Искровой разрядник
Изобретение относится к высоковольтной технике и может быть использовано для защиты высоковольтных аппаратов и линий электропередач от перенапряжений, преимущественно в защитных устройствах, в которых искровой промежуток применяется совместно с ограничителем перенапряжений нелинейным (ОПН), выполненным на основе варисторов из окиси цинка. Технический результат - обеспечение возможности протекания разрядного тока в зависимости от температурных условий работы разрядника. Это достигается тем, что в искровом разряднике, содержащем два незамкнутых кольцевых электрода, установленных один внутри другого в одной плоскости с эксцентриситетом так, что ширина межэлектродного промежутка между наружным и внутренним электродами увеличивается по их длине от места соединения одного из электродов с подводящей электрической линией к его свободному концу, имеется держатель, изготовленный из диэлектрического материала, обладающего свойством термического расширения, взаимодействующий с одним из электродов таким образом, что при термическом расширении держателя указанный электрод перемещается относительно другого электрода в направлении, нормальном к плоскости расположения электродов. 2 з.п. ф-лы, 2 ил.
Изобретение относится к высоковольтной технике, а именно к искровым разрядникам, и может быть использовано для защиты высоковольтных аппаратов и линий электропередач от перенапряжений, преимущественно в защитных устройствах, в которых искровой промежуток применяется совместно с ограничителем перенапряжений нелинейным (ОПН), выполненным на основе варисторов из окиси цинка.
Известны конструкции искровых разрядников, в которых дуговой разряд перемещается в межэлектродном промежутке под действием магнитного поля, благодаря чему не происходит оплавления электродов в месте возникновения первоначального пробоя, геометрические и электрические параметры искрового разрядника в указанной зоне остаются неизменными, тем самым обеспечивается стабильность рабочих характеристик искрового разрядника при эксплуатации.
Так, например, известен искровой разрядник [DE 19543022], содержащий разделенные изолирующим слоем два дискообразных электрода, а также подводящую и отводящую электрические линии, которые проходят в виде дуг параллельно дискообразным электродам. При протекании тока через подводящую и отводящую линии образуется магнитное поле, под воздействием которого обусловленный перенапряжением дуговой разряд смещается из зоны первоначального пробоя, что способствует сохранению стабильности рабочих характеристик искрового разрядника во время эксплуатации.
В качестве ближайшего аналога заявляемого изобретения авторами выбран искровой разрядник [SU 1815713], содержащий два установленных один над другим с образованием межэлектродного промежутка кольцевых электрода, соединенных соответственно с подводящей и с отводящей электрическими линиями. В межэлектродном промежутке установлена выступающая за его пределы диэлектрическая пластина, выполненная с одним или несколькими сквозными отверстиями в области межэлектродного промежутка. Один из электродов снабжен катушкой электромагнита, питаемой от источника постоянного тока.
При возникновении перенапряжения разрядник пробивается и в межэлектродном промежутке возникает дуга. Ток, протекающий через разрядник, вызывает срабатывание электромагнитной катушки, под воздействием магнитного поля которой дуга начинает перемещаться по поверхности электродов. При этом за счет того, что разрядный ток протекает сквозь отверстие в диэлектрической пластине, дуга вытягивается все больше и больше и, если перенапряжение устранено, обрывается при первом же переходе сопровождающего тока через ноль.
Данная конструкция обеспечивает стабильность рабочих характеристик искрового разрядника, а также высокую скорость гашения дуги.
Однако в рассматриваемых конструкциях устройств, в том числе и в устройстве, выбранном в качестве ближайшего аналога, в случае возникновения перенапряжений пробой искрового разрядника происходит вне зависимости от температурных условий его работы. Между тем в ряде случаев требуется обеспечить отсутствие (или прекращение) пробоя искрового разрядника при его нагреве выше заданной температуры. В частности, такое свойство искрового разрядника является полезным в случаях, когда в схемах защиты электрооборудования он применяется совместно с ОПН, поскольку исключение возможности пробоя искрового разрядника при нарушении температурных условий его работы обеспечивает защиту ОПН от перегрева, обусловленного воздействием длительных, в частности, квазистационарных перенапряжений, а следовательно, защиту ОПН от теплового разрушения.
