией, в котором герметично размещен изолирующий газ, и переключающий напряжение срабатывания разрядника на значение, меньше критического напряжения для низких температур, указывающего выдерживаемое напряжение, вызывающее диэлектрический пробой, когда изолирующий газ сжижается.

Разрядник для защиты от перенапряжений и электрическое устройство с газовой изоляцией согласно вариантам осуществления настоящего изобретения описаны со ссылкой на прилагаемые чертежи.

Первый вариант осуществления

Конфигурация

Электрическое устройство с газовой изоляцией согласно первому варианту описано со ссылкой на фиг. 1. Электрическое устройство с газовой изоляцией включает в себя электрическое оборудование с газовой изоляцией и оксидно-цинковый разрядник для защиты от перенапряжений, и электрическое оборудование с газовой изоляцией представляет собой газоизолированную шину 1, в которой герметизирован SF₆.

Фиг. 1 изображает схему конфигурации газоизолированной шины 1, соединенной с воздушной линией 3 электропитания и разрядником 2 для защиты от перенапряжений. Газоизолированная шина 1 соединена с силовой линией 3 посредством соединительной линии 4. Оксидно-цинковый разрядник 2 для защиты от перенапряжений соединен с соединительной линией 4 посредством соединительной линии 5.

Далее, конфигурация оксидно-цинкового разрядника 2 для защиты от перенапряжений описана со ссылкой на фиг. 2. Оксидно-цинковый разрядник 2 для защиты от перенапряжений включает в себя первый оксидно-цинковый элемент (блок разрядника для защиты от перенапряжений для высоких температур) 201, второй оксидно-цинковый элемент (блок разрядника для защиты от перенапряжений для низких температур) 202, разъединитель 205 и блок 204 управления (блок переключения).

Первый и второй оксидно-цинковые элементы 201, 202 оба изготовлены из оксида цинка и имеют заданные максимальные рабочие напряжения. Первый и второй оксидно-цинковые элементы 201, 202 начинают разряжаться, когда импульсное напряжение выше максимального рабочего напряжения, например при ударе молнией. Соответственно, напряжение на уровне максимального рабочего напряжения больше не прикладывается к газоизолированной шине 1. Как показано на фиг. 2, первый и второй оксидно-цинковые элементы 201, 202 располагаются параллельно друг другу.

Первый оксидно-цинковый элемент 201 соединен с газоизолированной шиной 1 посредством множества соединительных линий 4, 5 (фиг. 1). Кроме того, второй оксидно-цинковый элемент 202, который располагается бок о бок с первым оксидно-цинковым элементом 201, соединен с газоизолированной шиной 1 посредством разъединителя 203 и множества соединительных линий 4, 5. Кроме того, предельное напряжение V1 первого оксидно-цинкового элемента 201 и предельное напряжение V2 второго оксидно-цинкового элемента 202 являются разными, и предельное напряжения V1, V2 срабатывания соответственно определяются выражениями (1), (2).

В выражениях (1), (2) символ Va обозначает значение напряжения системы промышленной частоты, подсоединенной к газоизолированной шине 1, воздушной линии 3 электропитания, соединительной линии 4 и т.д. Символ Vb обозначает критическое напряжение, при котором изоляция может поддерживаться в нормальных условиях, когда газ SF₆, заполняющий газоизолированную шину 1, не сжижается (далее Vb будем называть критическое напряжение для высоких температур). Символ Vc обозначает критическое напряжение, при котором изоляция может поддерживаться, когда газ SF₆, заполняющий газоизолированную шину 1, сжижается под воздействием окружающей среды с низкими температурами. Поэтому Vc нормально имеет значение меньше, чем Vb (далее Vc будем называть критическое напряжение для низких температур).

Например, когда значение напряжения Va системы промышленной частоты составляет 500 кВ, давление газа SF₆ сохраняется высоким, приблизительно 0,4 МПа, так как газ SF₆, герметично размещенный в газоизолированной шине 1, не сжижается, когда по центральному проводящему элементу, расположенному в газоизолированной шине 1, течет электрический ток. Соответственно, устанавливается, что критическим напряжением, способным поддерживать изоляцию в газоизолированной шине 1 при давлении газа 0,4 МПа, будет критическое напряжение Vb для высоких температур.

Кроме того, когда подача электричества к центральному проводнику прекращается и газ SF₆ сжижается под воздействием окружающей среды с температурой -50°С, давление газа снижается до низкого давления, приблизительно 0,1 МПа. Соответственно, устанавливается, что критическим напряжением, способным поддерживать изоляцию газоизолированной шины 1 при давлении газа 0,1 МПа, будет критическое напряжение Vc для низких температур:

Va<V1<Vb... (1)

Va<V2<Vc... (2)

Разъединяющий переключатель 203 соединен с соединительной линией 5. Он постоянно находится в открытом состоянии, но закрывается и переводится в закрытое состояние, когда от блока 204 управления поступает команда на закрытие.

