РАЗРЯДНИК ГРОЗОЗАЩИТНЫЙ Российский патент 2008 года по МПК H01T1/00 

Изобретение предназначено для защиты электрических линий, преимущественно низковольтных линий электропитания и линий связи, от токов и перенапряжений, вызванных разрядами молнии.

Известен разрядник, содержащий два аксиально расположенных электрода, между которыми размещены диэлектрические пластины (изоляционные диски), площадь которых меньше обращенной к ней площади каждого из электродов. Электроды, изоляционные диски и вспомогательный электрод образуют многозазорный искровой промежуток, в котором при перенапряжении в нескольких местах возникает разряд. Электроды состоят из двух частей. Внешние части имеют диаметр, больший, чем внутренние части. За счет разницы диаметров разряд в процессе его развития переходит на участки электродов с большим диаметром и большей электроэрозионной стойкостью и занимает положение. За счет этого сохраняется геометрия основных разрядных промежутков (US №4366523).

Недостатками разрядника являются сложность конструкции, короткий срок службы и наличие нестабильности в работе, обусловленной значительным разбросом значений статического и динамического напряжения пробоя.

Известен также разрядник, содержащий два аксиально расположенных электрода, между которыми размещены диэлектрические диски или пластины (изоляционные диски), площадь которых меньше обращенной к ней площади каждого из электродов. В этом разряднике зона контакта дисков из диэлектрика и дисков из металла, находящаяся на торцевой поверхности дисков, защищена от попадания продуктов эрозии электродов благодаря выбору оптимального соотношения радиусов диэлектрических дисков и дисков из металла (SU №1330682, прототип).

Недостатками этого разрядника также являются сложность конструкции, короткий срок службы и наличие нестабильности в работе, обусловленной значительным разбросом значений статического и динамического напряжения пробоя. Эти недостатки обусловлены тем, что наружная поверхность диэлектрических дисков, расположенная на образующей дисков, не защищена от попадания продуктов эрозии. Материал диэлектрических дисков - керамика, которая имеет хорошую адгезию к металлам. В результате адгезии металлические продукты эрозии электродов могут оседать на внешней поверхности дисков, образовывая проводящую металлическую пленку. При последующих воздействиях импульсных напряжений часть импульсного тока может протекать по металлической пленке, в результате чего металлическая пленка разрушается электрическим взрывом. Вместе с металлической пленкой разрушается прилегающая к ней поверхность диэлектрического диска. Постепенное разрушение диэлектрического диска приводит к тому, что металлическая пленка на нем приближается к металлическим дискам, в результате чего изменяется статическое и динамическое напряжения пробоя разрядника, искровой разряд развивается по поверхности изоляции из диэлектрика, расположенного в зазоре между электродами. При сильноточном разряде испаряется материал электродов разрядников и образуется насыщенная парами металла плазма. Пары металла, охлаждаясь, оседают на поверхностях холодных элементов конструкции разрядника, в том числе на поверхности диэлектрика изолятора. При последующих разрядах часть тока протекает по металлической пленке на поверхности диэлектрика изолятора, происходит электрический взрыв металлической пленки, что может привести к локальному разрушению поверхности диэлектрика изолятора. Наличие металлической пленки на поверхности диэлектрика снижает стабильность работы разрядника, так как металлические фрагменты в межэлектродном промежутке изменяют напряжение срабатывания разрядника. Электрический взрыв металлической пленки и последующие локальные повреждения поверхности диэлектрика изолятора приводят к постепенному разрушению изолятора. На микронеровностях поврежденной поверхности задерживается все большее количество осажденного металла из металлической плазмы, что ведет к снижению ресурса работы разрядника.

Технической задачей изобретения является создание эффективного разрядника грозозащитного и расширение арсенала разрядников грозозащитных.

Технический результат, обеспечивающий решение поставленной задачи, заключается в упрощении конструкции, увеличении срока службы (ресурса) и повышении стабильности в работе за счет сокращения разброса значений статического и динамического напряжения пробоя.

Сущность изобретения состоит в том, что разрядник содержит два аксиально расположенных электрода, между которыми размещена диэлектрическая пластина, площадь которой меньше обращенной к ней площади, по меньшей мере, одного из электродов, причем электроды оперты непосредственно на поверхности диэлектрической пластины, которая выполнена из материала, обладающего плазмогенерирующими свойствами при воздействии высоких температур искрового разряда, а расстояние от внешнего края диэлектрической пластины до края, по меньшей мере, одного из электродов находится в пределах 0,2-5 толщины диэлектрической пластины.

Предпочтительно диэлектрическая пластина выполнена из фторопласта в качестве материала, обладающего плазмогенерирующими свойствами, а электроды выступают за края диэлектрической пластины по всему ее периметру.