Задачей заявляемого изобретения является создание искрового разрядника, возможность пробоя в котором зависит от температурных условий его работы.
Сущность заявляемого изобретения заключается в том, что в искровом разряднике, содержащем два установленных с образованием межэлектродного промежутка кольцевых электрода, соединенных соответственно с подводящей и с отводящей электрическими линиями, согласно изобретению электроды выполнены незамкнутыми, у каждого из электродов один конец является свободным, а другой соединен соответственно с подводящей и отводящей электрическими линиями, электроды расположены в одной плоскости один внутри другого с эксцентриситетом таким образом, что ширина межэлектродного промежутка между наружным и внутренним электродами увеличивается по их длине от места соединения одного из электродов с подводящей электрической линией к его свободному концу, при этом искровой разрядник дополнительно содержит держатель, изготовленный из диэлектрического материала, обладающего свойством термического расширения, взаимодействующий с одним из электродов таким образом, что при термическом расширении держателя указанный электрод перемещается относительно другого электрода в направлении, нормальном к плоскости расположения электродов.
В частном случае выполнения искрового разрядника держатель выполнен в виде расположенного дном кверху стакана, открытый конец которого снабжен фланцем, при этом электроды и держатель помещены внутри корпуса, выполненного в виде верхнего и нижнего стаканов, расположенных соосно с держателем и установленных открытыми концами навстречу друг другу с зазором, в котором размещен наружный электрод, в дне нижнего стакана имеется центральное сквозное отверстие, фланец держателя опирается на дно нижнего стакана, а дно держателя соприкасается с дном верхнего стакана, внутренний электрод свободно охватывает наружную боковую поверхность держателя, при этом положение указанного электрода жестко зафиксировано на уровне, соответствующем уровню расположения наружного электрода, причем последний соединен с подводящей электрической линией, выполненной в виде металлической контактной площадки, закрепленной на наружной поверхности верхнего стакана и соединенной с металлическим проводником, обеспечивающим электрическую связь указанной контактной площадки с наружным электродом, внутренний электрод соединен с отводящей электрической линией, выполненной в виде металлической контактной площадки, помещенной внутри отверстия, имеющегося в дне нижнего стакана, и металлического проводника, обеспечивающего электрическую связь указанной контактной площадки с внутренним электродом.
При этом целесообразно, чтобы боковая поверхность держателя была выполнена гофрированной.
Выбранная форма электродов и их взаимное расположение обеспечивают увеличение ширины межэлектродного промежутка в плоскости расположения электродов по их длине, а также обуславливают образование при протекании разрядного тока по электродам и межэлектродному промежутку магнитных полей, направленных таким образом, что под их воздействием дуговой разряд смещается по длине электродов из зоны его возникновения в направлении увеличения межэлектродного промежутка. Таким образом, в заявляемом искровом разряднике в зоне первоначального пробоя не происходит оплавления электродов в процессе протекания разрядного тока, и, соответственно, сохраняются неизменными геометрические и электрические параметры искрового разрядника в указанной зоне, что способствует стабильности его рабочих характеристик.
Принципиально важным в заявляемой конструкции является наличие держателя, изготовленного из диэлектрического материала, обладающего свойством термического расширения, который конструктивно взаимодействует с одним из электродов таким образом, что при термическом расширении держателя указанный электрод перемещается относительно другого электрода в направлении, нормальном к плоскости расположения электродов. Благодаря указанным конструктивным особенностям протекание разрядного тока в заявляемом искровом разряднике осуществляется в зависимости от температурных условий его работы. При перегреве искрового разрядника происходит тепловое расширение держателя, приводящее к изменению относительного положения электродов, в результате чего увеличивается межэлектродное расстояние до достижения величины, при котором прекращается пробой искрового промежутка. При прекращении нагрева искрового разрядника размеры держателя уменьшаются, связанный с ним электрод возвращается в исходное положение, при этом в условиях действия перенапряжений происходит пробой искрового разрядника и в нем вновь протекает разрядный ток.
