Защитный разрядник Советский патент 1984 года по МПК H01T1/00 

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано для защиты устройств и элементов аппаратуры от воздействия опасных перенапряжений.

Известен защитный разрядник, содержащий герметичный корпус, разделенный перегородкой с отверстием на два отсека, в одном из которых в газовой среде расположен неподвижный заземленный электрод и подвижный злектрод с термочувствительным приводом, установленный с помощью подщипника в отверстии пеподвижггые контакты, расположенные в другом отсеке корпуса в диэлектрической жидкости и соединенные подвижным, токопроводящим мостиком, связанным с подвижным электродом стержневым элементом, установленным соосно с последним и выполненным из материала с нелинейным электрическим сопротивлением, а токопроводящий мостик выполнен в виде гибких пластин, крестообразно закрепленных на стержневом элементе в плоскости, перпендикулярной его оси, причем в этой же плоскости расположены указанные неподвижные контакты, образующие с соответствующими гибкими пластинами мостика скользящие контакты, а термопривод выполнен в виде четырех постоянных магнитов, равномерно установленных по окружности вокруг подвижного электрода, и пластины с переменным радиусом кривизны из термомагнитного сплава, прикрепленной с помощью теплопроводного держателя к подвижному электрюду. Разрядник обладает высокой стабильностью пробивного напряжения несмотря на то, что один из электродов подвижный 1.

Недостатком разрядника является низкое быстродействие в режиме после действия длительных перенапряжений, обуславливающее возможность длительного существования разрыва электрической цепи в результате срабатывания разрядника при воздействии длительных перенапряжений вследствие низкой скорости естественного охлаждения термочувствительного привода. Разрыв электрической цепи в режиме после действия перенапряжений влечет за собой ряд нежелательных последствий, характер и тяжесть которых зависит от назначения электрической цепи. Это может быть, например, уще(б от перерыва в электроснабжении, продолжительное прерьгеание линии связи и т.п.

Наиболее близким к предлагаемому является защитный разрядник, содержащий гермтичный изоляционный корпус с двумя токпроводящими основаниями, разделенный перегородкой с отверстием на два отсека.

в одном из которых в газовой среде соосно расположены заземленный злектрод, неподвижно закрепленный на первом из оснований, и высоковольтный электрод, установленный на перегородке, и термочувствительный привод, выполненный в виде токопроводящей рабочей пружины и элемента возврата, и расположенные в другом отсеке в дугогасите.Г1ьной жидкости токопроводящий

сильфон и неподвижные контакты, прилегающие к дну сильфона, в котором закреплей один конец стержня, пропущенного через отверстие в перегородке корпуса в первый отсек корпуса.

В разряднике рабочая пружина термопривода выполнены из материала с эффектом памяти формы, элемент возврата выполнен в виде пружины из материала с нелинейным электрическим сопротивлением, сильфон закреплен на перегородке корпуса, причем его дно выполнено с контактными элементами (выступами и щтырем), взаимодействующими с соответствутоцщми неподвижными контактами 2.

К недостаткам разрядника следует отнести низкое быстродействие, определяемое временем остывания термопривода до момента закорачивания электрической цепи, прежде разорванной подвижными контактами разрядника во время прохождения длительной волньг перенапряжения. Этим обуславливается пассивность работы разрядника, заключающаяся в том, что в период остывания термопривода до температзфы перехода разрядника в исходное состояние перенапряжение в цепи может прекратиться, что означает готовность цепи к дальнейшей нормальной работе.

Поскольку термопривод не достиг температуры срабатывания, цепь будет находиться в отключенном состоянии. Следовательно, некоторое время, зависящее от темпа естественного охлаждения привода, потребитель электроэнергии будет неработоспособным, что может вызвать серьезные последствия, напрИ; мер, продолжительное нарзтиенне телеграфной связи, прекращение работы различных электротехнических устройств.

Кроме того, разрядник обладает нестабильностью пробивного напряжения, обусловленной изменением величины междузлектродного промежутка при коммутациях контактов вследствие изменения микрорельефа контактных поверхностей мостика за счет явления злектроэрозни материала, из которого изготовлены указанные элементы разрядника.

