Защитный разрядник Советский патент 1983 года по МПК H01T1/00 

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано для защиты электрических цепей и эл ментов аппаратуры от воздействия опасных перенапряжений. Известен разрядни, содержащий установленные в герметичном корпусе неподвижный электрод и подвижный электрод, жестко соединенный с токо проводящим стержнем, который образу с первым токовводом размыкающий кон такт, а с вторым - скользящий конта и термочувствительный привод подвиж ного электрода, состоящий из изогнутых пластин, выполненных из матер ала с эффектом памяти формы. Второй токоввод выполнен в- виде оси вращения, на которой установлен токопроводящий стержень, расположенны ,перпендикулярно к оси вращения, а подвижный электрод выполнен в виде изогнутой у-об1эазной трубки,закрытой с рабочего торца и расположенной в плоскости вращения токопроводящего стержня, соединение которого с труб выполнено в ее средней части. Пластины термочувствительного привода прикреплены одними своими концами к внутренней поверхности ра бочего торцй подвижного электрода, внутри которого по разные стороны его изгиба установлены две соединен ные в замкнутый контур катушки индуктивности, одна из которых снабжена неподвижным ферромагнитным сер дечником, а вторая - подвижным сердечником, выполненным в виде постоя ного магнита, жестко соединенного с вторыми концами пластин термочувствительного привода. На внутренней стенке корпуса закреплены вплоскости вращения подвиж ного электрода два разноименных постоянных , один из которых расположен соосно с открытым концом подвижного электрода, а второй - меж ду концами подвижного электрода. Этот разрядник обладав повышенны сроком службы за счет исключения механических повреждений поверхностей электродов и нежелательного явления искрения благодаря перемещению подвижного электрода без соприкосновения с неподвижным электродом во врем воздействия длительных перенапряжений ij . Недостатком указанного разрядника является возможность появления не соосности подвижного электрода с неподвижным за счет изменения микрорельефа контактной зоны первого токоввода с токопроводящим стержнем. вследствие чего изменяется .пробивное напряжение межэлектродного промежутк разрядц ка. Изменение ми; рорельефа контактных поверхностей обсулов ено явлением электрической эро- . зии, возникающей при разрыве цепи разрядного ;тока в момент нарушения контакта между токовводом и стержнем. Процесс разрыва цепи тока осуществляется в газовой среде, что способствует повышенной интенсивности разрушения поверхности. Кроме того, данный разрядник является достаточно сложным в изготовлении. Наиболее близким к предлагаемому является защитный разрядник, содержащий герметичный корпус, разделенный перегородкой с отверстием на два отсека, в одном из которых в газовой среде соосно расположены неподвижный заземленный электрод и подвижный электрод с термочувствительным приводом, установленный на указанной перегородке, неподвижные контакты, расположенные в другом отсеке корпуса в диэлектрической жидкости и соединенные подвижным токопроводящим мостиком, связанным с указанным подвижным электродом стержневым элементом, установленным соосно подвижному электроду. Термочувствительный привод выполнен в виде рабочей и возвратной пружин. Рабочая пружина выполнена из материала с эффектом памяти формы.. На перегородке закреплен сильфон, погруженный в диэлектрическую жидкость. Дно сильфона соединено с подвижным электродом с помощью изоляционного стержня, пропущенного через отверстие в перегородке. Кроме того, разрядник содержит неподвижный контакт, установленный снаружи сильфона напротив его дна, |В котором закреплен токопрсэводящий стержень, образующий раз.мыкающий контакт с другим неподвижным контакTOM. Сильфон с токопроводящим стержнем представляет собой токопроводящий мостик. Подвижный электрод и рабочая пружина его привода изолированы от токопроводящей перегородки корпуса, а возвратная пружина выполнена из материала с нелинейным электрическим сопротивлением.: Данный разрядник характеризуется повышенной надежностью работы в режиме воздействия кратковременных перенапряжений, достигнутой за счет устранения влияния сопровождающего то.,:а на термочувствительный привод подвижного электрода 2 . Недостатком известного разрядника является нестабильность пробивного напряжения в процессе эксплуатации, обусловленная изменением величины межэлектродного промежутка разрядника. Непостоянство величины межэлектродного промежутка вызвано изменением микрорельефа поверхности контактных поверхностей мостика и неподвижных контактов за счет явления эрозии материгша контактных площадок,возникающей при разрыве протекающего через них разрядного тока.

