Вентильный разрядник Советский патент 1982 года по МПК H01T5/00 

(5) ВЕНТИЛЬНЫЙ РАЗРЯДНИК

1

Изобретение относится к электротехнике, а именно к разрядникам, предназначенным для защиты электрических сетей от перенапряжений, и может быть использовано при конструи- , ровании вентильных разрядников.

Известны вентильные разрядники, содержащие последовательно соединенные искровые промежутки, образованные парами электродов, и нелинейные ю резисторы Г 13

Наиболее близким к предлагаемому является вентильный разрядник, содержащий последовательно соединенные ,, по крайней мере один нелинейный резистор и искровые промежутки, образованные парами роговых электродов, установленных в щелевых дугогасительных камерах со стенками из изо- 20 ляционного материала. В этом разряднике после пробоя дуга выдувается из искрового промежутка и движется, удлиняясь, по роговым электродам под

действием силы электромагнитного взаимодействия тока дуги с магнитным полем. Магнитное поле создается последовательно включенными катушками магнитного дутья 2,

В этом вентильном разряднике дугогасительная способность ограничена величиной удлинения дуг в плоских дугогасительных камерах. Кроме того, в цепь разрядника для создания магнитного.поля введены катушки ма1- нитного дутья, что усложняет его схему и конструкцию.

Целью изобретения является увеличение дугогасительной способности вентильного разрядника при одновременном упрощении его электрической схемы.

Указанная цель достигается тем, что в вентильном разряднике, содержащем последовательно соединенные по крайней мере один нелинейный резистор и искровые промежутки, образованные парами роговых электродов, установленных в щелевых дугогасительных камерах со стенками из изоляционного материала, дугогасительные камеры искровых промежутков выполнены едиными в виде винтовой лопасти, навитой на центральном цилинд ре, роговые электроды-искровых промежутков располоухены по винтовой линии между витками винтовой лопасти и закреплены на поверхности указанно го центрального цилиндра. Кроме того, для повышения пропускной способности разрядника нелинейный резистор можно включить между соседними искровыми промежутками. На фиг. 1 схематично изобрак ен вентильный разрядник,.общий вид,, диметрия, частичный разрез; на фиг.2 разрез А-А на фиг. 1; на фиг. 3 разрез Б-Б на фиг. 1. Вентильный разрядник содержит дугогасительнуга камеру 1 искровых промежутков,- стенки которой образованы винтовой лопастью 2,. располо : енной (навитой) на поверхности полого цент рального цилиндра 3 с малым шагом Д. (около 1-2 см и менее). -Лопасть 2 и цилиндр 3 можно изготовить из различ ных электроизоляционных материалов, например из пластмасс, таких как полисульфон, поликарбонат,.листьевая полиэтилентерефталатная смола (лавсан)/ методами литья или штамповки, .Возможно выполнение камеры 1 сборной из отдельных элементое. Винтовая полость дугогасительной камеры 1, выполняющая роль дугогасительной щели, имеет ширину h,,обычно около 1-6 8 зависимости Ът величины расчетного тока сопровождения разрядника. Толщина винтовой.лопасти равная ( Х h) определяется техноло гией изготовления и расчетным ресурсом работы разрядника и может состав лять около 2-10 мм. Размеры дугогасительной камеры 1: диаметр D, длина Н и диаметр централ ного цилиндра d определяются соотношениями t D - I V(t)-dt 1Г (ШЦ).У . Ш(А э4 fi:i:(t)-D где Е - напряженность электричес кого поля в винтовой дуге отнесенная к наружному краю этой дуги (к длине переднего фронта расширяющейся а радиальном направлении дуги); V(t) - радиальная скорость движения дуги; z(t) - индуктивность винтовой дуги;3(t) - ток сопровождения, являющиеся функциями времени t; и - амплитудное значение номинального напряжения защищаемой сети; - время гашения тока сопровождения . Величина d задает индуктивное сопротивление вентильного разрядника в момент пробоя и определяет (совместно с нелинейным последовательным сопротивлением) величину тока сопровождения в этотмомент. Можно выполнить вентильный разрядник даже с d О, при этом электровыводы к искровым промежуткам, например, для . подключения шунтирующих резисторов могут быть выполнены в теле винтовой лопасти 2, Внутри дугогасительной камеры 1 на поверхности центрального цилиндра 3 по винтовой линии расположены образующие искровые проме хутки пары роговых электродов , последовательно соединенные токопроводами 5- Для примера на фиг. 1 в пятом сверху витке дугогасительной камеры 1 показан искровой промежуток со своими роговыми электродами , а в третьем сверху витке - токопровод 5 с роговыми электродами соседних искровых промежутков. Роговые электроды предназначены для задания направления движения опорных пятен дуг 6 тока сопровождения, движущихся в винтовой полости дугогасительной камеры 1 в радиальном направлении под действием силы электромагнитного взаимодействия тока дуг 6 с магнитным полем разрядника. I После выхода дуг 6 отдельных искровых промежутков на концы своих роговых электродов Ц происходит их слияние в единую винтовую дугу 7. Дуги 6 и 7 на фиг. 1 для простоты показаны только в пятом витке. Длина роговых электродов Ц и высота их подъема в радиальном направлении определяют время работы токопроводов 5 и роговых электродов 4 отдельных искровых промежутков до слияния дуг 6 в единую дугу 7.

