РАЗРЯДНИК С ЭЛЕКТРОДАМИ, ИМЕЮЩИМИ ОТВЕРСТИЯ Российский патент 2023 года по МПК H01T4/16 H01J17/04 

Область техники, к которой относится изобретение

Группа изобретений относится к области электротехники, в частности, к устройствам для защиты электрооборудования и несущих конструкций от грозовых перенапряжений и способам их изготовления. Разрядник может быть использован для грозозащиты, например, высоковольтных установок, изоляторов и других элементов высоковольтных линий электропередач, электрооборудования и других сооружений и устройств.

Уровень техники

Молниевые разряды являются одним из наиболее опасных явлений для эксплуатации высоковольтных линий электропередачи. При молниевом перенапряжении происходит перекрытие воздушного промежутка между токонесущим элементом линии электропередачи и заземленным элементом. После окончания импульса грозового перенапряжения это перекрытие под действием напряжения промышленной частоты, приложенного к токонесущему элементу, переходит в силовую дугу промышленной частоты.

В качестве решения проблемы образования силовой дуги при молниевом перенапряжении в международной заявке WO2010082861 был предложен разрядник для грозозащиты электрооборудования или линии электропередачи, содержащий изоляционное тело, выполненное из твердого диэлектрика, два основных электрода, механически связанных с изоляционным телом, и два или более промежуточных электродов, выполненных с возможностью формирования разряда (например, стримерного) между каждым из основных электродов и смежным с ним промежуточным электродом и между смежными промежуточными электродами, причем смежные электроды расположены между основными электродами с взаимным смещением, по меньшей мере, вдоль продольной оси изоляционного тела. Разрядник по указанной международной заявке характеризуется тем, что промежуточные электроды расположены внутри изоляционного тела и отделены от его поверхности слоем изоляции, толщина которого выбрана превышающей расчетный диаметр Dk канала указанного разряда, при этом между смежными промежуточными электродами выполнены выходящие на поверхность изоляционного тела разрядные камеры (полости), площадь S поперечного сечения которых в зоне формирования канала разряда выбрана из условия , где g – минимальное расстояние между смежными промежуточными электродами.

При воздействии на такой мультикамерный разрядник импульса грозового перенапряжения электрическими разрядами пробиваются промежутки между электродами. Благодаря тому, что разряды между промежуточными электродами происходят внутри камер, объемы которых весьма малы, при расширении канала создается высокое давление газов, под действием которого каналы искровых разрядов между электродами перемещаются к поверхности изоляционного тела и далее выдуваются наружу в окружающий воздух.

Вследствие возникающего дутья и удлинения каналов между электродами разрядные дуги охлаждаются, суммарное сопротивление всех разрядных дуг увеличивается, т.е. общее сопротивление разрядника возрастает, и происходит ограничение импульсного тока грозового перенапряжения. Ток грозового перенапряжения отводится через опору в землю и вслед за ним протекает сопровождающий ток промышленной частоты. При переходе тока через ноль дуга гаснет, и линия электропередачи продолжает бесперебойную работу.

Такой принцип работы мультикамерного разрядника является достаточно эффективным, поскольку конструкция разрядника получается простой, надежной и недорогой. В то же время вышеописанный разрядник обладает таким недостатком, как значительная длительность сопровождающего тока. Причиной этого является то, что сопровождающий ток имеет промышленную частоту и для гашения дуги необходим его переход через ноль. Частота переходов через ноль задается промышленной частотой и, следовательно, не может произвольно меняться. В связи с этим требуются дополнительные меры, направленные на гашение дуги непосредственно после протекания тока, вызванного молниевым перенапряжением.

Раскрытие изобретения

Задачей настоящего изобретения является повышение эффективности работы разрядника за счет исключения протекания сопровождающего тока после окончания молниевого перенапряжения.