Поскольку при размыкании сила, сжимающая мостик и контакты, снижается до нуля, резко возрастают переходное сопротивление контакта и плотность тока в последней площадке контактирования. Площадка сильно разогревается и между расходящимися контактами образуется контактный перешеек из расплавленного металла, который в дальнейшем рвется. При этом в промежутке между контактами могут возникнуть различные формы электрического разряда - дуговой либо искровой в зависимости от соотношения величин тока и напряжения.

Под действием высокой температуры дуги или искры часть металла контактного перешейка испаряется, .часть разбрызгивается и выбрасывается из промежутка между контактами, а часть переносится с одного контакта на другой.

Помимо этого, износ контактов имеет место и при замыкании контактов и вызван их дребезгом в резуль-. тате упругой деформации материала обоих контактов.

Появление вследствие эрозии в контактной зоне хотя бы одного выступа влечет за собой уменьшение величины разрядного межзлектродного промежутка на высоту этого выступа, что вызывает соответствующее сниже-ние величины пробивного напряжения. Так как процесс изменения рельефа контактных площадок является случайным, то пробивное напряжение оказывается величиной, обладающей большим статическим разбросом. При некотором расстоянии между электродами пробивное напряжение может оказаться близким к максимальному рабочему напряжению цепи, что вызывает самопроизвольные пробои разрядника и срабатывание привода подвижного 3|Лектрода, приводящее к отключению защищаемого устройства в нормальных условиях эксплуатации.

Кроме того, к недостаткам известного разрядника следует отнести значительное время горения дуги в межэлектродном промежутке в момеит воздействия длительной волны перенапряжения, так как термочувствительный привод, имеющий сравнительно большую поверхность, расположен в пространстве относительно источники тепла так, что температура срабатывания достигается неодновременно на всей его поверхности, поскольку процесс переноса тепловой энергии происходит не мгновенно и с известными потерями. Поэтому длядостиже-. ния приводом необходимой температуры требуется большое количество тепловой энергии, поступающей из столба дуги, .т.е. большее время ее горения, а это, в свою очередь, обуславливает повышенную эрозию электродов.

неблагоприятно влияюшую. на стабильность пробивного напряжения и сокращающую срок службы разрядника.

Цель изобретения - повышение стабильности срабатывания разрядника.

Поставленная цель достигается тем, что в защитном разряднике, содержащем герметичный корпус, разделенный перегородкой с отверстием на два отсека, в одном из которых в газовой среде соосно расположены

0 неподвижный заземленньай электрод и подвижный электрод с термочувствительным приводом, установленный на перегородке, неподвижные контакты, расположенные в другом отсеке кор5пуса в диэлектрической жидкости и соединенные подвижным токопроводящим мостиком, связанным с указанным подвижным электродом стержневым элементом, установленным соосно подвиж0ному электроду., подвижный электрод выполнен в виде стержня, который закреплен в отверстии перегородки с помощью дополнительно введенного жестко закрепленного в перегородке

5 подшипника, стержневой элемент снабжен опорным подпятником и выполнен ; из токопровбдящего материала с нелинейньм электрическим сопротивлением, токопроводяищй мостик выполнен в виде гибких пластин, крестообразно

0 закрепленных на указанном стержневом элементе в плоскости, перпендикулярной к оси стержневого элемента,-, неподвижные контакты расположены в плоскости, перпендикулярной к

5 оси стержневого элемента и выполнены каждый с двумя контактными . площадками, образующими с соответствующими гибкими пластинами мостика скользящие контакты, термопривод

0 подвижного э.лектрода выполнен в виде четырех постоянных магнитов, равномернЬ расположенных по окружности вркруг подвижного электрода между указанной и дополнительно

5 введенной перегородками корпуса, ;И пластины с переменным радиусом кривизны из термомагнитного материала, обращенной вогнутой стороной к подвижному электроду, на котором она закреплена с помощью теплопро0водного держателяJ причем указанная пластина расположена напротив двух смежных постоянных магнитов термопривода, а перегородки корпуса выполнены из изоляционного материала.

5

Кроме того, между подвижным электродом и подшипником может быть уста новлена дополнительно введенная муфта из материала с низкой теплопроводностью.