Для перемещения опорных пятен единой винтовой дуги 7 в процессе расширения этой дуги 6 в радиальном направлении в начале и конце винтовой полости дугогасительной камеры расположены входной 8 и выходной 9 роговые электроды разрядника, ориентированные радиально. К электроду 8 подключен ввод 10 разрядника, а к электроду 3 - нелинейный последовательный резистор 11 или непосредственно вывод 12 разрядника. Входной роговый электрод 8 разрядника электрически соединен с токопроводом 5 первого искрового промежутка, а выходной роговый электрод 9 - с токопроводом 5 последнего искрового промежутка.

На фиг. 2 для пояснения работы разрядника показано поло;: ение дуг 6 в двух моментах времени О и (5 и дуги 7. Положение дуги 6q соответствует начальному моменту горения дуги 6 на начальных участках роговых электродов h. Положение дуги 66 соответствует моменту подхода дуги 6 к концам роговых электродов t, когда происходит переброс одного ее кон |да (фиг. 2, штриховые линии) на входной роговый электрод 8 разрядника и слияние д угого ее конца с аналгичной дугой 66 второго искрового промежутка (фиг. 2, штриховые линии) дуги 7 соответствует некот.рому моменту расширения образовавшейся винтовой дуги, причем одно из опорных пятен этой дуги 7 перемещается по входному роговому электроду 8 разрядника.

Через отверстия 13 в стенке центрального цилиндра 3 к токопроводам 5 подключен параллельно первому искровому промежутку шунтирующий его резистор 1 для задания распределения потенциала по искровым промежуткам, расположенный во внутренней полости центрального цилиндра 3. Аналогично подключаются шунтирующие резисторы (или резисторы .и конденсаторы) к остальным искровым промежуткам.

На фиг. 3 представлен разрез вен.тильного разрядника в средней части дугогасительной камеры 1, показывающий электрическое соединение соседних искровых промежутков через нелинейный последовательный резистор (не

показан), шунтируемый при образовании единой винтовой дуги 7- Для этого к.участкам 15 и 1б одного из токопрхэводов 5 выполненного с разрывом, через отверстия 13 в стенке центрального цилиндра 3 подключены электровыводы 17 и 18, расположенные во внутренней полости центрального цилиндра 3, для подключения нелинейного резистора (не показан).

При положении 6 искровых промежутков, когда происходит их слияние в винтовую дугу 6, изменяется обтекание током сопровождения элементов разрядника (на фиг.З направление протекания тока указано стрелками). До слияния дуг ток протекает через нелинейный резистор (не показан), подключенный к электровыводам 17 и 18, после слияния дуг 6 в единую дугу 7 через этот резистор ток не протекает.

Для исключения пробоя между роговыми электродами соседних искровых промежутков или участками 15 и 16 токопровода, электрически соединенными через нелинейный последовательный резистор, подключенный к электровыводам 17 и 18, до момента слияния дуг 6 в единую дугу 7 целесообразно расположить между концами этих участков 15 и 1б токопровода 5 электрически соединенными через нелинейный последовательный резис.тор, подключенный к электровыводам 1 и 18, и примыкающими роговыми электро,дами Ц радиально ориентированную перегородку.винтовой полости, выполненную из электроизоляционного материала и имеющую высоту в радиальном направлении, несколько превышающую высоту расположения концов этих роговых электродов.