Технический результат заключается в повышении эффективности разрядника вследствие ускорения разрыва разрядных дуг после прохождения импульса молниевого перенапряжения до перехода сопровождающего тока, имеющего промышленную частоту, через ноль за счет обеспечения поддува разрядных дуг воздухом из полостей в промежуточных электродах, образованных отверстиями в них, формирующих отдельные напорные камеры, объединенные в общую напорную камеру. Эффективность разрядника повышается в том числе благодаря отсутствию необходимости в увеличении габаритов разрядника, поскольку напорные камеры формируются внутри уже имеющихся промежуточных электродах, а также благодаря расположению выходов из отверстий в промежуточных электродах в непосредственной близости к разрядному зазору, что уменьшает требуемый объем воздуха для разрыва разряда, запасаемого в напорных камерах, объединенных конструкцией разрядника в общую напорную камеру. Дополнительным техническим результатом изобретения является упрощение конструкции разрядника и, соответственно, способа его изготовления, поскольку требуется меньше этапов изготовления. В частности, такой разрядник может быть изготовлен всего с одним этапом заливки.

Технический результат достигается тем, что в разряднике, включающем изоляционное тело, разрядные камеры в изоляционном теле, два основных электрода и, по меньшей мере, три промежуточных электрода, размещенные в изоляционном теле и выходящих в разрядные камеры, имеющие выходы на поверхность изоляционного тела. Согласно изобретению, в промежуточных электродах, формирующих последовательные разрядные зазоры в разрядных камерах, выполнены отверстия, и соединяющие разрядные камеры, в которые выходят промежуточные электроды, снабженные отверстиями, в результате чего образуется общая напорная камера, проходящая вдоль разрядника через промежуточные электроды.

В частных вариантах реализации разрядника основные электроды имеют части, выступающие из изоляционного тела и соединены с соседними промежуточными электродами непосредственно или через разрядные зазоры в разрядных камерах. Промежуточные электроды также могут выходить на поверхность изоляционного тела или иметь части, выступающие из изоляционного тела. Отверстия в промежуточных электродах предпочтительно имеют прямолинейную конфигурацию, а сами промежуточные электроды могут быть выполнены в виде цилиндров. Промежуточные электроды преимущественно установлены в изоляционном элементе с образованием в разрядных камерах разрядных зазоров (промежутков), размеры которых меньше толщины слоя диэлектрика, из которого выполнен изоляционный элемент, отделяющий разрядные зазоры (промежутки) от внешней поверхности изоляционного элемента.

Изоляционное тело предпочтительно выполнено с использованием силиконовой резины. Размер выхода из разрядной камеры в направлении вдоль электродов, выходящих в разрядную камеру, может быть меньше расстояния между электродами, выходящими в разрядную камеру, а размер выхода из разрядной камеры в направлении, перпендикулярном направлению вдоль электродов, выходящих в разрядную камеру, может быть больше расстояния между электродами, выходящими в разрядную камеру. Выходы разрядных камер могут быть снабжены выступами, а изоляционное тело может быть снабжено ребрами.

В некоторых вариантах осуществления изобретения разрядная камера может быть снабжена напорной камерой, соединенной с выходом из разрядной камеры через разрядный промежуток между электродами. При этом напорные камеры нескольких разрядных камер могут быть объединены.; Размер напорных камер в направлении вдоль соседних электродов, около которых расположены напорные камеры, может быть выполнен меньше расстояния между соседними электродами в разрядной камере. Размер напорных камер в направлении, перпендикулярном направлению вдоль соседних электродов, может быть выполнен больше расстояния между соседними электродами в разрядной камере. Объем напорной камеры не меньше половины суммарного объема разрядной камеры и выхода, с которыми она соединена. Кроме того, объем напорной камеры составляет предпочтительно не больше десяти суммарных объемов разрядной камеры и выхода, с которыми она соединена.

Заявленные конструктивные особенности выполнения разрядника обеспечивают эффективное гашение разрядных дуг, возникающих при перенапряжении, что обусловлено следующим. При перенапряжении пробиваются разрядные промежутки между электродами. Возникающие при этом каналы искровых разрядов расширяются, в разрядных камерах создаётся высокое давление.

С одной стороны волна давления приводит к выбросы плазмы наружу из разрядной камеры, а с другой стороны волна давления и частично плазмы устремляется в полости в промежуточных электродах, образованных отверстиями в них, формирующих отдельные напорные камеры, объединенные в общую напорную камеру. После вылета плазмы из каналов разрядных камер наружу в верхних участках разрядных камер образуется пониженное давление, а в полостях промежуточных электродов, то есть в общей напорной камере, остаётся высокое давление. Под его воздействием поток холодного, неионизированного воздуха устремляется в разрядные камеры, и способствует эффективному гашению (разрыву) импульсной дуги без перехода в дугу сопровождающего тока.

