РАЗРЯДНИК С МУЛЬТИЭЛЕКТРОДНОЙ СИСТЕМОЙ Российский патент 2025 года по МПК H01T4/16 H01C7/00 

Область техники, к которой относится изобретение

Изобретение относится к разрядникам для защиты от перенапряжений, например, грозовых, электроустановок, высоковольтных линий электропередачи и электрических сетей. Изобретение также относится к высоковольтным линиям электропередачи, имеющим в своем составе элементы, снабженные такими разрядниками.

Уровень техники

Молниевые разряды являются одним из наиболее опасных явлений для эксплуатации высоковольтных линий электропередачи. При грозовом 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.

Известен разрядник для ограничения перенапряжений на линии электропередачи на основе защитного воздушного искрового промежутка, образованного между двумя металлическими стержнями (см. Техника высоких напряжений / Под ред. Д.В. Разевига - М: Энергия, 1976, с. 285). Один из стержней известного разрядника присоединен к высоковольтному проводу линии, а второй - к заземленной конструкции, например к телу опоры линии электропередачи. При перенапряжении искровой промежуток пробивается, ток грозового перенапряжения отводится в землю, и напряжение на устройстве резко падает. Таким образом, осуществляются отвод грозового тока и ограничение перенапряжения. Однако дугогасящая способность одиночного промежутка незначительна, так что после окончания перенапряжения по дуге искрового промежутка продолжает протекать сопровождающий ток. Поэтому должен вступить в работу выключатель и разорвать цепь, что весьма нежелательно для потребителей, получающих электроэнергию от данной линии.

В качестве решения проблемы образования силовой дуги при грозовом перенапряжении в международной заявке WO 2010082861 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.

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 каналы разрядов охлаждаются, суммарное сопротивление всех каналов 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 недостаточная механическая прочность при больших импульсах тока, протекающих через разрядные камеры, при прямых ударах молнии в ЛЭП. Зачастую разрывы разрядника происходят по поверхности соединения двух половин, полученных при его изготовлении в две стадии. Кроме того, вследствие относительно небольших размеров электродов, находящихся внутри изоляционного тела, происходит их обгорание при срабатывании разрядника, и потеря адгезии резины к электродам, что также приводит к разрывам разрядника.

В качестве ближайшего аналога настоящего изобретения может быть выбран так называемый трубчатый разрядник для ограничения перенапряжений на линии электропередачи (см. Техника высоких напряжений / Под ред. Д.В. Разевига - М: Энергия, 1976, с. 287). Основу разрядника составляет трубка из изоляционного газогенерирующего материала. Один конец трубки заглушен металлической крышкой, на которой укреплен внутренний стержневой электрод. На открытом конце трубки расположен электрод в виде кольца. Промежуток между стержневым и кольцевым электродами называется внутренним, или дугогасящим промежутком. Один из электродов подсоединяется к земле, а второй через внешний искровой промежуток подсоединяется к проводу линии электропередачи.

При грозовом перенапряжении оба промежутка пробиваются, и импульсный ток отводится в землю. После окончания импульса через разрядник продолжает проходить сопровождающий ток, и искровой канал переходит в дуговой. Под действием высокой температуры канала дуги переменного тока в трубке происходит интенсивное выделение газа, и давление сильно увеличивается. Газы, устремляясь к открытому концу трубки, создают продольное дутье, благодаря чему дуга гасится при первом же прохождении тока через нулевое значение.

В результате многократной работы разрядника разрядная камера трубки разрабатывается. Разрядник становится неработоспособным и подлежит замене, что требует больших эксплуатационных расходов.

Раскрытие изобретения

Задачей изобретения является снижение уровня напряжения, при котором происходят разряды в разряднике, при сохранении повышенной механической прочности и долговечности разрядника.

Задача решается с помощью разрядника, имеющего изоляционное тело, два электрода, механически связанные с изоляционным телом, и разрядную камеру, расположенную внутри изоляционного тела между электродами и имеющую выход или выходы на поверхность изоляционного тела.

