УСТРОЙСТВО ЗАЩИТЫ ОТ ИМПУЛЬСНЫХ ПЕРЕНАПРЯЖЕНИЙ

Область техники, к которой относится полезная модель
Настоящая полезная модель относится к электрическим устройствам для защиты от импульсных перенапряжений, например, грозовых, принцип действия которых основан на электрическом разряде.
Уровень техники
Из авторского свидетельства SU1461361 известно устройство защиты от импульсных перенапряжений, представляющее собой разрядную камеру, содержащую два электрода, между которыми размещен диэлектрический элемент с отверстием по его оси. Каждый электрод снабжен соосной отверстию цилиндрической диэлектрической вставкой с напыленным на нее слоем металла, обращенным к изолятору.
Импульсная разрядная камера используется следующим образом. После подачи импульса напряжения (или перенапряжения) пробивается разрядный промежуток в отверстии диэлектрического элемента, и по последовательной цепи из электродов, напыленного слоя металла и разрядного промежутка, образованного отверстием в диэлектрическом элементе, начинает течь ток. При протекании тока напыленный слой металла взрывается, и образуется токопроводящий плазменный слой. Этот слой соединяет электроды с разрядным промежутком, образованным в отверстии, к которому и передается энергия от источника питания.
Преимуществом такого разрядника является то, что вследствие ионизации паров сопротивление такого слоя становится значительно меньше сопротивления паров метала, из которого выполнены электроды, благодаря чему снижаются потери на нагрев, и увеличивается КПД передачи энергии. Кроме того, вследствие увеличения плотности тока увеличивается плотность энергии в разряде.
Недостатком такого разрядника является то, что гашение разряда происходит через весьма длительный промежуток времени, поскольку токопроводящий плазменный слой находится внутри разрядной камеры все время и поддерживает разряд даже при невысоких токах и напряжениях вследствие наличия в камере ионов напыленного металла. Кроме того, такая разрядная камера имеет высокое напряжение инициации разряда. Эти недостатки отрицательно сказываются на оборудовании, для защиты которого от перенапряжений может использоваться разрядная камера.
Раскрытие полезной модели
Задачей полезной модели является уменьшение длительности прохождения разряда в устройстве защиты от импульсных перенапряжений, для чего необходимо повысить величину тока, при которой заканчивается разряд, снижение порога срабатывания (пробоя) этого устройства, т.е. снижение величины перенапряжения, при котором происходит развитие (инициация) электрического разряда внутри устройства, а также повышение надежности разрядника путем снижения риска разрушения устройства из-за повышенного давления внутри разрядной камеры устройства с одновременным предотвращением выхода из устройства искр и других продуктов электрического разряда, и, дополнительно к этому и одновременно с этим, обеспечение компактности устройства защиты от импульсных перенапряжений и стабильности его рабочих параметров путем предотвращения изменения размеров разрядных зазоров и выноса искр продуктов электрического разряда из разрядной камеры.
Задача полезной модели решается с помощью устройства защиты от импульсных перенапряжений, состоящего из диэлектрического корпуса, включающего в себя цилиндрическую стенку, внешние плоские стенки и внутренние плоские стенки, кольцеобразных металлических основных электродов, размещенных в цилиндрическом корпусе и разделенных кольцеобразными диэлектрическими прокладками, между которыми размещен кольцеобразный металлический промежуточный электрод, клапанов, промежуточных камер и выхлопных камер, а также электрических металлических выводов, соединенных с основными электродами, проходящими через цилиндрическую стенку корпуса и расположенных снаружи корпуса. Основные электроды, диэлектрические прокладки и промежуточный электрод ограничивают разрядную камеру. Кроме того, основные электроды совместно с внутренними плоскими стенками корпуса и цилиндрическими стенками корпуса ограничивают промежуточные камеры, а внешние плоские стенки корпуса совместно с внутренними плоскими стенками корпуса и цилиндрическими стенками корпуса ограничивают выхлопные камеры. Промежуточный электрод выходит в разрядную камеру и формирует разрядные зазоры с основными электродами, каждый из которых меньше разрядного зазора между основными электродами. В основных электродах выполнены отверстия, которые закрыты клапанами, установленными в промежуточных камерах с возможностью выпускания газов из промежуточных камер в выхлопные камеры. Во внешних плоских стенках выполнены отверстия, обеспечивающие возможность выпускания газов из выхлопных камер в окружающее пространство. Отверстия в основных электродах и внешних плоских стенках выполнены в их центральных участках, а отверстия во внутренних плоских стенках выполнены в их периферийных участках.