С целью адаптации конструкции заявляемого искрового разрядника к конструкции ОПН, который в общем случае представляет собой колонку цилиндрических варисторов, имеющих форму таблеток, разделенных дискообразными электродами, в частном варианте исполнения искровой разрядник имеет цилиндрический корпус, внутри которого размещены держатель и электроды, образованный двумя частями, выполненными в виде соосно расположенных верхнего и нижнего стаканов, обращенных открытыми концами навстречу друг другу, а подводящая и отводящая электрические линии содержат металлические контактные площадки, помещенные соответственно на дне верхнего и нижнего стаканов. При этом для обеспечения компактности и простоты конструкции, а также удобства монтажа искрового разрядника держатель выполнен в виде расположенного дном кверху стакана, открытый конец которого снабжен фланцем, в зазоре между верхним и нижним стаканами размещен наружный электрод, в дне нижнего стакана имеется центральное сквозное отверстие, фланец держателя опирается на дно нижнего стакана, а дно держателя соприкасается с дном верхнего стакана, внутренний электрод свободно охватывает наружную боковую поверхность держателя, при этом положение указанного электрода жестко зафиксировано на уровне, соответствующем уровню расположения наружного электрода, причем последний соединен с подводящей электрической линией, выполненной в виде металлической контактной площадки, закрепленной на наружной поверхности верхнего стакана и соединенной с металлическим проводником, обеспечивающим электрическую связь указанной контактной площадки с наружным электродом, внутренний электрод соединен с отводящей электрической линией, выполненной в виде металлической контактной площадки, помещенной внутри отверстия, имеющегося в дне нижнего стакана, и металлического проводника, обеспечивающего электрическую связь указанной контактной площадки с внутренним электродом.
Описанная конструкция искрового разрядника хорошо согласуется с конструкцией ОПН и обеспечивает их простую и надежную стыковку в случае их совместной работы в схемах защиты электрооборудования от перенапряжений путем соединения металлической контактной площадки, помещенной внутри отверстия в нижней части корпуса искрового разрядника, с дискообразным электродом ОПН. При стыковке ОПН и искрового разрядника в случае их последовательного соединения температурные условия работы ОПН в значительной степени определяют температурные условия работы искрового разрядника за счет контактирования верхнего основания ОПН с донной частью корпуса искрового разрядника. В таком случае искровой разрядник защищает ОПН от перегрева, обусловленного действием квазистационарного перенапряжения, поскольку при нагреве ОПН и, соответственно, искрового разрядника выше допустимой температуры, в последнем прекращается протекание разрядного тока, а следовательно, прекращается протекание тока через ОПН, и он не разрушается.
В случае выполнения держателя в виде стакана целесообразно, чтобы его боковая поверхность была гофрирована, поскольку термическое расширение держателя преимущественно происходит в направлении его продольной оси, совпадающем с направлением перемещения связанного с держателем электрода.
На фиг.1 представлен чертеж общего вида искрового промежутка; на фиг.2 представлен разрез по А-А на фиг.1.
Искровой разрядник содержит расположенные в одной и той же плоскости и помещенные один внутри другого наружный и внутренний кольцевые незамкнутые электроды 1 и 2, соединенные соответственно с подводящей и отводящей электрическими линиями. При этом электроды 1 и 2 размещены в плоскости их расположения с эксцентриситетом так, что ширина межэлектродного промежутка в указанной плоскости между наружным и внутренним электродами 1 и 2 увеличивается по их длине от места соединения электрода 1 с подводящей электрической линией к его свободному концу. Искровой промежуток также содержит держатель 3, изготовленный из диэлектрического материала, обладающего свойством термического расширения, в частности из кремнийорганической резины. Электроды 1 и 2 и держатель 3 помещены внутри корпуса, выполненного в виде верхнего 4 и нижнего 5 стаканов, расположенных соосно с держателем 3 и установленных открытыми концами навстречу друг другу с зазором. В указанном зазоре размещен наружный электрод 1. В дне нижнего стакана 5 имеется центральное сквозное отверстие 6. Держатель 3 выполнен в виде расположенного дном кверху стакана, открытый конец которого снабжен фланцем 7. Фланец 7 держателя 3 опирается на дно нижнего стакана 5, а дно держателя 3 соприкасается с дном верхнего стакана 4. Внутренний электрод 2 свободно охватывает наружную боковую поверхность держателя 3, при этом положение электрода 2 жестко зафиксировано на уровне, соответствующем уровню расположения наружного электрода 1, в частности, с помощью крепежной шайбы 8. Соединенная с электродом 1 подводящая электрическая линия содержит металлическую контактную площадку 9, жестко закрепленную на наружной поверхности верхнего стакана 4, а также металлический проводник 10, обеспечивающий электрическую связь контактной площадки 9 с электродом 1. Отводящая электрическая линия содержит металлическую контактную площадку 11, помещенную внутри отверстия 6 в дне нижнего стакана 5, а также металлический проводник 12, обеспечивающий электрическую связь контактной площадки 11 с электродом 2. Электрод 2, крепежная шайба 8, фланец 7 держателя 3 и контактная площадка 11 жестко скреплены друг с другом с помощью крепежного соединения (не показано).