Блок 204 управления выдает команду на закрытие на разъединяющий переключатель 203, когда он обнаруживает, что давление газа в газоизолированной шине 1 становится меньше, чем предварительно заданное пороговое значение.

Функционирование

Далее описывается функционирование при приложении к воздушной линии 3 электропитания высокого импульсного напряжения 1000 кВ, вызванного ударом молнии и т.п., причем предельное напряжение V1 первого оксидно-цинкового элемента 201 установлено 1400 кВ, и предельное напряжение V2 второго оксидно-цинкового элемента 202 установлено 600 кВ. Здесь описание разделено на случай, когда газ SF₆, герметично размещенный в газоизолированной шине 1, является сжиженным, и случай, когда газ SF₆ не является сжиженным.

Газ SF ₆ не является сжиженным

Когда газ SF₆ не является сжиженным, разъединяющий переключатель 203 находится в открытом состоянии, и поэтому первый оксидно-цинковый элемент 201 электрически соединен с газоизолированной шиной 1, и второй оксидно-цинковый элемент 202 не соединен электрически с газоизолированной шиной 1. Соответственно, когда молния ударяет в воздушную линию 3 электропитания и высокое импульсное напряжение 1000 кВ прилагается к газоизолированной шине 1 через соединительную линию 4, на первом оксидно-цинковом элементе 102 не происходит разряда, так как предельное напряжение V1 первого оксидно-цинкового элемента 201 составляет 1400 кВ. Соответственно, высокое импульсное напряжение 1000 кВ прилагается к газоизолированной шине 1, но значение критического напряжения Vb для высоких температур больше, чем значение 1400 кВ, являющимся предельным напряжением V1 первого оксидно-цинкового элемента 201, и поэтому в газоизолированной шине 1 не происходит диэлектрический пробой.

Газ SF ₆ является сжиженным

Когда газ SF₆ является сжиженным и давление газа в газоизолированной шине 1 становится меньше предварительно установленного порогового значения, устройство 204 управления выдает команду на закрытие на разъединяющий переключатель 203, чтобы перевести разъединяющий переключатель 203 в закрытое состояние. Второй оксидно-цинковый элемент 202 тем самым электрически соединяется с газоизолированной шиной 1. Поэтому, когда молния ударяет в воздушную линию 3 электропитания и высокое импульсное напряжение 1000 кВ прилагается к второму оксидно-цинковому элементу 202 через соединительную линию 4, происходит разрядка на втором оксидно-цинковом элементе 202, так как предельное напряжение V2 второго оксидно-цинкового элемента 202 составляет 600 кВ. Соответственно, в газоизолированной шине 1 не происходит диэлектрический пробой, так как высокое импульсное напряжение не прилагается к газоизолированной шине 1.

Эффект

Как было указано выше, согласно настоящему варианту осуществления предельное напряжение V2 второго оксидно-цинкового элемента 202 меньше, чем критическое напряжение Vc для низких температур, и второй оксидно-цинковый элемент 202 соединяется с газоизолированной шиной 1 посредством разъединяющего переключателя 203. Когда газ SF₆ сжижается под воздействием окружающей среды с низкими температурами, блок 204 управления переводит разъединяющий переключатель 203, электрически соединенный с газоизолированной шиной 1, из открытого состояния (состояние «выключено») в закрытое состояние (состояние «включено»), чтобы электрически соединить газоизолированную шину 1 и второй оксидно-цинковый элемент 2. Тем самым блок 204 управления переключает предельное напряжение оксидно-цинкового разрядника 2 для защиты от перенапряжений с предельного напряжения V1, которое выше, чем критическое напряжение Vc для низких температур, на предельное напряжение V2, которое меньше, чем критическое напряжение Vc для низких температур. Соответственно, в газоизолированной шине 1 диэлектрический пробой не происходит даже в том случае, когда газ SF₆ сжижается под воздействием окружающей среды с низкими температурами.

Кроме того, внешний источник электропитания не используется, и поэтому отсутствуют потери рабочей электрической мощности, и надежность газоизолированной шины 1 может быть улучшена.

