Устройство для защиты от перенапряжений

Устройство относится к электротехнике и может быть использовано при изготовлении высоковольтных аппаратов наружной установки, например, в устройствах для защиты от перенапряжений. Устройство для защиты от перенапряжений содержит варисторы, размещенные внутри корпуса с фланцами и ребрами с разными вылетами, расположенными в порядке уменьшения вылетов 4 повторяющимися вдоль корпуса через n ребер. Больший вылет ребра, вылет каждого последующего из n ребер и расстояния между ребрами определяются математическими выражениями. Техническим результатом является уменьшение массы устройства путем оптимизации конструкции ребер. 2 ил., 1 табл.

 

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано при изготовлении высоковольтных аппаратов наружной установки, например, в устройствах для защиты от перенапряжений.

Известно устройство, содержащее корпус с ребрами, имеющими разные вылеты [1]. В устройстве отсутствуют конкретные аналитические выражения для выбора оптимальных профилей ребер и, как следствие, не является минимальной масса ребер и соответственно всего устройства.

Известно устройство, содержащее корпус с ребрами, имеющими разные вылеты, расположенными в порядке уменьшения вылетов и повторяющимися вдоль корпуса через n ребер [2], принятое за прототип. Конструктивными параметрами корпуса являются вылеты ребер, радиусы сопряжения корпуса с ребрами, углы наклона верхней и нижней граней ребра, радиусы кромки ребер.

Недостатком конструкции является отсутствие конкретных аналитических выражений для выбора оптимальных профилей ребер корпуса, гарантирующих заданную длину пути утечки (ДПУ), что приводит к неоправданно большой его массе, а следовательно, всего устройства.

Целью изобретения является уменьшение массы устройства за счет оптимизации конструкции ребер.

Поставленная цель достигается за счет того, что в устройстве для защиты от перенапряжений, содержащем варисторы, размещенные внутри корпуса с фланцами и ребрами с разными вылетами, расположенными в порядке уменьшения вылетов и повторяющимися вдоль корпуса через n ребер, в соответствии с изобретением, больший вылет ребра определяется выражением:

вылет каждого последующего из n ребер определяется выражением:

А_i=А_i-1-С (i=2,3,…,n),

а расстояние между ребрами с вылетом А₁ равно величине:

где n - число ребер с вылетами А₁,А₂,...,А_n,

К₃=tgβ-tgα;

L - длина пути утечки;

α, β - углы наклона нижней и верхней граней ребер соответственно в радианах,

Н - высота изоляционной части устройства,

R_i - радиусы кромки ребер с вылетами A_i(i=1,2,…,n),

R_C1, R_C2 - радиусы сопряжения корпуса с верхней и нижней гранями ребер соответственно,

С - разница между вылетами ребер,

π=3,14.

Длина пути утечки единичного большого ребра состоит из следующих участков.

1. Дуга окружности сопряжения корпуса с верхней гранью ребра:

2. Отрезок прямой вдоль верхней грани ребра:

3. Дуга окружности вдоль кромки ребра:

R₁(π+α-β).

4. Отрезок прямой вдоль нижней грани:

5. Дуга окружности сопряжения нижней грани ребра с корпусом:

тогда ДПУ(L₁) комплекта n ребер равна сумме ДПУ каждого из ребер, которая записывается в математической форме следующим образом:

где

В то же время ДПУ комплекта n ребер связаны с исходной заданной величиной ДПУ устройства по формуле:

где N - число ребер с вылетом А₁, определяемое как целая часть отношения ;

В - расстояние между ребрами с вылетом A₁, вычисленное по формуле:

где

K₃=tgβ-tgα

Подставляя (3) и (4) в выражение (2) и произведя некоторые преобразования, получаем формулу для суммы вылетов большого и малых ребер в следующем виде:

Одновременно с этим разница между вылетами ребер, входящими в комплект, является величиной С, определяемой из требований электрической прочности и принятой постоянной.

Тогда А_i=А_i-1-С(i=2,3,...,n) (6)

Совместное решение уравнений (5) и (6) позволяет получить окончательные выражения для искомых вылетов ребер:

A_i=A_i-1-C i=(2,3,...,n)

Выбор вылетов ребер и межреберного расстояния по указанным выражениям обеспечивает оптимальную конструкцию устройства по материалоемкости, позволяет уменьшить вес устройства.

На фиг.1 изображен общий вид устройства.

На фиг.2 изображен профиль ребер устройства.

