Устройство для защиты от перенапряжений

 

Изобретение относится к электротехнике, в частности к устройствам для защиты изоляции оборудования электрических сетей и станций, электронного оборудования промышленного и бытового назначения от атмосферных и кратковременных коммутационных перенапряжений. В устройстве для защиты от перенапряжений, состоящем из колонки высоконелинейных резисторов, размещенных в диэлектрическом ребристом корпусе с металлическими наконечниками на концах корпуса, электрически связанными с упомянутыми резисторами, причем зазор между колонкой резисторов и корпусом заполнен полимерной композицией с наполнителем, новым в котором является то, что колонка резисторов скреплена не менее чем двумя стержнями из диэлектрического материала, расположенными симметрично относительно оси колонки резисторов, торцы стержней закреплены в металлических наконечниках, вышеуказанный зазор имеет величину не менее 4 мм, а в качестве наполнителя использован эвкpиптитовый ситалл и порошок материала оксидноцинкового резистора в количестве 100-500 мас.ч. на 100 мас.ч. эластичной композиции. Указанная задача решается также при выполнении корпуса единым блоком из трекинго- и атмосферостойкого кремнийорганического каучука. Изобретение является созданием устройства, обладающего повышенной надежностью. 1 з.п. ф-лы, 1 ил.

Изобретение относится к электротехнике, в частности к устройствам для защиты изоляции оборудования электрических сетей и станций, электронного оборудования промышленного и бытового назначения от атмосферных и кратковременных коммутационных перенапряжений.

Известно устройство для защиты от перенапряжений, состоящее из колонки резисторов, покрытых изоляционной пленкой, помещенных в литьевый кожух, причем пространство между резисторами и корпусом заполнено полимерной композицией [1] Наличие изоляционной пленки между колонкой резисторов и полимерной композицией ухудшает процесс отвода тепла от резисторов, что приводит к выходу устройства из строя. Кроме того, устройство обладает низкой механической прочностью на растяжение, сжатие и изгиб, т.е. устройство недостаточно надежно работает.

Известно устpойство для защиты от перенапряжений, содержащее цилиндрический ребристый диэлектрический корпус с внешними торцевыми крышками и размещенную внутри него колонку высоконелинейных резисторов, электрически соединенных с упомянутыми крышками, пространство между колонкой резисторов и корпусом заполнено изолирующим теплопроводящим материалом [2] Устройство снабжено также набором диэлектрических кожухов, установленных на наружной опоре, аксиально смещенных и соосно охватывающих диэлектрический корпус. Опора может быть выполнена в виде диэлектрических стержней, скрепленных с внешними торцевыми крышками. Корпус выполнен из фарфора, наполнитель песок. Применение диэлектрических стержней для крепления наружных кожухов усложняет конструкцию устройства, увеличивает загрязнение поверхности корпуса и ухудшает разрядные характеристики, т. е. приводит к снижению надежности устройства в целом.

Известно также устройство для защиты от перенапряжений, взятое в качестве прототипа [3] состоящее из колонки высоконелинейных резисторов, размещенных в диэлектрическом корпусе с металлическими наконечниками на концах корпуса, электрически связанными с колонкой резисторов, причем зазор между колонкой резисторов и кожухом заполнено полимерной композицией с наполнителем. В известном устройстве корпус выполнен из стеклопластиковой трубы с одиночными ребрами из кремнийорганического каучука, которые прикрепляют к корпусу с помощью герметика на основе низкомолекулярного каучука. При наполнении полимерной композиции порошками-наполнителями резко увеличивается вязкость, поэтому заполнить тонкую щель (приблизительно 1 мм) вязкой композицией очень трудно, практически невозможно. Поэтому используют слабонаполненные композиции, которые имеют минимальную теплопроводность. А это приводит к ухудшению отвода тепла от резисторов, уменьшению величины допустимого тока при срабатывании устройства. Некачественное заполнение приводит к образованию пустот и также к ухудшению охлаждения резисторов. Свободное расположение резисторов в корпусе приводит к их смещению относительно оси устройства, а также осложняет заполнение полимерной композицией, т.е. также является одной из причин плохого охлаждения резисторов. Кроме того, при возможном взрыве устройства из-за большой механической прочности корпуса из стеклопластика обычно срываются металлические наконечники, что очень опасно для обслуживающего персонала и оборудования. Такое устройство также обладает меньшей ненадежностью.

Задачей настоящего изобретения является создание устройства для защиты от перенапряжений, обладающего повышенной надежностью.