Клапаны могут состоять из центральных упоров, имеющих размеры меньше размера отверстий в основных электродах, а также краевых пластин, установленных вокруг центрального упора и имеющих внешние размеры больше размера отверстий в основных электродах. Вышеуказанное устройство может быть размещено во внешнем корпусе, имеющем разъем для установки на DIN-рейку. Центральные участки внешних плоских стенок ограничены радиусом не более 50% или 30% или 20% от радиусов внешних плоских стенок, а периферийный участки внутренних плоских стенок ограничены радиусом не менее 50% или 70% или 80% от радиусов внутренних плоских стенок. Размеры отверстий во внешних и внутренних плоских стенках преимущественно составляют не более 10% или даже не более 5% от радиусов соответствующих плоских стенок, в которых выполнены эти отверстия.
Технический результат, достигаемый устройством защиты от импульсных перенапряжений в соответствии с полезной моделью, представляют собой одновременное повышение надежности разрядника и предотвращение выхода из устройства искр и других продуктов электрического разряда. Кроме того, одновременно с этим достигаются такие технические результаты, как уменьшение длительности прохождения разряда в устройстве защиты от импульсных перенапряжений, снижение порога срабатывания (пробоя) этого устройства, обеспечение компактности устройства защиты от импульсных перенапряжений и стабильности его рабочих параметров.
Уменьшение длительности прохождения разряда в устройстве защиты от импульсных перенапряжений обеспечивается тем, что разрядный зазор между основными электродами, в котором проходит и заканчивается основная разрядная дуга, имеет больший размер, чем разрядные зазоры между промежуточным электродом и основными электродами, в которых инициируется разряд. Это увеличивает длину разрядной дуги, в результате чего она имеет большее сопротивление и прерывается при более высоких токах разряда, чем в прототипе. Кроме того, увеличенный зазор повышает напряжение окончания разряда, вследствие чего при снижении перенапряжения разряд заканчивается раньше.
Снижение порога срабатывания (пробоя) этого устройства обеспечивается тем, что разрядные зазоры между промежуточным электродом и основными электродами, в которых инициируется разряд, имеют меньшие размеры, чем разрядный зазор между основными электродами, в котором проходит и гасится основная разрядная дуга. Вследствие этого снижается величина перенапряжения, при котором происходит развитие (инициация) электрического разряда внутри устройства.
Повышение надежности разрядника обеспечивается наличием отверстий в основных электродах, внешней и внутренней стенках корпуса, что обеспечивает возможность выхода газов из разрядной, промежуточный и выхлопной камер, вследствие чего снижается риск разрушения устройства из-за повышенного давления внутри разрядной камеры и других камер устройства. Кроме того, надежность разрядника обеспечивается тем, что инициация разряда в разрядной камере происходит в разрядных зазорах между промежуточным электродом и основными электродами, а основная разрядная дуга проходит и гасится между основными электродами, благодаря чему разрядные зазоры между промежуточным электродом и основными электродами остаются неизменными вследствие устранения воздействия на них (разрядные зазоры) основной разрядной дуги. Надежность разрядника также обеспечивается наличием клапана, который позволяет газам с продуктами разряда (искрами, сажей, копотью) выйти из разрядной камеры, но предотвращает попадание продуктов разряда обратно в разрядную камеру, вследствие чего разрядная камера остается чистой и сохраняет свою работоспособность и рабочие параметры при прохождении через нее множества импульсов перенапряжения и разрядов.
Предотвращение выхода из устройства искр и других продуктов электрического разряда обеспечивается тем, что разрядная камера отделена от окружающего пространства множеством элементов устройства: основными электродами, клапанами, внутренними и внешними плоскими стенками, а также промежуточными и выхлопными камерами, которые задерживают искры и другие продукты электрического разряда в промежуточных и выхлопных камерах на их стенках. Кроме того, предотвращение выхода из устройства искр и других продуктов электрического разряда также обеспечивается тем, что отверстия в основных электродах и внешних плоских стенках выполнены в их центральных участках, а отверстия во внутренних плоских стенках выполнены в их периферийных участках, благодаря чему удлиняется и искривляется путь выхода газов с искрами и другими продуктами электрического разряда из разрядной камеры в окружающее пространство, вследствие чего искры и другие продукты электрического разряда задерживаются в промежуточных и выхлопных камерах и оседают на их стенках.
Компактность устройства защиты от импульсных перенапряжений обеспечивается выполнением основных электродов металлическими, что исключает необходимость использования графитовых электродов в дополнение к металлическим электродам, которые осуществляли бы только подвод электрического напряжения лишь как металлические пластины. Компактность устройства также обеспечивается конфигурацией плоских промежуточных и выхлопных камер.