Устройство для защиты от перенапряжений содержит корпус 1, ребра с большим вылетом 2, малые ребра с меньшим вылетом 3, верхний и нижний фланцы 4, варисторы 5. Ребро 2 имеет вылет A₁, ребра 3 - вылет А₂,...,А_n. Расстояние между большими ребрами равно В. Углы наклона верхней и нижней граней обоих ребер составляют соответственно β и α. Радиус сопряжения корпуса с верхней гранью ребра равен R_C1, а радиус сопряжения с нижней гранью ребра - R_С2. Радиусы кромок большого и малых ребер равны соответственно R₁,..., R_n. Высота устройства между фланцами (высота изоляционной части) составляет Н.

Ребра с разными вылетами составляют комплект ребер, при этом в каждом комплекте содержится n ребер, а количество комплектов определяется высотой устройства.

Больший вылет ребра определяется выражением:

а вылет каждого последующего из n ребер определяется выражением:

А_i=А_i-1-С (i=2,3…,n),

при этом расстояние между ребрами с вылетом А₁ равно:

где n - число ребер с вылетами А₁, А₂,..., A_n;

К₃=tgβ-tgα;

L - длина пути утечки;

α, β - углы наклона нижней и верхней граней ребер соответственно в радианах,

Н - высота изоляционной части устройства,

R_i - радиусы кромки ребер с вылетами A_i(i=1,2,...,n),

R_C1, R_C2 - радиусы сопряжения корпуса с верхней и нижней гранями ребер соответственно,

С - разница между вылетами ребер,

π=3,14.

Устройство работает следующим образом. В нормальном эксплуатационном режиме на устройство воздействует рабочее напряжение сети. При возникновении перенапряжений в сети устройство их ограничивает до заданной величины в соответствии с вольтамперной характеристикой варисторов 5 устройства.

В качестве примера для подтверждения того, что минимальная масса ребер достигается при ребрах, вылет которых вычисляется по формуле (1), произведен расчет массы ребер для одного варианта известной конструкции устройства для защиты от перенапряжений, состоящей из N комплектов с двойными ребрами (n=2), и для двух вариантов оптимальной конструкции с двойными ребрами с вылетами, вычисляемыми по предлагаемой формуле.

Результаты расчета сведены в таблицу.

В таблице приведены конструктивные размеры ребер, высота оребренной части Н', число комплектов, расчетные значения ДПУ и массы ребер при наружном диаметре корпуса 16,2 см.

Для всех вариантов, рассматриваемых в примере, требуемая ДПУ оребренной части составляет ДПУ=583 см, что соответствует ГОСТу при учете длины прифланцевых частей и технологического запаса.

Таблица
№ вар.	А1, см	А2, см	RC1, см	RC2, см	R1, см	R2, см	Н’, см	N, шт	Масса ребер, кг
1	6,0	4,0	0,9	0,9	0,5	0,5	185	27	69,17
2	5,45	3,45	0,97	0,97	0,5	0,5	188	27	58,6
3	5,3	3,3	0,9	0,9	0,5	0,5	186,2	28	57,92

Из рассмотрения результатов расчета, приведенных в таблице, можно сделать следующий вывод: при ДПУ = 583 см предлагаемые ребра (вар. 2, 3) обеспечивают уменьшение массы ребер соответственно при числе комплектов N=27 на 10,57кг и при N=28 - на 11,25 кг по сравнению с вариантом известной конструкции устройства для защиты от перенапряжений (ОПН - 220 II УХЛ1).

Таким образом, использование изобретения позволяет уменьшить вес оребрения устройства на 15-16% по сравнению с вариантом известной конструкции.

Литература.

1. Патент GB №1263465, Н0 1 В 17/42, 1972 г.

2. Патент DE № 2347920, Н 01 В 17/14, 1976 г. - “прототип”.

Устройство для защиты от перенапряжений, содержащее варисторы, размещенные внутри корпуса с фланцами и ребрами с разными вылетами, расположенными в порядке уменьшения вылетов и повторяющимися вдоль корпуса через n ребер, отличающееся тем, что больший вылет ребра определяется выражением

вылет каждого последующего из n ребер определяется выражением

А_i=A_i-1-C (i=2,3,...., n),

а расстояние между ребрами с вылетом А₁ равно:

где n - число ребер с вылетами А₁, А₂,..., А_n;

К₃=tgβ-tgα;

L - длина пути утечки;

α, β - углы наклона нижней и верхней граней ребер соответственно в радианах,

Н - высота изоляционной части устройства,

R_i - радиусы кромки ребер с вылетами А_i (i=1, 2,..., n),

R_C1, R_C2 - радиусы сопряжения корпуса с верхней и нижней гранями ребер соответственно,

С - разница между вылетами ребер,

π=3,14.