В частных случаях реализации электроды в части, опертой на диэлектрическую пластину, выполнены в форме усеченного конуса, а диэлектрическая пластина - в форме диска, при этом разность сопрягаемых диаметров электродов и диэлектрической пластины составляет 0,2-5 толщины последней, или один электрод в части, опертой на диэлектрическую пластину, выполнен в форме усеченного конуса, а второй - в виде пластины. Кроме того, электроды скреплены между собою шпилькой из изоляционного материала, которая расположена вдоль их геометрической оси и зафиксирована с помощью вдавливающихся металлических шариков, а в иных случаях реализации электроды скреплены между собою втулкой из изоляционного материала, которая расположена вдоль их геометрической оси и зафиксирована с помощью резьбового соединения.

На фиг.1 изображен разрядник грозозащитный, в котором электроды в части, опертой на диэлектрическую пластину, выполнены в форме усеченного конуса, на фиг.2 - промежуток между электродами, на фиг.3 - разрядник грозозащитный, в котором один электрод в части, опертой на диэлектрическую пластину, выполнен в форме усеченного конуса, а второй - в виде пластины, на фиг.4 - схема образования ядра и направления распространения плазмы.

Разрядник содержит два аксиально расположенных электрода 1, 2, между которыми размещена диэлектрическая пластина 3, площадь которой меньше обращенной к ней площади, по меньшей мере, одного из электродов 1, 2. Электроды 1, 2 оперты непосредственно на поверхности диэлектрической пластины 3, которая выполнена из материала, обладающего плазмогенерирующими свойствами при воздействии высоких температур искрового разряда, а расстояние от внешнего края пластины 3 до края, по меньшей мере, одного из электродов 1,2 находится в пределах 0,2-5 толщины диэлектрической пластины 3 (фиг.2).

Диэлектрическая пластина 3 выполнена, например, из фторопласта-4 (ГОСТ 1007-80) в качестве материала, обладающего плазмогенерирующими свойствами.

Электроды 1, 2 (фиг.1) выступают за края диэлектрической пластины 3 по всему ее периметру.

Электроды 1, 2 в части, опертой на диэлектрическую пластину, выполнены в форме усеченного конуса, а диэлектрическая пластина 3 - в форме диска, при этом разность В сопрягаемых диаметров электродов 1, 2 и диэлектрической пластины 3 составляет 0,2-5 толщины А последней (фиг.2), т.е. А:В=1:(0,2-5).

В исполнении по фиг.3 электрод 1 в части, опертой на диэлектрическую пластину 3, выполнен в форме усеченного конуса, а второй электрод 2 - в виде электропроводной (металлической) пластины.

Электроды 1, 2 могут быть скреплены между собой шпилькой 4 из изоляционного материала, которая расположена вдоль их геометрической оси и зафиксирована с помощью вдавливающихся металлических шариков 5, поджатых толкателями 6, выполняющими функцию электрических выводов (фиг.1).

Электроды 1, 2 могут быть скреплены между собой втулкой 7 из изоляционного материала, которая расположена вдоль их геометрической оси и зафиксирована с помощью резьбового соединения в виде болта 8 и гайки 9 с шайбами 10. К электродам 1, 2 подключены электрические выводы 11, 12 (фиг.3).

Разрядник грозозащитный работает следующим образом.

При воздействии грозового разряда в данном разряднике искровой разряд возникает между электродами 1, 2 и развивается по поверхности диэлектрической пластины 3 (изоляции из диэлектрика), расположенной в зазоре между электродами 1, 2. Металлическая плазма - частично или полностью ионизованный газ, образованный из нейтральных атомов (или молекул) и заряженных частиц (ионов и электронов) материала электродов. При воздействии высоких температур, возникающих при сильноточном искровом разряде, на поверхности диэлектрика, обладающего плазмогенерирующими свойствами, например фторопласта, возникает неметаллическая плазма (например, фтороводородная). В процессе разряда происходит испарение и абляция фторопласта (унос вещества с поверхности твердого тела потоком горячего газа) и ионизация образовавшегося газообразного вещества, т.е. генерирование плазмы в зоне воздействия высоких температур искрового разряда.

Ограниченный за счет смещения края пластины 3 (в глубину межэлектродного промежутка) объем в зоне начального формирования сильноточного разряда приводит к повышению давления и, соответственно, температуры металлической плазмы в зоне разряда. Образовавшаяся в разряде фтороводородная плазма ускоряется под действием газодинамических сил, обусловленных омическим нагревом газа и взаимодействием протекающего разрядного тока с собственным магнитным полем плазмы. В результате горячая металлическая плазма воздействует на поверхность диэлектрика диэлектрической пластины 3 (изоляции из диэлектрика) не значительно, так как слой фтороводородной плазмы отделяет металлическую плазму от поверхности пластины 3 и с высокой скоростью вытесняет ее из щелевого зазора, образованного по периферии пластины 3 между электродами 1, 2. При этом в зоне разряда из ядра формирования плазменного разряда возникает фтороводородный плазменный сгусток (фиг.4) между поверхностью изолятора пластины 3 и дугой с металлической плазмой, выталкивающий последнюю из зазора в радиальном направлении от торцевой поверхности диэлектрической пластины 3 (изоляции из диэлектрика), а также две струи фтороводородной плазмы, распространяющиеся из области высокого давления в зоне формирования плазменного сгустка в зоны низкого давления вдоль зазора между электродами 1, 2 и вдоль поверхности диэлектрической пластины (изоляции из диэлектрика). Эти две струи плазмы защищают и механически очищают поверхность диэлектрической пластины 3 (изоляции из диэлектрика), примыкающую к зоне разряда. Таким образом, высокотемпературная изоляция поверхности пластины 3 с помощью фторводородной плазмы от дуги с металлической плазмой исключает осаждение металла на пластину 3 и обеспечивает самоочистку ее поверхности.