Указанная задача решается в устройстве для защиты от перенапряжений,состоящем из колонки высоконелинейных резисторов, размещенных в диэлектрическом ребристом корпусе с металлическими наконечниками на концах корпуса, электрически связанными с упомянутыми резисторами, причем зазор между колонкой резисторов и корпусом заполнен полимерной композицией с наполнителем, в котором новым является то, что колонка резисторов скреплена не менее, чем двумя стержнями из диэлектрического материала, расположенными симметрично относительно оси колонки резисторов, торцы стержней закреплены в металлических наконечниках, вышеуказанный зазор имеет величину не менее 4 мм, а в качестве наполнителя использован эвкриптитовый ситалл и порошок материала оксидноцинкового резистора в количестве 100 500 мас.ч. на 100 мас.ч. композиции. Оптимальное соотношение порошков в составе композиции 1,0 -99,0.

Суть предлагаемого устройства заключается в следующем.

Скрепление колонки резисторов диэлектрическими стержнями, закрепленными в металлических наконечниках, исключает смещение резисторов относительно друг друга, т.е. обеспечивает механическую прочность колонки, позволяет хорошо заполнить зазор между корпусом и колонкой полимерной композицией, что также приводит к улучшению теплоотвода. Обычно используют 2-4 стержня, диаметром не менее 3 мм, выполненных из стеклопластика. Стержни легко закрепляются в металлических наконечниках с помощью эпоксидной смолы с отвердителем, не усложняя конструкцию устройства. Зазор выполняют величиной не менее 4 мм. Такой зазор позволяет заполнить его высоконаполненной полимерной композицией без пустот, не используя дорогостоящего оборудования. Выполнение зазора величиной менее 4 мм приводит к образованию пустот при заполнении вязкой композицией, т.е. к неэффективному отводу тепла. Максимальная величина зазора зависит от величины перенапряжения, на которое рассчитано устройство, т.е. от количества тепла, которое необходимо отвести от резисторов для эффективного их охлаждения и легко рассчитывается из известных закономерностей (количества тепла, выделяемого резисторами, теплопроводностью полимерной композиции и т.д.).

Использование в качестве наполнителя эвкриптитового ситалла и порошка оксидноцинкового резистора в количестве до 500 мас.ч. на 100 мас.ч. полимерной композиции улучшает условия отвода тепла от колонки резисторов в 6-8 раз.

Эвкриптитовый ситалл обладает резко отрицательным коэффициентом температурного расширения (α = -12·10^-6·град^-1), т.е. при нагревании сжимается, а не расширяется, как это происходит в других наполнителях. Применение эвкриптитового ситалла в полимерной композиции позволяет уменьшить коэффициент линейного расширения и увеличить ее теплопроводность в широком диапазоне рабочих температур.

Порошок оксидноцинкового резистора также обладает минимальным коэффициентом температурного расширения (α = 3,4·10^-6·град^-1). Применение порошка оксидноцинкового резистора в составе полимерной композиции приводит к увеличению теплопроводности, сближению термоупругих свойств отдельных элементов устройств, уменьшается внутренние механические напряжения.

Ведение в полимерную композицию наполнителей в количестве менее 100 мас. ч. на 100 мас. ч. композиции приводит к незначительному увеличению теплопроводности композиции, не обеспечивает эффективное охлаждение колонки резисторов. Введение же в полимерную композицию наполнителей в количестве более 500 мас. ч. на 100 мас.ч. композиции ухудшает ее технологические свойства, превращая ее в пасту.

Выполнение корпуса целиком из кремнийорганического каучука позволяет изготовить в одном цикле как саму трубу корпуса, так и его ребра.

Таким образом, указанная выше совокупность признаков позволяет увеличить надежность устройства за счет повышения ее безопасности (т.к. при возможном взрыве происходит разрыв конструкции между стержнями), увеличения механической прочности и улучшения процесса отвода тепла от колонки резисторов.

Кроме того, предлагаемое устройство легко изготавливается, не требует сложного оборудования для заполнения его полимерной композицией.

Суть изобретения поясняется чертежом, на которой представлена предлагаемая конструкция устройства для защиты от перенапряжений, где: 1 - нижний металлический наконечник; 2 диэлектрические стержни; 3 - металлическая шайба; 4 колонка резисторов; 5 пружина; 6 верхний металлический наконечник; 7 ребристый корпус; 8 крепежные винты; 9 - металлические чашки.

В отверстия нижнего наконечника 1 вставляются диэлектрические стержни 2 в присутствии эпоксидного клея.

Далее на наконечник 1 поочередно устанавливаются металлическая шайба 3, резисторы 4, верхняя шайба 3, пружина 5 и верхний наконечник 6. Собранная таким образом колонка резисторов устанавливается в корпусе 7. Через специальные отверстия (на чертеже не показаны) в верхнем наконечнике 6 производят заполнение зазора между колонкой резисторов 4 и корпусом 7 жидкой теплопроводящей полимерной композицией с наполнителем.