Стабильность рабочих параметров устройства защиты от импульсных перенапряжений обеспечивается применением трех электродов – двух основных и одного промежуточного – благодаря которым инициация разряда в разрядной камере происходит на разрядных зазорах между промежуточным электродом и основными электродами, а основная разрядная дуга проходит и гасится между основными электродами, что позволяет сохранять разрядные зазоры между промежуточным электродом и основными электродами неизменными вследствие устранения воздействия на них (разрядные зазоры) основной разрядной дуги. Стабильность рабочих параметров устройства также обеспечивается с помощью клапанов, через которые искры и другие продукты электрического разряда выносятся из разрядной камеры вследствие повышенного давления в разрядной камере, создаваемого разрядной дугой, и разрядная камера остается чистой.
Все указанные технические результаты достигаются с помощью устройства защиты от импульсных перенапряжений в соответствии с настоящей полезной моделью одновременно и неразрывно друг от друга.
Краткое описание чертежей
На фиг. 1 показан разрядник, содержащий разрядную камеру по полезной модели, в разрезе.
Осуществление полезной модели
Далее полезная модель поясняется со ссылкой на фиг. 1, на которой в разрезе показано устройство защиты от импульсных перенапряжений, содержащее в своем составе разрядную камеру в соответствии с настоящей полезной моделью. В представленной форме реализации устройство, разрядная камера и многие элементы имеют осевую симметрию и представляют собой или содержат круговые, дисковые или кольцеобразные элементы.
Как показано на фиг. 1, в диэлектрическом корпусе 1, включающем в себя цилиндрическую стенку, внешние плоские стенки 10 и внутренние плоские стенки 9, расположены металлические основные электроды 2 с металлическими выводами 6, которые имеют соединение с основными электродами 2 и выходят из корпуса 1 через его стенки наружу. Выводы 6 соединяются с внешней электрической цепью и подводят напряжение, а также импульсные перенапряжения к основным электродам 2, между которыми и происходит импульсный электрический разряд, обеспечивающий защиту от перенапряжений. Корпус выполнен из твердого и прочного диэлектрика, например, такого как полиэтилен, стеклотекстолит или другие виды пластика или других диэлектрических материалов.
Металлические плоские электроды 2 имеют кольцевую форму, что упрощает конструкцию устройства и обеспечивает его компактность (малогабаритность) ввиду отсутствия необходимости в дополнительных (например, графитовых) основных электродах. Графитовые электроды в дополнение к металлическим электродам обычно применяются для предотвращения изменения величины разрядного промежутка, а в предложенном устройстве воздействие на инициирующие разрядные зазоры между металлическими электродами 3 и 2 устранено тем, что основной разряд происходит между основными электродами 2 вдали от разрядных зазоров между металлическими электродами 3 и 2.
Кроме того, выполнение электродов 2 из металла обеспечивает долговечность работы устройства и стабильность его рабочих параметров, поскольку металлические электроды 2 имеют большую площадь и даже при частичном выгорании при прохождении между ними нескольких разрядных дуг в результате импульсных перенапряжений расстояние между ними остается неизменным на тех участках, где разрядные дуги не проходили. Кроме того, такая конструкция основных электродов 2 и выводов 6 также упрощает изготовление электродов, например, вырубкой штампом из листового металла элементов, представляющих собой объединенные между собой основные электроды 2 и выводы 6.
Основные электроды 2 разделены двумя диэлектрическими, например, фторопластовыми, полиэтиленовыми или из другого материала, прокладками 4, между которыми расположен промежуточный металлический электрод 3. Все они имеют кольцевую форму и вместе образуют разрядную камеру 5. Промежуточный электрод 3 выходит в разрядную камеру 5 и формирует разрядные зазоры с основными электродами 2, каждый из которых меньше разрядного зазора между основными электродами 2. Благодаря промежуточному электроду 3, отделенному от основных электродов 2 тонкими прокладками 4, обеспечивается низкое напряжение срабатывания разрядника, поскольку разрядные промежутки между промежуточным электродом 3 и каждым из основных электродов 2 имеют небольшую величину, определяемую толщиной прокладок 4.