Устройство работает следующим образом.
При возникновении перенапряжения на электроде 1 искровой разрядник пробивается и в нем протекает разрядный ток. Протекание разрядного тока по электродам 1 и 2 и межэлектродному промежутку вызывает образование магнитных полей, направленных таким образом, что под их воздействием дуговой разряд смещается из зоны его первоначального возникновения по длине электродов 1 и 2 в направлении увеличения межэлектродного промежутка.
При повышении температуры выше заданного допустимого значения (в частности, при перегреве ОПН, совместно с которым работает искровой разрядник) происходит тепловое расширение держателя 3, в результате чего его длина увеличивается, стакан 4 перемещается вверх, при этом электрод 1 также перемещается вверх, что приводит к изменению относительного положения электродов 1 и 2, в результате чего увеличивается расстояние между ними. Когда указанное межэлектродного расстояние достигает величины, при которой прекращается пробой искрового промежутка, происходит гашение дуги. При остывании искрового разрядника длина держателя 3 уменьшается, связанный с ним электрод 1 возвращается в исходное положение, при этом в условиях действия перенапряжения происходит пробой искрового разрядника и в нем вновь протекает разрядный ток.
Таким образом, пробой заявляемого искрового разрядника, обусловленный воздействием перенапряжения, зависит от температурных условий его работы.
1. Искровой разрядник, содержащий два установленных с образованием межэлектродного промежутка кольцевых электрода, соединенных соответственно с подводящей и с отводящей электрическими линиями, отличающийся тем, что электроды выполнены незамкнутыми, у каждого из электродов один конец является свободным, а другой соединен соответственно с подводящей и отводящей электрическими линиями, электроды расположены в одной плоскости один внутри другого с эксцентриситетом таким образом, что ширина межэлектродного промежутка между наружным и внутренним электродами увеличивается по их длине от места соединения одного из электродов с подводящей электрической линией к его свободному концу, при этом искровой разрядник дополнительно содержит держатель, изготовленный из диэлектрического материала, обладающего свойством термического расширения, взаимодействующий с одним из электродов таким образом, что при термическом расширении держателя указанный электрод перемещается относительно другого электрода в направлении, нормальном к плоскости расположения электродов.
2. Искровой разрядник по п.1, отличающийся тем, что держатель выполнен в виде расположенного дном кверху стакана, открытый конец которого снабжен фланцем, при этом электроды и держатель помещены внутри корпуса, выполненного в виде верхнего и нижнего стаканов, расположенных соосно с держателем и установленных открытыми концами навстречу друг другу с зазором, в котором размещен наружный электрод, в дне нижнего стакана имеется центральное сквозное отверстие, фланец держателя опирается на дно нижнего стакана, а дно держателя соприкасается с дном верхнего стакана, внутренний электрод свободно охватывает наружную боковую поверхность держателя, при этом положение указанного электрода жестко зафиксировано на уровне, соответствующем уровню расположения наружного электрода, причем последний соединен с подводящей электрической линией, выполненной в виде металлической контактной площадки, закрепленной на наружной поверхности верхнего стакана и соединенной с металлическим проводником, обеспечивающим электрическую связь указанной контактной площадки с наружным электродом, внутренний электрод соединен с отводящей электрической линией, выполненной в виде металлической контактной площадки, помещенной внутри отверстия, имеющегося в дне нижнего стакана, и металлического проводника, обеспечивающего электрическую связь указанной контактной площадки с внутренним электродом.
3. Искровой разрядник по п.2, отличающийся тем, что боковая поверхность держателя гофрирована.