Краткое описание чертежей

Изобретение поясняется чертежами, где на фиг. 1 представлен общий вид разрядника, на фиг. 2 - пруток с электродами, установленный на дорнах, на фиг. 3 – разрядник с прутком внутри.

Осуществление изобретения

Далее изобретение описано со ссылкой на пояснительные чертежи, где показаны возможные варианты реализации разрядника в соответствии с изобретением, которые не ограничивают объем охраны. Варианты осуществления, раскрываемые в описании изобретения, также не являются ограничивающими и предназначены для пояснения ее сущности. Объем охраны ограничивается только формулой изобретения.

Разрядник содержит изоляционное тело 1, форма которого может быть различной, например, цилиндрической, прямоугольной или другой формы.

В зависимости от формы изоляционного тела он может быть выполнен полностью или частично выполнено из твердого диэлектрика, имеющего достаточную жесткость, прочность, твердость, или из гибких или мягких диэлектрических материалов, предпочтительно с использованием силиконовой резины или из других полимерных, органических или неорганических материалов. В последних вариантах для сохранения формы и требуемой жесткости изоляционное тело 1 может быть снабжено внутренним стержневым элементом (на фиг. не показан), выполненным из диэлектрического и/или проводящего (например, металлического) материала.

Внутри изоляционного тела 1 размещены промежуточные электроды 2, выходящие в разрядные камеры с образованием в них разрядных промежутков (зазоров). Размеры зазоров (в частности, расстояние между электродами) которых могут быть меньше толщины слоя диэлектрика, из которого выполнен изоляционный элемент, отделяющий разрядные промежутки от внешней поверхности изоляционного элемента. Это обеспечивает повышение эффективности разрядника, поскольку обеспечивает выход разрядной дуги из разрядной камеры ввиду превышения объема, занимаемого разрядной дугой, объема разрядной камеры.

В изоляционном теле также устанавливаются два основных электрода, выполненные из металла, например, стали (на фигурах не показаны). Они предназначены для подачи на разрядник напряжения (в т.ч. перенапряжения) и с этой целью могут выступать из изоляционного тела или же может предусматриваться возможность подключения к ним через изоляционное теле, если расположены полностью в нем, с помощью соединительных электродов, пропускаемых через мягкое изоляционное тело (например, из силикона) или через отверстие в изоляционном теле. Основные электроды предпочтительно не содержат сквозных отверстий, поскольку они выходят только в одну разрядную камеру.

Промежуточные электроды расположены между основными электродами не обязательно геометрически, а в том смысле, что разряд начинается между одним основным электродом и ближним к нему (например, выходящим в ту же разрядную камеру, что и основной электрод) промежуточным электродом, далее – разряды последовательно развиваются в разрядных камерах между промежуточными электродами и заканчиваются в разрядном зазоре между последним промежуточным электродом и вторым основным электродом. Основные электроды могут быть соединены с соседними промежуточными электродами непосредственно или через разрядные зазоры в разрядных камерах. При непосредственном соединении с соседними промежуточными электродами первый и последний разряд развиваются между промежуточными электродами. В предпочтительном варианте основные электроды выходят в разрядные камеры с соседними промежуточными электродами.

В промежуточных электродах 2 выполнены сквозные отверстия 3, соединяющие разрядные камеры, в которые выходят промежуточные электроды, снабженные отверстиями. Позицией 3 на фиг. 1 отмечены отверстия, показанные в трех левых электродах, показанных в частичном разрезе. Сами по себе электроды являются такими же, как и показанные правее. Частичный разрез электродов и изоляционного тела применяется только для наглядности и лучшего понимания изобретения. Отверстия 3 в промежуточных электродах 2 вместе могут быть приняты общей напорной камерой, соединяющая разрядные камеры, форма и размеры которых могут быть различными. При этом промежуточных электроды 2 могут быть выполнены различной формы (брусок, стержень, цилиндрические, сферические и т.п.), размеров и из различных материалов, предпочтительно металлическими, например, стальными. Например, промежуточные электроды могут быть выполнены в виде цилиндров.