Цель изобретения - повыщение быстродействия разрядника в режиме после действия Ш1ительных перенапряжении и повышение стабильности пробивного напряжения. Поставленная цель достигается тем, что в защитном разряштоке, содержащем герметичный изоляционный корпус с двумя токопроводящимй основаниями, разделенный перегородкой с отверстием на два отсека, в одном из которых в газовой среде созаземленный злектрод, осно расположены неподвижно закрепленный на первом из указанных оснований, и высоковольтный злектрод, установленный на перегородке, и термочувствительный привод, выполненный в виде токопроводящей рабочей пружины к злемента возврата и расположенные в другом отсеке корпуса в дугогасительной жидкости токопроводяший сильфон и непод вижные контакты, прилегающие к дну силь фона, в котором закреплен один конец стержня, пропущенного через отверстие в перегородке в первый отсек корпуса, дно сильфона выполнено в виде диска с отверстиями из материала с нелинейным электрическим сопротивлением, высоковольтный электропривод неподвижно закреплен на перегородке с помощью дополнительно введенного изоляционного цилиндра и выполнен в виде диска с обращенным внутрь изоляционного щшиндра центральным штыре на котором установлена рабочая пружина термопривода, опирающаяся на торец стерж ня, злемент возврата термопривода выполнен в виде неподвижно закрепленной на вы соковольтном электрода шайбы из термома нитного сплава, охватывающей рабочую пру жину термопривода, и взаимодействующую шайбой кольцевого постоянного магнита, в отверстии которого жестко закреплен другой конец стержня, выполненный в виде токопроводящей трубки, насаженной на конец штыря высоковольтного электрода, полость трубки сообщается с полостью сильфона, который закреплен на втором основании корпуса и находится в растянутом положении, причем трубка образует с центральным штырем высоковольтного электрода и рабочей пружиной термопривода размыкающий контакт, а сообщающиеся полос трубки и сильфона заполнены теплопоглощающей диэлектрической жидкостью. Поверхность шайбы из термомагнитного сплава, обращенная к постоянному магниту, выполнена развитой. Выполне{ше элемента возврата термопривода в виде подвижной системы, постоянны магнит которой связан с упругим сильфоно заполненньш теплопоглощающей жидкостью, позволяет по принципу поршня доставлять теплопоглошающую жидкость к поверхности TepMotjyBCTBHTenbHoro злемента привода, увеличивая интенсивность теплосъема, а значит и сокращая время безтоковой паузы в работе защищаемого устройства. Благодаря тому, что оба электрода неподвижны, достигнута высокая стабильность пробивного напряжения разрядника, поскольку перемещения подвижных элементов разрядника при срабатывании термопривода не оказьгеают влияния на величину межэлектродного промежутка. На фиг. I изображен защитный разрядник в исходном положении, общий вид, разрез; на фиг. 2 - то , после срабатывания термопривода. Разрядник состоит из герметичного изоляционного корпуса 1, разделенного на два отсека с помощью изоляционной пертородки 2 с центральным отверстием первого токопро водящего основания 3, на котором неподвижно установлен заземленный электрод 4 второго токопроводящего основания 5, диэлектрического цилиндра 6, закрепленного на перегородке 2 соосно с электродом 4 высоковольтного электрода 7, установленного на цилиндре 6 и выполненного из материала с высокой теплопроводностью в виде диска с центральным щтырем 8, обращенным внутрь цилиндра 6. У основания штыря 8 имеется кольцевая канавка, в которой закреплена цилиндрическая рабочая пружина 9 термочувствительного привода. Электроды 4 и 7 образуют разрядный промежуток. Внутри цилиндра 6. размещен элемент возврата термочувствительного привода, состоящий из шайбы 10, выполненной из термомагнитного материала, имеющего низкую температуру Кюри (например, никелево-цинкового феррита), и расположенного параллельно шайбе кольцевого постоянного магнита 11. Шайба 10 размещена снаружи пружины 9 и закреплена на электроде 7 с помощью, например, прижимных винтов 12, обеспечивающих плотный контакт между поверхностями, либо приклеиванием теплопроводным токопроводящим составом. Внешняя поверхность шайбы, обращенная к постоянному магниту 11, выполнена развитой, например, путем наиесеиия кольцевых проточек. Диаметр отверстия и высота шайбы 10 выбраны таким образом, что штырь 8 частично выступает над поверхностью шайбы, являясь направляющей при перемещениях пружины 9, которая при нажатии полностью утапливается в отверстии шайбы 10. Внутренний диаметр цилиндра 6 и внешний диаметр магнита 11 подобраны с высокой точностью, обеспечивающей достаточную свободу перемещения магнита и герметичность объема.