Электровыводы 17 и 18 к нелинейному последовательному резистору, если он располагается во внутренней полости центрального цилиндра 3. целесообразно выполнить винтовыми с направлением навивки, обратным навивке винтовой лопасти 2 дугогасительной камеры 1, и расположить во внутренней полости центрального цит линдра 3. Такое исполнение электровыводов 17 и 18 усиливает магнитное поле разрядника..Для повышения электрической прочности разрядника внутреннюю полость центрального цилиндpa,3 можно залить электроизоляционным материалом,, например смолой. Винтовую лопасть 2 дугогасительной камеры I целесообразно выполнить зигзагообразной в радиальном направлении для экранирования искровых промежутков от излучения отошедшей ду ги 6 или дуги 7 токасоп ровождения. Это способствует ускорению восстанов ления электрической прочности искровых промежутков, т.е. увеличению величины их пробивного напряжения до номинального значения. Вентильный разрядник работает сле дующим образом.. После пробоя искровых промежутков при наложении на разрядник перенапря жения через него,по винтовой линии протекает ток сопровомдения, что при водит к созданию продольного относительно оси дугогасительной камеры 1 магнитного поля. Иными словами, рас.положение электродов k искровых промежутков с токопроводами 5, их соеди няющими, по винтовой линии позволяет совместить их основные функции с функциями катушек магнитного дутья. Дуги 6, загорающиеся в искровых промежутках после их пробоя, в результате взаимодействия тока каждой дуги 6 с продольным магнитным полем разрядника двигаются в радиальном (наружу) и азимутальном (концы дуг 6 как бы напиваются в противоположные стороны на роговые электроды i) направлениях, эффективно удлиняясь. При выходе дуг 6 на концы роговых электродов А происходит их слияние в единую дугу 7 имеющую винтовую форму. Время от момента пробоя разт рядника до слияния дуг 6 зависит от длины и высоты подъема в радиальном направлении, роговых электродов Ц, что задает длину дуг 6, и тем самым их сопротивление на момент слияния, Слияние, дуг 6 приводит к шунтированию нелинейных последовательных ре зисторов, вкж)ченных между соседними искровыми промежутками, что приводит к скачкообразному уменьшению сопротивления разрядника в момент слияния дуг 6 и соответствующему увеличению тока сопровождения, отбираемого через разрядник из за1цищаемой сети, к увеличению пропускной способности разрядника и, тем самым, к ускорению снятия перенапряжения в этой сети. При этом энергия, рассеиваемая 538 в шунтируемых нелинейных резисторах, уменьшается, что позволяет уменьшить их габариты. Выполняя отдельные пары роговых электродов разной длины и высоты расположения их концов (и перегородок между ними) в радиальном направлении, можно задать разное время, шунтирования нелинейных последовательных резисторов разной величины, подключенных к этим роговым электродам А с помощью учостков 15 и 16 токопроводов 5 и электровыводов 17 и 18 с тем, чтобы соответствующие ступеньки на вольтамперной характеристике,разрядника располагались почти горизонтально. При этом требования к нелинейности самих нелинейных последовательных резисторов уменьшаются. После образования единой винтовой дуги 7 токопроводы 5 и роговые электроды k всех искровых промежутков выключаются из токовой цепи, что уменьшает их нагрев и износ. Образующаяся единая винтовая дуга 7 (плазменный соленоид) под действием собственного магнитного поля продолжает, удлиняясь, расширяться в радиальном направлении. При достижении длины винтовой дуги, соответствующей увеличению напряжения . на разряднике до необходимого уровня, определяемого напряжением и индуктивностью защищаемой сети, произойдет ее гашение, если избыточный заряд, поступивший в есть, отведен и переHJПpяиeниe снято. В противном случае винтовая дуга 7 будет продолжать расширяться, а напряжение на разряднике увеличиваться до возникновения повторного пробоя его искровых промежутков. При этом загораются дуги 6 о искровых проме хутках, шунтирующие дугу 7, в результате чего последняя гаснет. Процесс работы разрядника повторяется. Так как Ъ предлагаемом вентильном разряднике не требуется наличия паузы тока для гашения тока сопровождения, то он может использоваться в цепях как переменного, так и постоянного тока. Использование разрядников по изобретению для защиты электрического оборудования и сетей позволит повысить надежность их защиты путем уменьшения длительности и величины импульсов перенапряжений. Возникшая в предлагаемой конструкции разрядника винтовая форма расши99ряющейся в радиальном направлении единой дуги с малым значением шага (около 1-2 см и мзнее) обеспечивает более эффективное, чем в плоской конфигурации дугогасительной камеры, удлинение дуги, что повышает дугогасительную способность разрядника. Одновременно TiaKaH плотная (с малым шагом) винтовая дуга тока сопровождения разр1ядника обеспечивает наиболее эффективное использование собственного магнитного поля тока сопровождения разрядника. Это позволяет упростить схему разрядника за счет исключения катушек магнитного дутья с их защитными обходными искровыми промежутками. К тому же уменьшается нагрев токопроводов и эрозионный износ роговых электродов искровых промежутков в результате уменьшения времени их работы (до слияния дуг в единую винтовую дугу). Шунтирование нелинейного последовательного резистора (или резисторов при достик ении дугами искровых промежутков заданной длины и, соответственно, сопротивления (длина дуг перед слиянием определяется расположениеми длиной роговых электродов соседних искровых промежутков) позволяет повысить пропускную способность разрядника (повысить нелинейность его вольт амперной характеристики) и уменьшить величину энергии, рассеиваемой, в этом 3 резисторе, вследствие уменьшения мени его работы. формула изобретения 1.Вентильный разрядник, содержащий последовательно соединенные по крайней мере один нелинейный резистор и искровые промежутки, образованные парами роговых электродов, установленных в щелевых дугогасительных камерах со стенками из изоляционного материала, отличающийся тем, что, с целью повышения дугогасительной способности, дугогасительные камеры искровых промежутков выполнены едиными в виде винтовой лопасти,навитой на центральном цилиндре, роговые электроды искровых промежутков расположены по винтовой линии между витками винтовой .лопасти и закреплены на поверхности указанного центрального цилиндра. 2.Разрядник по п. 1, о т л и чающийся тем, что, с целью повышения пропускной способности, нелинейный резистор включен между соседними искровыми промежутками. Источники,информации, принятые во внимание при экспертизе 1.Шишман Д.В. и др. Вентильные разрядники высокого напрпжения. Л., Энергия, 1971, с. 151. 2.Патент США № ЗбПО 5. кл. 317-7, 1972.