В частных вариантах реализации разрядника размер выхода из разрядной камеры в направлении вдоль электродов, выходящих в разрядную камеру, может быть меньше расстояния между электродами 2, выходящими в разрядную камеру или размер выхода из разрядной камеры в направлении, перпендикулярном направлению вдоль электродов, выходящих в разрядную камеру, может быть больше расстояния между электродами, выходящими в разрядную камеру. Такие соотношения обеспечиваются дорном, описанным далее и применяемым для изготовления разрядника.

В предпочтительном варианте исполнения промежуточных электродов должно быть не менее трех, в зависимости от требуемого напряжения срабатывания разрядника. В некоторых вариантах реализации разрядника электроды могут выходить на поверхность изоляционного тела или иметь части, выступающие из изоляционного тела – это упрощает изготовление разрядника, так как электроды могут быть закреплены в литьевой форме и формование изоляционного тела может быть произведено за одну стадию.

В целях исключения слияния выхлопов разрядных камер их выходы могут быть снабжены выступами 4 и/или изоляционное тело может быть снабжено ребрами (на фигурах не показаны).

Изготовление разрядника, представленного на чертежах, возможно следующим способом. Для реализации этого способа необходима форма (матрица), в которой возможно сформировать изоляционное тело разрядника требуемой формы, а также дорны 6, обеспечивающие возможность четкого позиционирования электродов и формирование разрядных камер и разрядных каналов. При осуществлении заявленного способа электроды, в которых выполнены отверстия прямолинейной конфигурации, размещают на прутке 5, после чего пруток 5 с электродами 2 устанавливают в форме на дорнах 6 таким образом, чтобы дорны 6 касались прутка 5 между электродами 2, затем осуществляют заливку формы заранее подготовленным изоляционным материалом (например, жидкой силиконовой резиной), а после его отверждения извлекают пруток 5 и дорны 6 из отверждённого изоляционного материала (изоляционного тела) и извлекают изоляционное тело 1 из формы.

Этапы извлечения прутка 5 из отвержденного изоляционного материала и извлечения изоляционного тела 1 из формы могут осуществляться одновременно или последовательно.

Под отверждением изоляционного материала понимается такое изменение физических свойств материала, при котором форма, заданная матрицей и дорнами, продолжает сохраняться после извлечения изоляционного тела из матрицы и удаления из него дорнов. Таким образом, отверждение не означает, что изоляционное тело становится твердым или хрупким. Это означает, что оно становится нежидким и уже не может произвольно изменить свою форму. Например, в том случае, когда изоляционный материал, используемый при изготовлении изоляционного тела, является полимерным, то под отверждением может пониматься полимеризация полимера, т.е. его сшивка длинными цепочками полимеров. Для отверждения изоляционного тела могут использоваться такие технологические процессы, как вулканизация, нагрев, химическое отверждение и т.п.

Используемые для осуществления способа изготовления разрядника дорны 6 представляют собой стержни, концевые части которых могут быть выполнены U-образной формы. Форма стержня соответствует форме разрядного канала, а толщина U-образной части стержня соответствует величине разрядного промежутка между электродами. Для удобства извлечения дорнов 6 из отвержденного изоляционного материала U-образная концевая часть может иметь сглаженные, наклонные плечи. Это позволит удалить дорн без вырывания кусков диэлектрика за счет того, что эти плечи будут сжимать изоляционное тело постепенно по мере его извлечения из изоляционного тела.

Разрядник работает следующим образом.

Для защиты высоковольтных установок или линий электропередачи разрядник устанавливается, например, на опоре линии электропередачи. При этом свободный конец разрядника с основным (концевым) электродом располагается, например, с образованием разрядного зазора с проводом, который подвешивается с помощью штыревого или подвесного изолятора, или с электродом в виде пластины, который устанавливается на таком проводе. В других вариантах основной (концевой) электрод на свободном конце разрядника может быть электрически соединен с проводом или другим элементом электрооборудования (например, непосредственным контактом или с помощью проводника).