В отверстие магнита 11 впрессован пропущенный в отверстии перетородки 2 стержень, выполненный в виде токоироводящей 1рубки 13 с внутренним диаметром больше диаметра штыря 8. Противоположный конец трубки 13 закреплен в отверстии диска 14 из материала с нелинейным электрическим сопротивлением (например, вилита). Этот диск является дном упругого сильфона 15, жестко установленного на основании 5, внутренний объем которюго через заглушку 16 заполнен теплопоглощаюшей диэлектрической жидкостью (например, минеральным маслом, силиконовой жидкостью и т.д

На корпусе 1 в его отсеке со стороны основания 5 установлены над сильфоном два диаметрально расположенных упругих контакта 17 и 18, замкнутые на диск 14 и обеспечивающие электрическую связь разрядника с цепью.

Отсек корпуса с разрядным промежутком заполнен газом, а отсек с сильфоном - диэлектрической жидкостью, электрическая прочность которой выше прочности газа (например, трансформаторным маслом).

Разрядник работает следующим образом.

В исходном положении (фиг. 1) постоянный магнит 11 притянут к шайбе 10. При этом выступающая над поверхностью шайбы часть штыря 8 находится в трубке 13, а пружина 9 в сжатом состоянии размещается в отверстии шайбы 10 и образует с трубкой 13 электрический контакт.

Сильфон 15 растянут, благодаря чему гибкие контакты 17 и 18, включенные в рассечку электрической цепи, оказываются прижатыми к диску 14, создавая путь для протекания тока в защищаемое устройство. В этом состоянии охлаждающая жидкость полностью заполняет внутренний объем сильфон-трубка. Электрод 4 заземлен, а на электрод 7 подано напряжение через цепочку контакты 17 и 18 - диск 14 - трубка 13 - пружина 9. При этом величина действующего в цепи напряжения меньше пробивного напряжения разрядного промежутка между электродами 4 и 7.

Возтшкновение в электрической цепи кратковременного перенапряжения приводит к пробою разрядного промежутка, чем обеспечивается ограничение амплитуды перенапряжения до безопасного для защищаемого устройства уровня.

После действия импульсной волны перенапряжения за счет нелинейности вольт-амперной характеристики материала диска 14 происходит ограничение сопровождающего тока, возможность прохождения которого через

разрядный промежуток определяется схемными особенностями электрической цепи. В момент перехода тока через нулевое значение разряд в разрядном промежутке гаснет вследствие деионизации газа. Электрическая прочность промежутка восстанавливается, обеспечивая дальнейшую нормальную работу цепи.

Вследствие кратковременности горения

электрического разряда тепловая энергия, выделяющаяся при этом, недостаточна для нагревания термомагнитной шайбы 10.

.При длительном (квазистационарном) перенапряжении в результате достижения

шайбой 10 температуры Кюри материал ее теряет свои магнитные свойства, вследствие чего сила взаимодействия постоянного магнита 11 с шайбой 10 (РМЗГ.) резко падает, обеспечивая высвобождение потенциальной

энергии зшругой деформации пружины 9 и сильфона 15. При этом выполняется условие

где FQ , F.

-д, - СИЛЫ упругого расжатия пружины 9 и сжатия сильфона 15.

В результате происходит сжатие сильфона 15 и расжатие пружины 9, под действием чего постоянный магнит 11 начинает перемещаться вниз. Одновременно с этим внутренний объем сильфона сокращается, обеспечивая тем самым поступление теплопоглощающей жидкости в образовавшееся пространство между постоянным магнитом 11 и шайбой 10, обуславливая интенсивно ее охлаждение. Этому способствует сильно развитая поверхность шайбы, поскольку увеличена поверхность теплоотдачи.