0

Выполнение термочувствительного привода .в виде пластины термомагнитного сплава и введение постоянных магнитов позволяет осуществить перемещение подвижного электрода во- . круг своей оси, а связанной с ним

5 контактной системы - в плоскости, перпендикулярной к оси разрядного промежутка, чем устраняется влияние изменения микрорельефа контактных площадок на пробивное напряжение ра рядника, так как, во-первых, величина межэлектродного промежутка при перемещении подвижного электрода остается неизменной и, во-вторых, в момент разрыва электрической цепи последняя площадка контактирования оказывается расположенной на краю контакта, поэтому явление эрозии наблюдается в основном на периферий ных участках контакта. Контактный перешеек расплавленного металла вытягивается и затем рвется с образованием выступов в направлении, параллельном поверхности контакта, не оказывая влияния на рельеф места контактирования. На фиг. 1 изображен предлагаемый разрядник, общий вид; на фиг. 2 разрез А-А на фиг. 1; на фиг. 3 разрез Б-Б на фиг. 1; на фиг. 4 разрез, В-В на фиг. 1. Разрядник состоит из герметичного изоляционного к9Рпуса 1 цилиндри ческой формы, разделенного на три части с помощью основной изоляционной перегородки 2 с отверстием в центре и дополнительной изоляционной перегородки 3 с аналогично расположенным отверстием, основания 4, на котором закреплен неподвижный за земленный электрод 5, подвижного электрода 6 в виде стержня, пропущенного через отверстие в дополнительной перегородке 3 и образующего с электродом 5 разрядный промежуток Электрод 6.может быть выполнен из никеля с последующим нанесением на его поверхность окиси бария. Окись бария снижает работу выхода, увеличивает .скорость .разогрева элек трода при разряде, снижает и стабилизирует напряжение пробоя и предохраняет .электрод от разрушения. В отверстие основной перегородки 2 жестко установлен герметично выполненный подшипник 7, в который не подвижно вмонтирована металлическая муфта 8, жестко связанная с электродом 6 и изготовленная из материала, обладающего низкой теплопровод ностью, например титана. С противоположной стороны в муфту 8 прочно вставлен стержневой элемент 9, выполненный из материала с нелинейным электрическим сопротивлением, напри мер вилита. Другой конец элемента 9 снабжен опорным подпятником 10, который своим основанием в форме острия установлен на основании 11 разряд,вика, выполненном из изоляционного материала. На стенке корпуса 1 со стороны основания 11 установлены два диамет рально расположенных токоввода 12 и 13, каждый из которых имеет расположенный в корпусе 1 контакт, содержащий две контактные площадки 14 и 15, разнесенные относительно одна другой на 90° в плоскости, перпендакулярной к оси электродов 5 и б. Контактные площадки 14 и 15 связаны электрически с соответствующими токовводами посредством проводников 16, проложенных снаружи корпуса 1. На подпятнике 10 закреплены крестообразно расположенные четыре упругие пластины 17 j образукндие с контактными площадками 14 и 15 токовводов 12 и 13 скользящие контакты. Между основной 2 и дополнительной 3 перегородками разрядника установлены четыре постоянных магнита 18, разнесенных относительно один другого на 90°. К электроду 6 на участке между перегородками 2 и 3 против одного из постоянных магнитов 18 прикреплен держатель 19, материал которого обладает высокой теплопроводностью (например медь), содержащий на конце изогнутую пластину 20, выполненную из термомагнитного материала, имеющего низкую температуру Кюри, например никелево-цинкового феррита. Место соединения пластины 20 с держателем 19 расположено несимметрично относительно оси магнита 18, т.е. смеяцено на некоторое расстояние от оси (фиг. За). Это може± быть достигнуто за счет подбора необходимой кривизны плеч пластины 20, т.е. путем изменения величины зазора между магнитами таким образом, чтобы баланс магнитных сил, действующих на плечи пластины 20, наблюдался при нужной ориентации места соединения. Аналогичного ре-.. зультата можно добиться, например, путем подбора поперечного сечения йлеч пластины 20, т.е. площади их взаимодействия с магнитом. Система постоянных магнитов 18 и пластины 20 в совокупности образует термочувствительный привод электрода 6. Часть корпуса, в которой расположен разряд№1й промежуток, заполнена газом, например аргоном, а часть корпуса с контактной системой - диэлектрической жидкостью, электрическая прочность которой больше. про ности газа, например трансформаторным маслом. Разрядник работает следующим образом. В исходном положении упругие пластины. 17 образуют с контактными площадками 14 и 15 токовводов 12 и 13 скользящие контакты (фиг 4а). Токовводы 12 и.13 включены в рассечку электрической цепи, обеспечивая прохождение тока в защищаемое устройство. Термомагнитная пластина 20 расположена напротив одного из постоянных магнитов 18 и образует с ним сбалансированную магнитную пару (фиг. За). Электрод 5 заземлен, а н электрод 6 подано напряжение, меньшее пробивного - напряжения межэлект родного промежутка. В момент возникновения в электри ческой цепи кратковременного перенапряжения происходит пробой межэлектродного промежутка, шунтирующего защищаемое устройство, вследствие малого сопротивления канала разряда,.. предотвращая тем самым ег повреждение. После действия импульсной волны перенапряжения благодаря нелинейности вольтамперной характеристики стержневого элемента 9, имеющего вы сокое сопротивление при рабочем напряжении цепи, происходит ограничение сопровождающего тока, возможность прохождения которого через искровой промежуток определяется схе ными особенностями электрической це пи, в частности наличием устройства с заземленной нейтра1лью. В момент перекода сопровождающего тока через нулевое значение разряд Вмежэлектродном промежутке гаснет вследствие явления деиониза .