Одновременно фтороводородная плазма, распространяющаяся из области высокого давления, выносит из зазора расплавленный металл электродов (металлическую плазму), не позволяя развиваться микронеровностям на поверхности электродов 1, 2 в зазоре. Отсутствие развития микронеровностей в зазоре позволяет стабилизировать напряжение срабатывания разрядника, определяемое величиной зазора.

Описанные процессы самоочистки поверхности диэлектрической пластины 3 позволяют повысить стабильность работы разрядника и увеличить ресурс.

Процесс разряда развивается, как в обычных разрядниках: под действием механической силы, обусловленной взаимодействием тока и созданного им магнитного поля, дуга разряда растягивается по поверхности электрода 1 (2) и при растяжении гасится самостоятельно (за счет охлаждения) или с помощью любой из известных систем гашения дуги (например, Борн О.Б. "Электрическая дуга в аппаратах управления", Госэнергоиздат, М.-Л., 1954, с.274-312).

Таким образом, создан эффективный разрядник грозозащитный и расширен арсенал разрядников грозозащитных.

При этом упрощена конструкция, увеличен срок службы (ресурс) и повышена стабильности в работе за счет сокращения разброса значений статического и динамического напряжения пробоя.

Изобретение относится к области электротехники. Техническим результатом является упрощение конструкции, увеличение срока службы (ресурса) и повышение стабильности в работе. Разрядник содержит два аксиально расположенных электрода 1, 2, между которыми размещена диэлектрическая пластина 3, площадь которой меньше обращенной к ней площади, по меньшей мере, одного из электродов 1, 2. Электроды 1, 2 оперты непосредственно на поверхности диэлектрической пластины 3, которая выполнена из материала, обладающего плазмогенерирующими свойствами при воздействии высоких температур искрового разряда, а расстояние от внешнего края пластины 3 до края, по меньшей мере, одного из электродов 1, 2 находится в пределах 0,2-5 толщины диэлектрической пластины 3, выполненной, например, из фторопласта-4. Электроды 1, 2 предпочтительно выступают за края диэлектрической пластины 3 по всему ее периметру. Электроды 1, 2 могут быть скреплены между собой шпилькой 4 из изоляционного материала, которая расположена вдоль их геометрической оси, или могут быть скреплены между собой втулкой 7 из изоляционного материала, которая расположена вдоль их геометрической оси и зафиксирована с помощью резьбового соединения в виде болта 8 и гайки 9. 6 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Разрядник, содержащий два аксиально расположенных электрода, между которыми размещена диэлектрическая пластина, площадь которой меньше обращенной к ней площади, по меньшей мере, одного из электродов, отличающийся тем, что электроды оперты непосредственно на поверхности диэлектрической пластины, которая выполнена из материала, обладающего плазмогенерирующими свойствами при воздействии высоких температур искрового разряда, а расстояние от внешнего края диэлектрической пластины до края, по меньшей мере, одного из электродов находится в пределах 0,2-5 толщины диэлектрической пластины.2. Разрядник по п.1, отличающийся тем, что диэлектрическая пластина выполнена из фторопласта в качестве материала, обладающего плазмогенерирующими свойствами.3. Разрядник по любому из пп.1 и 2, отличающийся тем, что электроды выступают за края диэлектрической пластины по всему ее периметру.4. Разрядник по любому из пп.1 и 2, отличающийся тем, что электроды, в части, опертой на диэлектрическую пластину, выполнены в форме усеченного конуса, а диэлектрическая пластина - в форме диска, при этом разность сопрягаемых диаметров электродов и диэлектрической пластины составляет 0,2-5 толщины последней.5. Разрядник по любому из пп.1 и 2, отличающийся тем, что один электрод в части, опертой на диэлектрическую пластину, выполнен в форме усеченного конуса, а второй - в виде пластины.6. Разрядник по любому из пп.1 и 2, отличающийся тем, что электроды скреплены между собою шпилькой из изоляционного материала, которая расположена вдоль их геометрической оси и зафиксирована с помощью вдавливающихся металлических шариков.7. Разрядник по любому из пп.1 и 2, отличающийся тем, что электроды скреплены между собою втулкой из изоляционного материала, которая расположена вдоль их геометрической оси и зафиксирована с помощью резьбового соединения.