Отметим, что в этом варианте осуществления блок 204 управления обнаруживает, что давление газа в газоизолированной шине 1 становится меньше, чем предварительно установленное пороговое значение, и выдает команду на закрытие на разъединяющий переключатель 203, но оно не ограничено только этим. Блок 204 управления может обнаруживать прекращение подачи электрического тока трансформатором тока и т.п., которым оборудована газоизолированная шина 1, и выдает команду на закрытие. То есть он может быть сконфигурирован таким образом, что описанная выше операция переключения осуществляется, когда значение протекающего электрического тока становится меньше, чем заданное пороговое значение, когда по проводящему элементу, размещенному в электрическом оборудовании с газовой изоляцией, течет электрический ток.

Кроме того, блок 204 управления может быть размещен на газоизолированной шине 1 или может быть заменен на централизованное устройство управления, устройство защиты и управления, компьютерное устройство и т.д., размещенные на расстоянии, и команда на закрытие с устройства 204 управления может подаваться пользователем. Кроме того, разъединяющий переключатель 203 и блок 204 управления могут быть соединены через сеть передачи данных, и возможно управление открытым и закрытым состояниями разъединяющего переключателя 203 из удаленного местоположения путем использования сети передачи данных.

Второй вариант осуществления

Электрическое оборудование с газовой изоляцией согласно второму варианту осуществления будет описано со ссылкой на фиг. 3. Здесь, электрическое оборудование с газовой изоляцией представляет собой газоизолированную шину, в которой герметично размещен газ SF₆, и фиг. 3 иллюстрирует схематично конфигурацию газоизолированной шины, соединенную с трансформатором с газовой изоляцией.

Этот вариант осуществления отличается от первого варианта осуществления тем, что воздушная линия 3 электропитания заменена трансформатором 6 с газовой изоляцией, и первый оксидно-цинковый элемент 201 размещен на трансформаторе 6 с газовой изоляцией, как показано на фиг. 3. Те же ссылочные позиции используются для обозначения тех же элементов, что и в первом варианте осуществления, и их описание не приводится.

Первый оксидно-цинковый элемент 201, размещенный на трансформаторе 6 с газовой изоляцией, электрически соединен с соединительной линией 4 посредством соединительной линии 7.

Функционирование в этом варианте осуществления подобно первому варианту осуществления, и поэтому его подробное описание не приводится. Согласно этому варианту осуществления, когда блок 204 управления обнаруживает, что давление газа SF₆, герметично размещенного в газоизолированной шине 1, становится меньше, чем предварительно установленное пороговое значение, блок 204 управления закрывает разъединяющий переключатель 203 и переводит его в закрытое состояние, и тем самым второй оксидно-цинковый элемент 202, предельное напряжение V2 которого является низким, электрически соединяется с трансформатором 6 с газовой изоляцией, подобно первому варианту осуществления. То есть оксидно-цинковый разрядник 2 для защиты от перенапряжений переключается с предельного напряжения V1 первого оксидно-цинкового элемента 201, которое выше критического напряжения Vc для низких температур, на предельное напряжение V2 второго оксидно-цинкового элемента 202, которое меньше критического напряжения Vc для низких температур. Соответственно, высокое импульсное напряжение не прилагается к газоизолированной шине 1 даже в условиях окружающей среды с низкими температурами, в которых газ SF₆ сжижается, и поэтому в газоизолированной шине 1 не происходит диэлектрический пробой.

Согласно этому варианту осуществления возможно получить аналогичный эффект, что и в первом варианте осуществления, также и для газоизолированной шины 1, соединенной с трансформатором 6 с газовой изоляцией.

Третий вариант осуществления

Электрическое оборудование с газовой изоляцией согласно третьему варианту осуществления будет описано со ссылкой на фиг. 4. Здесь электрическое оборудование с газовой изоляцией представляет собой газоизолированную шину, в которой герметично размещен газ SF₆, и фиг. 4 изображает схему конфигурации газоизолированной шины, соединенной с воздушной линией электропитания.

Как показано на фиг. 4, газоизолированная шина 1 электрически соединена с воздушной линией 3 электропитания посредством соединительной линии 4. Оксидно-цинковый разрядник 4 для защиты от перенапряжений электрически соединен с соединительной линией 4 посредством соединительной линии 5. Настоящий вариант осуществления и первый вариант осуществления различаются конструкцией оксидно-цинкового разрядника 2 для защиты от перенапряжений.

Конструкция оксидно-цинкового разрядника 2 для защиты от перенапряжений согласно третьему варианту осуществления будет описана со ссылкой на фиг. 5. Оксидно-цинковый разрядник 2 для защиты от перенапряжений включает в себя оксидно-цинковый элемент 201, блок 204 управления, проводящий вывод 205 и систему 206 заземления.

Оксидно-цинковый элемент 201 разделен на две секции, верхняя секция 2011 и нижняя секция 2012. Проводящий вывод 205 обеспечен между двумя секциями 2011, 2012.