Отличительным признаком изобретения является то, что в изоляционном теле расположена мультиэлектродная система (МЭС), состоящая из чередующихся изоляционных и проводящих элементов. Элементы установлены с возможностью последовательного формирования разрядов между электродом и проводящим элементом, между проводящими элементами и между проводящим элементом и электродом при воздействии перенапряжения. Разрядная камера сформирована вырезами в изоляционных и проводящих элементах.

Изоляционные и проводящие элементы могут быть выполнены в виде пластин. Изоляционные и проводящие элементы преимущественно имеют одинаковые поперечные форму и размер. В предпочтительном варианте изоляционные и проводящие элементы выполнены в виде шайб.

Изоляционное тело предпочтительно выполнено в виде трубки, в частности, с использованием диэлектрика. Электроды в преимущественном варианте выполнены в виде проводящих стаканов и укреплены на концах изоляционного тела. Между донышками стаканов и проводящими и изоляционными элементами мультиэлектродной системы могут быть выполнены полости, которые выполняют роль напорных камер. В средней части мультиэлектродной системы может быть установлена промежуточная трубка, которая выполняет роль напорной камеры.

Техническим результатом настоящего изобретения является обеспечение прочности при пониженном разрядном напряжении. Эти свойства, образующие технический результат, достигаются одновременно, что представляет собой значительную техническую сложность, успешно преодолеваемую настоящим изобретением. В частности, снижение разрядного напряжения обеспечивается применением мультиэлектродной системы, а обеспечение прочности обеспечивается размещением мультиэлектродной системы внутри изоляционного тела. Размещение МЭС в изоляционном теле становится возможным благодаря тому, что она состоит из чередующихся проводящих и изоляционных элементов, снабженных вырезами так, что они образуют разрядную камеру. Наличие выходов разрядной камеры наружу изоляционного тела позволяет выходить избыточному давлению от разряда наружу, что также обеспечивает прочность разрядника, который не может разрушиться при прохождении через разрядник разряда.

Представленная конструкция также обеспечивает компактность разрядника, поскольку мультиэлектродная система представляет собой плотный пакет чередующихся проводящих и изоляционных элементов, размещенный внутри изоляционного тела.

Краткое описание чертежей

На фиг. 1 показан вариант исполнения дугогасящего модуля разрядника на основе изоляционной трубки с укрепленными на концах металлическими стаканами с осевыми отверстиями, причем изоляционная трубка наполнена чередующимися металлическими и изоляционными шайбами или трубочками.

На фиг. 2 показан вариант исполнения дугогасящего модуля по фиг. 1, но содержащий концевые напорные камеры.

На фиг. 3 показан вариант исполнения дугогасящего модуля по фиг. 1, но содержащий центральную напорную камеру.

На фиг. 4 показана схема установки дугогасящих модулей по фиг. 1, 2 и 3 по периметру изоляционной детали, например ребра изолятора.

СПИСОК ПОЗИЦИЙ

1. Изоляционная трубка;

2. Металлические шайбы;

3. Изоляционные шайбы;

4. Металлические стаканы;

5. Канал разряда

6. Разрядная камера;

7. Плазменные выхлопы;

8. Концевые напорные камеры;

9. Выхлопные каналы;

10. Центральная напорная камера;

11. Металлическая трубка;

12. Изоляционная деталь;

13. Изоляционный стержень;

14. Изоляционное кольцо, содержащее модули;

15. Подводящие электроды.

Осуществление изобретения

Далее настоящее изобретение будет описано со ссылкой на сопровождающие чертежи и частные варианты осуществления. Такое описание дается с целью пояснения изобретения на частных примерах и не предназначено для ограничения объема охраны настоящего изобретения, определяемого формулой изобретения. В то же время при необходимости в формуле изобретения могут быть приведены признаки из описания с целью более точного определения объема охраны.

Разрядник в соответствии с изобретением имеет изоляционное тело 1, два электрода 4, механически связанные с изоляционным телом 1, и разрядную камеру 6, расположенную внутри изоляционного тела 1 между электродами 4 и имеющую выход или выходы (9 на фиг. 2 и 3) на поверхность изоляционного тела 1.

Изоляционное тело 1, показанное на фигурах, представляет собой, по сути, корпус разрядника и выполнено с использованием диэлектрического материала, предпочтительно обладающего высокой прочностью. Например, это могут быть полимеры или другие материалы, используемые в электротехнике.