ции. Электрическая прочность меж.электродного промежутка восстанавливается, обеспечивая дальнейшую нормальную работу защищаемого устройства. Из-за кратковременности горения электрического разряда тепловая энергия, выделяющаяся при этом, не юстаточна для нагревания термомагнитного материала до температуры Кюри, При длительной волне перенапряжения за счет горения дуги в межэлектродном промежутке происходит нагрев электрода 6. Тепловой поток от электрода 6 с помощью держателя 19 передается на участок термомагнитной пластины 20, расположенной напротив постоянного магнита 18. Поскольку процесс переноса теплово энергии обладает известной инерционностью, то достижение температур Кюри н людается только на локальн участке пластины 20, непосредствен связанном с держателем 19. Муфта 8 ограничивает проникновение теплового потока от электрод б к конструктивным элементам разря ника, увеличивая тем самым скорост разогрева пластины 20 и, Следовательно, сокращая время горения дугового разряда. В момент, когда температура ука занного участка полоски превысит температуру Кюри, сплав теряет сво ферромагнитные свойства; магнитная пара пластина 20 - магнит 18 оказы вается несбалансированной, поскольку под полюсом постоянного магнита 18 под одной его частью находится материал, чувствительный к магнитному полю, а под другой частью - нечувствительный к магнитному полю. Магнитный дисбаланс пары вызывает появление усилия, направленного на то, чтобы втянуть под полюс магнита 18 . оставшуюся часть пластины 20, чувствительную к магнитному полю. Этому способствует также сила притяжения соседнего магнита 18, действующая на периферийную часть пластины 20. При этом электрод.6 начинает поворачиваться вокруг своей оси, в результате чего происходит нарушение контакта пластин 17 с токовводами 12 и 13 и надежное прерывание электрической связи разрядника с аварийной цепью за счет высоких изоляционных свойств диэлектрической жидкасти. Разрыв электрической цепи осуществляется в среде диэлектрической жидкости, что способствует быстрому гашению разряда между контактами. Энергия магнитного поля расходуется в основном на преодоление упругой силы сцепления контактов, которая является незначительной за счет смазки маслом. Причем использование подшипника 7 и подпятника 10 с очень малой опорной площадью обеспечивает малый момент трогания электрода 6, способствуя увеличению чувствительности привода. Одновременно с поворотом электрода б гаснет дуга в межэлектродном промежутке, тем самым прекращается поступление тепловой энергии в термомагнитную пластину 20. Упругие пластины 17 устанавливаются точно между контактными площадками 14 и 15 токоввс1дов 12 и 13, поскольку магнитная пара вновь принимает устойчивое состояние вследствие равенства силы притяжения, действующей на оба плеча пластины 20 (фиг. 36 и 46) . Восстановление ферромагнитных свойств нейтрализованного участка пластины 20 осуществляется по мере его естественного, остывания. При этом вновь наступает дисбаланс сил, так как сила притяжения одного магнита 18 становится больше, чем сила притяжения другого магнита 18, поскольку над полюсом одного магнита 18 резко возрастает площадь взаимодействия с пластиной 20. Для достижения равновесного состояния пластина 20 приходит в движение, поворачивая электрод б, и ориентируется по отношению к полюсу магнита 18а так же, как и в начальный момент по отношению к магниту 18. При этом пластины 17 вновь восстанавливеиот электрическую связь разрядника с уже нор 1ально работающей цепью. Если же в момен т восстановления электрической связи .разрядника с цепью в ней сохранится перенапряжение, то вышеописанный процесс будет повторяться до тех пор, пока не исчезнет причина его вызывающая, т.е. аварийный режим цепи. Дополнительная перегородка 3 служит для защиты рабочих зазоров магнитной системы от попадания продукто эрозии в виде металлических микрочастиц, образующихся при возникновении сильноточных дуговых разрядов что может привести к изменению чувствительной магнитной системы. Таким образом, в режиме длительных перенапряжений происходит вращение электрода 6 в результате действия термомагнитного привода всегда в одном направлении (согласно чертежу по часовой стрелке). Этим достигается более равномерная эрозия эле тродов по всей их рабочей поверхности, что увеличивает стабильность ра рядных характеристик и обеспечивает более длительный срок службь разряд ника. В предлагаемом разряднике площад разогрева чувствительной к температуре пластины 20 может быть выбрана достаточно малой, причем необходимая температура срабатывания достигается одновременно на всей этой пл щади. Поэтому по сравнению с приводом известного разрядника для доД