Разрядник может быть установлен в различных положениях и ориентирован в любых направлениях. При установке разрядника желательно размещать его так, чтобы выхлопы из разрядных камер не попадали на проводящие объекты для предотвращения слияния разрядных дуг.

В штатном режиме работы электрооборудования (в описываемом примере - линии электропередачи) между местом крепления разрядника (преимущественно опорой или частью опоры линии электропередачи) и защищаемым объектом (например, проводом) приложено штатное напряжение линии электропередачи, например, соответствующее классам напряжений линий электропередачи 6, 10, 15, 35 35, 110, 220 кВ или другим. Такое напряжение не приводит к пробою разрядных промежутков и через разрядник ток не течет - таким образом, в штатном режиме разрядник представляет собой электрический разрыв.

При наличии на защищаемом объекте перенапряжения, соответствующего напряжению срабатывания установленного разрядника, он резко снижает свое сопротивление и шунтирует оборудование, защищая его таким образом от импульсных перенапряжений.

При появлении перенапряжения, превышающем напряжение срабатывания разрядника (например, в результате попадания в него или прохождении рядом с ним молниевого разряда) происходит последовательный пробой разрядных промежутков между защищаемым объектом и основным (концевым) электродом на свободном конце разрядника, между основным электродом и ближайшим к нему промежуточным электродом, между внутренними промежуточными электродами, и между последним промежуточным электродом и другим концевым электродом, закрепленным на том конце разрядника, который крепится к опоре.

Сформированные разрядные дуги под действием давления, повышающегося в результате нагрева дугой воздуха в разрядных камерах, перемещаются по выходным каналам наружу изоляционного тела. Волна давления и частично плазмы также устремляется и в полости в промежуточных электродах, образованных отверстиями в них, формирующих отдельные напорные камеры, объединенные в общую напорную камеру. После вылета плазмы из каналов разрядных камер наружу в верхних участках разрядных камер образуется пониженное давление, а в полостях промежуточных электродов, то есть в общей напорной камере, остаётся высокое давление. Под его воздействием поток холодного, неионизированного воздуха устремляется в разрядные камеры, в результате чего реализуется дополнительный поддув разрядных дуг из общей напорной камеры, что ускоряет процесс удлинения дуг, их разрыва и, соответственно, гашения.

Таким образом, заявленное изобретение обеспечивает повышение эффективности работы разрядника за счет исключения протекания сопровождающего тока после окончания грозового перенапряжения, а именно за счет ускорения разрыва разрядных дуг после прохождения импульса грозового перенапряжения до перехода сопровождающего тока, имеющего промышленную частоту, через ноль за счет обеспечения поддува разрядных дуг воздухом из полостей в промежуточных электродах, образованных отверстиями в них, формирующих отдельные напорные камеры, объединенные в общую напорную камеру.

Эффективность разрядника повышается в том числе благодаря отсутствию необходимости в увеличении габаритов разрядника, поскольку напорные камеры формируются внутри уже имеющихся промежуточных электродах, а также благодаря расположению выходов из отверстий в промежуточных электродах в непосредственной близости к разрядному зазору, что уменьшает требуемый объем воздуха для разрыва разряда, запасаемого в напорных камерах, объединенных конструкцией разрядника в общую напорную камеру. Дополнительным техническим результатом изобретения является упрощение конструкции разрядника и, соответственно, способа его изготовления, поскольку требуется меньше этапов изготовления. В частности, такой разрядник может быть изготовлен всего с одним этапом заливки.

В некоторых вариантах для повышения эффективности разрядника одна или несколько разрядных камер могут быть снабжены дополнительными напорными камерами, соединенными с выходами из разрядных камер через разрядные промежутки между промежуточными электродами. Напорные камеры нескольких разрядных камер могут быть объединены. Размер напорных камер в направлении вдоль соседних электродов, около которых расположены напорные камеры, предпочтительно меньше расстояния между соседними электродами в разрядной камере, а размер напорных камер в направлении, перпендикулярном направлению вдоль соседних электродов, предпочтительно больше расстояния между соседними электродами в разрядной камере. Объем напорной камеры преимущественно не меньше половины суммарного объема разрядной камеры и выхода, с которыми она соединена и предпочтительно не больше десяти суммарных объемов разрядной камеры и выхода, с которыми она соединена.