Одновременно с низким напряжением начала разряда обеспечивается долговечность и надежность устройства, повышенные величины тока и напряжения гашения разряда и стабильность напряжения срабатывания разрядника ввиду того, что после инициации разрядов между промежуточным электродом 3 и основными электродами 2 за счет сил электромагнитного взаимодействия, процессов плазмообразования и снижения прикатодного падения напряжения происходит объединение инициирующих разрядных дуг в одну мощную разрядную дугу, которая проходит уже между основными электродами 2. Основные электроды 2 имеют большую толщину и площадь, чем промежуточный электрод 3, а также разделены между собой большим разрядным промежутком, чем разрядные промежутки между промежуточным и основными электродами, что обеспечивает долговечность и надежность устройства, а также повышенные ток и напряжение гашения разряда.
Стабильность напряжения срабатывания устройства, как один из важнейших его рабочих параметров, обеспечивается переходом разрядов из малых разрядных зазоров между промежуточным электродом 3 и каждым из основных электродов 2, в мощный разряд, удаленный от этих малых разрядных зазоров, благодаря чему на указанные малые зазоры (промежутки) не воздействует мощный разряд, который мог бы уменьшить или увеличить зазор или вообще устранить его вследствие спекания электродов из-за малого расстояния между ними и мощной разрядной дуги.
Основные электроды 2 имеют круглые отверстия 7 в их центральных участках, размеры которых меньше размеров круглых отверстий в промежуточных электродах 3 и прокладках 4. Через отверстия 7 в электродах 2 продукты разряда, в том числе искры, сажа, копоть, выходят в промежуточные камеры 11 корпуса 1. Со стороны камер 11 отверстия 7 закрыты эластичными и упругим клапанами 8, которые выпускают продукты разряда из разрядной камеры 5 в промежуточные камеры 11, а обратно ничего не пропускают.
Клапаны могут быть выполнены, например, из силиконовой резины, и содержат в одном из вариантов центральный упор, который упирается в стенку 9 и имеет диаметр меньше диаметра отверстия 7, а также краевые пластины, установленные вокруг центрального упора с прилеганием к основным электродам 2 и закрывающие отверстия 7. Для этого внешний диаметр краевых пластин должен быть больше диаметра отверстия 7. Механические свойства краевых пластин должны обеспечивать возможность их отгибания под воздействием повышенного давления, появляющегося в разрядной камере 5 при прохождении в ней электрического разряда.
Наличие клапанов 8 обеспечивает возможность многократного разряда, надежность устройства в целом и долгосрочную стабильность его рабочих параметров, поскольку продукты разряда, такие как искры, копоть, сажа, выносятся из разрядной камеры за счет повышенного давления, создаваемого разрядной дугой, а обратно не попадают, так как клапан 8 препятствует движению газов в разрядную камеру 5, которая благодаря этому остается чистой.
Промежуточные камеры 11 ограничены основными электродами 2, стенками 9 и цилиндрическими стенками корпуса 1. Промежуточные камеры 11 отделены стенками 9 от выхлопных камер 12, которые в свою очередь отделены от окружающего пространства стенками 10. В стенках 9 в краевых областях выполнены отверстия 13, которыми промежуточные камеры 11 соединены с выхлопными камерами 12. Выхлопные камеры соединены с окружающим пространством отверстиями 14, выполненными в центральных областях стенок 10. Наличие отверстий 7, 13 и 14 обеспечивает выход газов из разрядной камеры 5 в пространство, окружающее устройство, благодаря чему снижается давление как в разрядной камере 5, так и в промежуточных камерах 11 и выхлопных камерах 12, что обеспечивает надежность и долговечность устройства благодаря предотвращению его разрушения или изменения расположения его элементов вследствие высокого давления, вызываемого разрядом.
Благодаря тому, что отверстия 13 расположены в краевых (периферийных) областях, а отверстия 14 в центральных областях соответствующих стенок, причем отверстия 13 и 14 имеют малые размеры, предотвращается выход из разрядника продуктов разряда (искр, сажи, копоти и т.п.), которые оседают в камерах 11 и 12 из-за того, что путь выхода наружу удлинен и искривлен с помощью препятствий в виде стенок 9 и 10 с отверстиями в отличающихся областях стенок.
Центральные участки внешних плоских стенок могут быть ограничены радиусом не более 50% от радиусов внешних плоских стенок, а периферийный участки внутренних плоских стенок могут быть ограничены радиусом не менее 50% от радиусов внутренних плоских стенок. В таком варианте разнесение отверстий в разных стенках будет, но может иметь небольшую величину. Для большего предотвращения выхода искр из устройства центральные участки внешних плоских стенок могут быть ограничены радиусом не более 30% или даже не более 20% от радиусов внешних плоских стенок, а периферийный участки внутренних плоских стенок могут быть ограничены радиусом не менее 70% или даже не менее 80% от радиусов внутренних плоских стенок. Радиус стенки преимущественно меньше радиуса корпуса устройства на толщину цилиндрической стенки.