Высота пружины 9 в свободном состоянии и штыря 8 подобраны так, что при дальнейшем перемещении магнита вниз происходит разрыв электрической связи между указанными элементами и трубкой 13 в среде диэлектрической жидкости.

Вместе с этим нарушается электрический контакт между упругими контактами 17-18 и диском 14, обеспечивая надежное прерывание электрической связи защищаемого устройства с аварийной цепью.

После снятия охлаждающей жидкостью тепла с шайбы 19 она восстанавливает свои магнитные свойства.

В результате притяжения магнита 11 к шайбе 10 осуществляется замыкание контактов 17-14, 18-14 и 9-13, разрядник приходит в исходное состояние с восстановлением работоспособности электрической цепи.

Если в момент перехода разрядника в исходное положение в цепи сохранится перенапряженис, то описанный процесс повторится с той лиил разшщсй, что время. Необходимое для достижетчя шайбой 10 температуры Кюри, уменьшается за счет ранее запасенного тепла.

Предлагаемый разрядник позволяет повысить быстродействие возврата в исходное положение на зтапе восстановления злектрической связи заишшаомого устройства с цепью за счет повышения темпа охлаждения элемента возврата термочувствительного привода по сравнению с известным, в котором

охлажде1ше обеспечивалось путем естественной конвекции в воздухе, а не с помощью жидкого теплопоглотителя. В результате сокращается время неработоспособности потребителей злектроэнергии различного назначения, что имеет важное зкономическое значение; сокращается длительность перерьгеа в работе линий связи. Кроме того, повышена стабильность параметров разрядника за счет постоянства величины межзлектродного промежутка при коммутациях элементов разрядника.

1. ЗАЩИТНЫЙ РАЗРЯДНИК, содержащий герметичный изоляционный корпус с двумя токопроводяшими основаниями, разделенный перегородкой с отверстием на два отсека, в одном из которых в газовой среде соосно расположены заземленный электрод, неподвижно закрепленный на первом из указанных оснований, высоковольтный электрод, установленный на перегородке, тер мочувствительный привод, выполненный в виде сжатой токопроводящей рабочей пружины и элемента возврата, и расположенные в другом отсеке корпуса в дугогасительной жидкости токопроводящий сильфон и неподвижные контакты, прилегающие к дну сильфона, в котором закреплен один конец стержня, пропущенного через отверстие в перегородке в первый отсек корпуса, о тличающийся тем, что, с целью повышения быстродействия возврата в исходное состояние в режиме после действия длительных перенапряжений и повышения стабильности пробивного напряжения, дно сильфона выполнено в виде диска с отверстием из материала с нелинейным электрическим сопрютивлением, высоковольтный электрод неподвижно закреплен на перегородке г, помоид ю дополнительно введенного изоляционного цилиндра и выполнен в виде диска с обращенным внутрь изоляционного цилиндра центральным штырем, на котором установлена рабочая пружина термопривода, опирающаяся на торец стержня, элемент возврата термопривода выполнен в виде неподвижно закрепленной на высоковольтном электроде шайбы из термомагнитного сплава, охватывающей рабочую пружину термопривода, и взаимодействующего с шайбой кольцевого постоянного магнита, в отверстии которого хсестко закреплен другой конец стерж ня, выполненный . в виде токопроводящей трубки, насаженной на конец штыря высоковольтного электрода, полость трубки сообшаегся с полостью сильфона, который закреплен на втором основании корпуса и находится в растянутом положении, причем трубка образует с центральным штьфем высоковольтного электрода и рабочей пружиной термопривода размыкающий контакт, а сообщающиеся полости трубки и сильфона :о заполнены теплопоглощающей диэлектричес00 кой жидкостью. 1 1чЭ 2. Разрядник по п. 1, отличающий с я тем, что поверхность шайбы из термомагнитного сплава, обращенная к постоянному магниту, вьшолнена развитой.