Описанные примеры реализации изобретения представлены с целью подробного пояснения и не являются ограничивающими объем охраны, который определяется формулой изобретения. Описанные варианты осуществления устройства могут совмещаться в различных комбинациях, обеспечивающих одновременное получение дополнительных технических результатов, указанных по отношению к этим вариантам.

Изобретение относится к области электротехники, в частности к устройствам для защиты электрооборудования и несущих конструкций от грозовых перенапряжений и способам их изготовления. Технический результат - повышение эффективности разрядника и упрощение его конструкции. Разрядник включает изоляционное тело, разрядные камеры в изоляционном теле и электроды, размещенные в изоляционном теле и выходящие в разрядные камеры, имеющие выходы на поверхность изоляционного тела. В электродах выполнены отверстия, соединяющие разрядные камеры. 16 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Разрядник, включающий изоляционное тело, разрядные камеры в изоляционном теле, два основных электрода и по меньшей мере три промежуточных электрода, размещенных в изоляционном теле и выходящих в разрядные камеры, имеющие выходы на поверхность изоляционного тела, отличающийся тем, что в промежуточных электродах, формирующих последовательные разрядные зазоры в разрядных камерах, выполнены отверстия, соединяющие разрядные камеры, в которые выходят промежуточные электроды, снабженные отверстиями.

2. Разрядник по п. 1, отличающийся тем, что основные электроды имеют части, выступающие из изоляционного тела, и соединены с соседними промежуточными электродами непосредственно или через разрядные зазоры в разрядных камерах.

3. Разрядник по п. 1, отличающийся тем, что промежуточные электроды выходят на поверхность изоляционного тела или имеют части, выступающие из изоляционного тела.

4. Разрядник по п. 1, отличающийся тем, что промежуточные электроды установлены в изоляционном элементе с образованием в разрядных камерах разрядных зазоров, размеры которых меньше толщины слоя диэлектрика, из которого выполнен изоляционный элемент, отделяющий разрядные зазоры от внешней поверхности изоляционного элемента.

5. Разрядник по п. 1, отличающийся тем, что отверстия в промежуточных электродах имеют прямолинейную конфигурацию.

6. Разрядник по п. 1, отличающийся тем, что промежуточные электроды выполнены в виде цилиндров.

7. Разрядник по п. 1, отличающийся тем, что изоляционное тело выполнено с использованием силиконовой резины.

8. Разрядник по п. 1, отличающийся тем, что размер выхода из разрядной камеры в направлении вдоль электродов, выходящих в разрядную камеру, меньше расстояния между электродами, выходящими в разрядную камеру.

9. Разрядник по п. 1, отличающийся тем, что размер выхода из разрядной камеры в направлении, перпендикулярном направлению вдоль электродов, выходящих в разрядную камеру, больше расстояния между электродами, выходящими в разрядную камеру.

10. Разрядник по п. 1, отличающийся тем, что выходы разрядных камер снабжены выступами.

11. Разрядник по п. 1, отличающийся тем, что изоляционное тело снабжено ребрами.

12. Разрядник по п. 1, отличающийся тем, что разрядная камера снабжена напорной камерой, соединенной с выходом из разрядной камеры через разрядный промежуток между электродами.

13. Разрядник по п. 12, отличающийся тем, что напорные камеры нескольких разрядных камер объединены.

14. Разрядник по п. 12, отличающийся тем, что размер напорных камер в направлении вдоль соседних электродов, около которых расположены напорные камеры, меньше расстояния между соседними электродами в разрядной камере.

15. Разрядник по п. 12, отличающийся тем, что размер напорных камер в направлении, перпендикулярном направлению вдоль соседних электродов, больше расстояния между соседними электродами в разрядной камере.

16. Разрядник по п. 12, отличающийся тем, что объем напорной камеры не меньше половины суммарного объема разрядной камеры и выхода, с которыми она соединена.

17. Разрядник по п. 12, отличающийся тем, что объем напорной камеры не больше десяти суммарных объемов разрядной камеры и выхода, с которыми она соединена.