Размеры самих отверстий преимущественно составляют не более 10% или даже не более 5% от радиусов соответствующих плоских стенок, в которых выполнены эти отверстия. Такие размеры позволяют в большей степени обеспечить защиту от выхлопа искр. Таким образом, стенки 9 и 10 с отверстиями, выполненными с разнесением относительно центра-края стенок, выполняют роль фильтра, обеспечивающего выход из разрядника газа без продуктов разряда. При этом выход непосредственно газа (воздуха) необходим, чтобы разрядник не взорвался и сохранял свою работоспособность при множестве разрядов.
При подаче на выводы 6 импульса перенапряжения оно также попадает на основные электроды 2 внутри корпуса 1. Вследствие того, что промежуточный электрод 3 не соединен с основными электродами 2 и имеет отличающийся от них потенциал, а также из-за того, что разрядные зазоры между промежуточным электродом 3 и основными электродами 2 (задаваемые толщинами прокладок 4) меньше, чем расстояние между основными электродами 2, происходит пробой этих малых разрядных зазоров при величине перенапряжения, задаваемого величинами этих разрядных зазоров (и толщинами прокладок 4). Разряды происходят с образованием разрядных дуг.
Далее образовавшиеся малые разрядные дуги при дальнейшем росте тока в результате импульсного перенапряжения увеличиваются и объединяются, замыкая объединенной разрядной дугой основные электроды 2, минуя промежуточный электрод 3. Таким образом, основной разряд не воздействует на малые разрядные зазоры между промежуточным электродом 3 и основными электродами 2, обеспечивая тем самым стабильность напряжения инициации разряда. При этом благодаря разрядной дуге импульс перенапряжения проходит в предложенном устройстве, а не в защищаемом оборудовании, тем самым обеспечивая осуществление назначения устройства защиты от импульсных перенапряжений.
Вследствие прохождения разрядной дуги между основными электродами 2 в разрядной камере 5 растут температура и давление, и в некоторый момент, определяемый характеристиками клапанов, клапаны открываются, и газ с продуктами разряда, такими как искры, сажа, копоть, выносится из разрядной камеры 5 через отверстия 7 в промежуточные камеры 11, где продукты разряда частично оседают на внутренних стенках 9. Далее избыточный газ через отверстия 13 в стенках 9 стравливается в выхлопные камеры 12, в которых на внешних стенках 10 оседают остатки продуктов разряда, и избыточный газ, очищенный от них, выходит в окружающее пространство через отверстия 14. Тем самым устраняется как опасность разрушения устройства повышенным давлением, так и опасность выноса из устройства искр, которые могут неблагоприятно воздействовать на окружающее оборудование.
После окончания импульса перенапряжения разрядная дуга между основными электродами 2 гаснет быстрее, чем погасла бы разрядная дуга между промежуточным электродом 3 и основными электродами 2, а также быстрее, чем в прототипе и других подобных устройствах из уровня техники ввиду того, что расстояние между основными электродами 2 больше, чем расстояние между промежуточным электродом 3 и основными электродами 2, а также больше расстояния между электродами в устройствах из уровня техники, поскольку его величина должна соответствовать расстоянию между промежуточным электродом 3 и основными электродами 2 для обеспечения одного и того же напряжения инициации разряда.
Благодаря такой разнице расстояний между основными электродами 2 по сравнению с расстояниями между промежуточным электродом 3 и основными электродами 2 основная разрядная дуга погаснет быстрее, чем если бы в устройстве был только один разрядный зазор, в котором происходит как инициация, так и гашение разряда, как это выполнено в разряднике из уровня техники. При увеличенном размере разрядного зазора дуга не может самоподдерживаться при обычных штатных напряжениях работы после окончания импульса перенапряжения из-за увеличенной длины разрядной дуги, что соответствует повышенному сопротивлению разрядной дуги, а также повышенному напряжению разряда.
После самостоятельного гашения разрядной дуги и выноса из разрядной камеры излишнего газа с продуктами разрядной дуги устройство вновь готово к работе.
Описание реализации полезной модели дано в отношении устройства защиты от импульсных перенапряжений. Также устройство может быть использовано в составе устройства защиты, имеющего внешний корпус различных конструктивных исполнений, например, имеющего исполнение для крепления на стандартную рейку ТН 35 (ГОСТ Р МЭК 60715-2003) (также может называться DIN-рейка). То есть устройство по полезной модели может быть размещено во внешнем корпусе, имеющем разъем для установки на DIN-рейку.