Блок 204 управления электрически соединяет систему 206 заземления с проводящим выводом 205, когда оно обнаруживает, что давление газа в газоизолированной шине 1 становится меньше, чем предварительно установленное пороговое значение. Система 206 заземления и проводящий вывод 205 электрически соединены, и тем самым нижняя секция 2012 оксидно-цинкового элемента 201 практически исключается. Соответственно, предельное напряжение V2 в оксидно-цинковом элементе 201, когда система 206 заземления и проводящий вывод 205 электрически соединены, становится ниже, чем предельное напряжение V1, когда они не соединены электрически.

В оксидно-цинковом элементе 201 предельное напряжение V1 в состоянии, когда система 206 заземления не соединена с проводящим выводом 205, и предельное напряжение V2 в состоянии соединения, соответственно, настраиваются таким образом, чтобы находиться в пределах диапазонов, определяемых выражениями (1), (2) в первом варианте осуществления. Более конкретно, длины верхней секции 2011 и нижней секции 2012 устанавливаются таким образом, чтобы указанные напряжения в оксидно-цинковом элементе 201 находились в пределах упомянутых выше диапазонов.

Функционирование

Далее описывается функционирование при приложении к воздушной линии 3 электропитания высокого импульсного напряжения 1000 кВ, вызванного ударом молнии и т.п., причем предельное напряжение V1 оксидно-цинкового элемента 201 до соединения установлено 1400 кВ, и предельное напряжение V2 после соединения установлено 600 кВ. Здесь описание разделено на случай, когда газ SF₆, герметично размещенный в газоизолированной шине 1, является сжиженным, и случай, когда газ SF₆ не является сжиженным.

Газ SF ₆ не является сжиженным

Когда газ SF₆ не является сжиженным, проводящий вывод 205 и система 206 заземления не соединены электрически друг с другом, и поэтому предельное напряжение оксидно-цинкового элемента 201 составляет 1400 кВ (V1). Таким образом, в оксидно-цинковом элементе 201 не происходит разряда, даже если к воздушной линии 3 электропитания прилагается импульсное напряжение 1000 кВ. Соответственно, высокое импульсное напряжение 1000 кВ прилагается к газоизолированной шине 1 через соединительную линию 4, но в газоизолированной шине 1 не происходит диэлектрический пробой, так как критическое напряжение Vb для высоких температур больше 1400 кВ.

Газ SF ₆ является сжиженным

Когда газ SF₆ является сжиженным и блок 204 управления обнаруживает, что давление газа SF₆ в газоизолированной шине 1 становится меньше предварительно установленного порогового значения, блок 204 управления электрически соединяет проводящий вывод 205 и систему 206 заземления. Таким образом, предельное напряжение оксидно-цинкового элемента 201 уменьшается с 1400 кВ (V1) до 600 кВ (V2). Если к оксидно-цинковому элементу 201 через соединительную линию 4 прилагается высокое импульсное напряжение 1000 кВ, вызванное ударом молнии в воздушную линию 3 электропитания, на оксидно-цинковом элементе 201 происходит разряд. Соответственно, высокое импульсное напряжение не прилагается к газоизолированной шине 1, и поэтому в газоизолированной шине 1 не происходит диэлектрический пробой.

Эффект

Согласно этому варианту осуществления нет необходимости использовать два оксидно-цинковых элемента, и поэтому могут быть уменьшены затраты и использование материалов, дополнительно к эффекту первого варианта осуществления.

Отметим, что в приведенных выше с первого по третий вариантах осуществления в качестве разрядника для защиты от перенапряжений было рассмотрено применение оксидно-цинкового разрядника для защиты от перенапряжений, использующего оксидно-цинковый элемент, но аналогичный эффект может быть получен при использовании искрового разрядника от перенапряжений газового типа.

Согласно вариантам осуществления настоящего изобретения обеспечивается возможность получения разрядника для защиты от перенапряжений и электрического устройства с газовой изоляцией, предотвращающих возникновение диэлектрического пробоя без использования внешнего электрического источника тепла, даже при работе в окружающей среде с низкими температурами.

Хотя здесь были описаны конкретные варианты осуществления, они были представлены только в качестве примера, и не ограничивают объем изобретения. Более того, описанные здесь варианты осуществления изобретения могут быть реализованы во множестве других форм; кроме того, различные пропуски, замены и изменения в форме описанных здесь вариантов осуществления могут быть выполнены не выходя за пределы сущности изобретения. Прилагаемая формула изобретения и ее эквиваленты охватывают эти формы или модификации, которые находятся в пределах сущности и объема изобретения.