А

JL

фигЛ стижения одной и той же температуры срабатывания (при прочих равных условиях) термомагнитному приводу требуется меньшее количество тепловой анергии, а следовательно, и меньшее время разрушительного действия дуги. Одновременно уменьшается и время прохождения разрядного тока через контакты токовводов, что также облегчает режим работы контактов. Предлагаемое изобретение позволяет по сравненик с известным повысить стабильность пробивного напряжения разрядника благодаря устранению влияния флуктуации микрорельефа контактной системы вследствие явления электрической эрозии, что дает возможность использования разрядника, например, в радиоэлектронной аппаратуре для защиты элементов, чувствительных к перегрузкам по напряжению; увеличить срок службы электродов.разрядника, дополнительно улучшить стабильность , пробивного напряжения за счет вращения подвижного электрода вокруг своей оси, обеспечивающую более равномерную эрозию электродов; снизить время горения дугового разряда и время прохождения через контакты разрядного тока путем повышения чувствительности привода за счет введения теплоизоляционной муфты и пространственной локализации чувствительного к температуре элемента.

) 1. ЗАЩИТНЫЙ РАЗРЯДНИК, содержащий герметичный корпус, разделенный -перегородкой с отверстием на два отсека, в одном из которых в газовой среде соосно расположены неподвижный заэемленный электрод и подвижный электрод с термочувствительным приводом, установленный на перегородке, неподвижные контакты, расположенные в другом отсеке корпуса в диэлектрической жидкости и соели1ненные подвижным токопроводящим мостиком, связаникйй с указанным подвижным электродом стержневым элементом/ установленнБМ соосно подвижному электроду, отличаю щ и йс я тем, что, с целью повышения стабильности срабатывания разрядника, подвижный электрод выполнен в виде стержня, который закреплен в отверстии перегородки с помощью дополнительно введенного жестко закрепленного в перегородке подшипника, стержневой элемент снабжен опоршдм подпятником и выполнен из токопроводящего материала с нелинейным электрическим сопротивлением, токопроводящий мостик выполнен в виде гибких пластин, крестообразно закрепленных на указанном стержневом элементе в плоскос.ти, перпендикулярной к оси стержневого- элемента, неподвижные контакты расположены в плоскости, перпендикулярной к оси стержневого элемента, и выполнены каждый с двумя контактными площадками, образующими с соответствующими гибкими пластинами мостика скользящие контакты, термопривод подвижного электрода выполиен в виде четырех постоянных магнитов, равномерно расположенных по окружности вокруг подвижного электрода (Л между указанной и дополнительно введенной перегородками корпуса, и пластины с переменным радиусом кривизны из термомагнитного материо1ла, обращенной вогнутой стороной к подвижному электроду, на котором она закреплена с помощью теплопроводного держателя, причем указанная пластина расположена напротив двух смежных ts; Ф ь постоянных магнитов термоприво да, а перегородки корпуса выполнены из изоляционного материала. 2. Разрядник по п. 1, отличающийся тем, что между вижньал электродом и подшипником установлена дополнительно введенная муфта из материала с низкой теплопроводностью .