Электроды 2 в преимущественном варианте выполнены в виде проводящих стаканов и укреплены на концах изоляционного тела. Электроды могут быть выполнены с использованием металла, например, меди, алюминия, стали и их сплавов или других. Прочность закрепления электродов 2 в виде стаканов на изоляционном теле 1 обеспечивается боковыми стенками стаканов и их прижатием к изоляционному телу, например, путем приклеивания, обжатия или резьбовым соединением. Донышки стаканов обеспечивают удержание внутри изоляционного тела мультиэлектродной системы, описанной далее.

В изоляционном теле 1 разрядника согласно настоящему изобретению расположена мультиэлектродная система (МЭС), состоящая из чередующихся изоляционных и проводящих элементов 2 и 3. Элементы 2 и 3 установлены с возможностью последовательного формирования разрядов между электродом 4 и проводящим элементом 2, между проводящими элементами 2 (через/над изоляционными элементами 3) и между проводящим элементом 2 и электродом 4 при воздействии перенапряжения. Разрядная камера 6 сформирована вырезами в изоляционных и проводящих элементах 2 и 3. На фигурах вырезы выполнены в центре изоляционных и проводящих элементов 2 и 3, являющихся, по сути, шайбами.

Проводящие элементы могут быть выполнены из металла (такого как медь, алюминий, сталь и их сплавы или других) или углерода. Диэлектрические элементы могут быть выполнены из любых используемых в электротехнике диэлектрических материалов, например, полимерных.

Изоляционные и проводящие элементы предпочтительно выполнены в виде пластин для того, чтобы их можно было плотно прижимать друг к другу и обеспечивать таким образом плотный пакет МЭС. Изоляционные и проводящие элементы преимущественно имеют одинаковые поперечные форму и размер. Например, элементы могут иметь квадратную, прямоугольную или круглую форму. В предпочтительном варианте, показанном на фигурах, изоляционные и проводящие элементы выполнены в виде шайб, имеющих в центре круглые отверстия (вырезы). Однако в других вариантах вырезы в проводящих и диэлектрических элементах могут быть выполнены в других местах, например, с краев. Предпочтительно, чтобы вырезы в элементах были в одинаковых местах для формирования единой разрядной камеры при сборке элементов в МЭС для того, чтобы из разрядной камеры можно было вывести продукты разрядов через одно или два отверстия.

Между донышками стаканов 4 и проводящими и изоляционными элементами 2 и 3 мультиэлектродной системы могут быть выполнены полости 8, выполняющие роль напорных камер, как это показано на фиг. 2. В средней части мультиэлектродной системы может быть установлена промежуточная трубка 11, которая выполняет роль напорной камеры 10, как это показано на фиг. 3.

Для изготовления разрядника сначала собирают мультиэлектродную систему путем сборки в пакет (колонку) чередующихся изоляционных и проводящих элементов 2 и 3, размещения МЭС в изоляционном теле 1 и закрепления на концах изоляционного тела электродов 2. Один из электродов 2 может быть закреплен на изоляционном теле 1 до размещения в нем МЭС.

На фиг. 1-3 показаны варианты выполнения разрядников с мульти-электродными системами (МЭС), расположенными внутри прочной изоляционной трубки 1. МЭС представляет из себя набор чередующихся между собой металлических 2 и изоляционных 3 шайб (или трубочек).

На концах трубок 1 установлены металлические стаканы 4. При приложении перенапряжения (U-0) к стаканам 4 возникает каскадный разряд между металлическими шайбами 2 внутри изоляционных шайб 3, затем с увеличением тока образуется единый сквозной канал 5, соединяющий оба стакана 4. При дальнейшем возрастании тока диаметр канала стремится увеличиться, однако он ограничен диаметром единой сквозной разрядной камеры 6, проходящей через шайбы 2 и 3. Давление внутри разрядной камеры 6 резко увеличивается, и канал разряда 5 выдувается в обе стороны в виде плазменных выхлопов 7. В результате весьма быстрого движения в холодном воздухе плазма 7 и канал 6 охлаждаются, теряют свою проводимость, и разряд гаснет.