Для улучшения адгезии колонки резисторов с полимерной композицией перед установкой колонки в корпус ее покрывают тонким слоем (несколько мкн) адгезина. При необходимости, для увеличения механической прочности конструкции колонку устанавливают в высокопрочную оплетку.

В предлагаемом устройстве корпус устройства отливают из трекинго- и атмосферостойкого кремнийорганического каучука отдельно в пресс-форме, что позволяет изготовить его сразу в виде трубы с оребрением.

Устройство работает следующим образом.

При воздействии импульсами перенапряжений на устройство, подключенное к электрической сети, резисторы переходят в высокопроводящее состояние, пропуская через себя импульсы тока. Энергия, поглощаемая резисторами, отбирается от сети, что позволяет снизить перенапряжения в сети до безопасного для электрооборудования уровня. После снижения уровня напряжения резисторы возвращаются в высокоомное состояние.

Пример конкретного выполнения.

В соответствии с предлагаемой конструкцией было изготовлено устройство для защиты от перенапряжений на 35 кВ. Сначала в пресс-форме отливают защитный диэлектрический ребристый корпус (диаметр 57 мм, высота 500 мм, количество ребер 11) из кремнийорганического каучука марки К-69 или "СИЛАТЕКС". Пресс-форму предварительно нагревают до 120^oC, затем заполняют под давлением каучуком и проводят предварительную вулканизацию в течение 3-5 мин. Окончательную вулканизацию корпуса проводят в термостате при 180-220^oC в течение 5 8 ч вне формы. Металлические наконечники выполнены из дюраля высотой 25 мм.

Стеклопластиковые стержни диаметром 6 мм в количестве трех штук закрепляют в нижнем наконечнике с помощью эпоксидной смолы. Затем между стержнями помещают оксидноцинковые резисторы диаметром 45 мм в количестве n 42 шт, поджимают их с помощью пружины, установленной в верхнем металлическом наконечнике с усилием Р ≈ 20 кг. Затем колонку резисторов по лакокрасочной технологии покрывают адгезирующим составом на основе кремнийорганического каучука СКТН-А толщиной 15 мкм. Стеклопластиковые стержни также закрепляют в отверстиях верхнего металлического наконечника с помощью эпоксидной смолы. Вставляют скрепленные таким образом резисторы в корпус из трекинго- и атмосферостойкого кремнийорганического каучука. В зазор вводят эластичную полимерную теплопроводящую композицию, содержащую 150 мас.ч. эвкриптитового ситалла и 150 мас.ч. порошка оксидноцинкового резистора на 100 мас.ч. жидкости.

Затем надевают на концы корпуса защитные тонкостенные металлические наконечники и поджимают в присутствии герметизирующего состава марки КЛТ-3ОМ с помощью крепежных винтов.

Испытания устройства показали, что эффективность отвода тепла в предлагаемом устройстве увеличивается в 5-6 раз. Увеличивается механическая прочность при введении в полимерную композицию 300 мас.ч. эвкриптитового ситалла и порошка оксидноцинкового резистора в 2-3 раза. Увеличивается электрическая прочность полимерной композиции до 23 кВ/мм. Существенно сближаются термоупругие свойства оксидноцинковых резисторов, изоляционных и металлических деталей устройства. Устройство абсолютно взрывобезопасно.

Таким образом предлагаемое устройство обладает повышенной пропускной способностью по току при перенапряжениях. Это приводит к более глубокому ограничению грозовых и коммутационных перенапряжений, увеличивается срок службы защитного аппарата.

Формула изобретения

1. Устройство для защиты от перенапряжений, состоящее из колонки высоконелинейных резисторов, размещенных в диэлектрическом ребристом корпусе с металлическими наконечниками на концах корпуса, электрически связанными с упомянутыми резисторами, причем зазор между колонкой резисторов и корпусом заполнен полимерной композицией с наполнителем, отличающееся тем, что колонка резисторов скреплена не менее чем двумя стержнями из диэлектрического материала, расположенными симметрично относительно оси колонки резисторов, торцы стержней закреплены в металлических наконечниках, указанный зазор имеет величину не менее 4 мм, а в качестве наполнителя использован эвкриптитовый ситалл и порошок материала оксидно-цинкового резистора в количестве 100 500 мас.ч. на 100 мас.ч. эластичной полимерной композиции.

2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что корпус выполнен единым блоком из трекинго- и атмосферостойкого кремнийорганического каучука.

РИСУНКИ

Рисунок 1