На фиг. 2 показан вариант разрядника, отличающийся от разрядника по фиг. 1 тем, что в нем предусмотрены концевые напорные камеры 8, выполненные внутри стаканов 4. Кроме того, сделаны выхлопные каналы 9, которые проходят через боковые поверхности стаканов 4 и через изоляционную трубку 1 до разрядной камеры 6. Таким образом обеспечено направление выхлопов плазмы не по оси модуля, как в модуле по фиг. 1, а в перпендикулярном направлении.

При развитии разряда внутри разрядной камеры 6 высокое давление создается также в напорных камерах 8. После вылета плазмы 7 из каналов 9 в них образуется низкое давление. Холодный, неионизированный воздух из напорных камер 8 поступает в каналы 9 и способствует охлаждению находящейся в них плазмы и гашению разряда.

На фиг. 3 показан вариант разрядника, отличающийся от разрядника по фиг. 2 тем, что в нем предусмотрена напорная камера 10, выполненная в средней части МЭС путем установки металлической трубки 11 между двумя металлическими шайбами 2. В этом варианте после вылета плазмы 12 холодный воздух из напорной камеры 10 распространяется в обе стороны разрядной камеры 6, и способствует гашению разряда.

Для повышения напряжения гашения разрядники могут соединятся последовательно. На фиг. 4 показана схема установки разрядников по фиг. 1, 2 и 3 по периметру изоляционной детали, например ребра изолятора 12, установленного на изоляционный несущий стержень 13. По периметру изоляционной детали 12 установлено изоляционное кольцо 14, в которое вмонтированы разрядники, например по фиг. 3. Кольцо 14 может быть выполнено, например, из силиконовой резины. Разрядники соединены последовательно путем контакта между стаканами 4. К крайним стаканам 4 крайних модулей подключены отводы 15, через которые разрядник подключается к объекту, на который воздействует перенапряжение, например к проводу линии электропередачи и заземлению. При воздействии перенапряжения разрядники срабатывают и обеспечивают его ограничение.

Изобретение относится к разрядникам для грозозащиты элементов электрооборудования или линии электропередачи. Технический результат – повышение прочности разрядника, эффективности и надежности его работы. Разрядник содержит изоляционное тело, выполненное с использованием диэлектрика, и два электрода, механически связанные с изоляционным телом и расположенные с обеспечением возможности формирования, под воздействием грозового перенапряжения, электрического разряда между электродами в камере, расположенной внутри изоляционного тела и имеющей выход или выходы на поверхность изоляционного тела. В камере расположена мультиэлектродная система (МЭС), состоящая из чередующихся изоляционных и проводящих тел, между которыми при воздействии перенапряжения происходят разряды, которые способствуют развитию разряда между электродами. 7 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Разрядник, включающий в себя изоляционное тело, два электрода, механически связанные с изоляционным телом, и разрядную камеру, расположенную внутри изоляционного тела между электродами и имеющую выход или выходы на поверхность изоляционного тела, отличающийся тем, что в изоляционном теле расположена мультиэлектродная система, состоящая из чередующихся изоляционных и проводящих элементов, установленных с возможностью последовательного формирования разрядов между электродом и проводящим элементом, между проводящими элементами и между проводящим элементом и электродом при воздействии перенапряжения, причем разрядная камера сформирована вырезами в изоляционных и проводящих элементах.

2. Разрядник по п. 1, отличающийся тем, что изоляционные и проводящие элементы выполнены в виде пластин.

3. Разрядник по п. 1, отличающийся тем, что изоляционные и проводящие элементы выполнены в виде шайб.

4. Разрядник по п. 1, отличающийся тем, что изоляционные и проводящие элементы имеют одинаковые поперечные форму и размер.

5. Разрядник по п. 1, отличающийся тем, что изоляционное тело выполнено в виде трубки.

6. Разрядник по п. 1, отличающийся тем, что электроды выполнены в виде проводящих стаканов и укреплены на концах изоляционного тела.

7. Разрядник по п. 6, отличающийся тем, что между донышками стаканов и проводящими и изоляционными элементами мультиэлектродной системы выполнены полости, которые выполняют роль напорных камер.

8. Разрядник по п. 6, отличающийся тем, что в средней части мультиэлектродной системы установлена промежуточная трубка, которая выполняет роль напорной камеры.