ОТКРЫТЫЙ РАЗРЯДНИК С НАКЛОННЫМ СРЕЗОМ ВЫХОДА
OPEN ARRESTER WITH OUTLET OBLIQUE SECTION

Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение относится к электротехнике, в частности к устройствам защиты электрооборудования, в том числе линий электропередач, с помощью разрядников.
Уровень техники
Из международной заявки WO 2010082861 известен разрядник, содержащий разрядные камеры, выполненные из диэлектрического материала, в которых установлены электроды с образованием разрядных промежутков. Разрядные камеры содержат выходные каналы, соединяющие разрядные промежутки с наружной поверхностью разрядника. Разрядные камеры размещены рядом друг с другом и последовательно соединены.
При подаче на электроды разрядных камер импульса перенапряжения в разрядных камерах последовательно пробиваются разрядные промежутки и образуются разрядные дуги. Дуги нагревают воздух около себя и, как результат, в разрядных камерах поднимается давление, которое способствует выносу разрядных дуг по выходному каналу наружу из разрядных камер, где разрядные дуги затем охлаждаются и гасятся.
Вследствие разбиения разрядного промежутка на несколько последовательно соединенных разрядных промежутков величина перенапряжения для каждой отдельной разрядной камеры оказывается меньше прикладываемого к разряднику перенапряжения в число, соответствующее количеству разрядных камер. Благодаря этому упрощается гашение дуг после окончания импульса перенапряжения, а также снижаются требования по механической и электрической прочности к материалам, которые используются при изготовлении разрядных камер и разрядника в целом.
В то же время при проектировании и изготовлении таких разрядников необходимо учитывать пространственные факторы для предотвращения слияния отдельных разрядных дуг в одну, поскольку в таком случае будут теряться преимущества вышеописанного разрядника. С целью предотвращения такого слияния разрядные камеры могут разноситься вдоль разрядника на безопасные расстояния, однако это увеличивает размеры разрядника, что ухудшает свойства разрядника и не всегда допустимо.
Раскрытие изобретения
Задачей настоящего изобретения является создание такой разрядной камеры, которая при объединении с подобными или другими разрядными камерами в разрядник с последовательными разрядными промежутками предотвращала объединение отдельных разрядных дуг из разрядных камер в одну. При этом необходимо предотвратить увеличение размеров разрядника, то есть разрядник должен иметь размеры не более, чем если бы он был составлен из разрядных камер, не содержащих средств для предотвращения слияния разрядных дуг.
Задача настоящего изобретения решается с помощью разрядника, выполненного с использованием диэлектрического материала с формированием разрядной камеры внутри разрядника и содержащего разрядные электроды, выходящие в разрядную камеру с образованием в ней разрядного промежутка между электродами, и выходной канал, соединяющий разрядную камеру с наружной поверхностью разрядника.
Отличительным признаком настоящего изобретения является то, что окончание стенки выходного канала с одной из сторон по периметру отверстия, образующего выходной канал, находится ближе к разрядной камере (в т.ч. к электродам и разрядному промежутку) вдоль средней линии выходного канала, чем окончание стенки выходного канала с противоположной стороны периметра отверстия, образующего выходной канал. В предпочтительном варианте поверхность снаружи разрядника, на которую выходит выходной канал, расположена под углом от 85 до 30° (т.е. под наклоном, не перпендикулярно) к средней линии выходного канала или имеет нелинейную форму.
В преимущественном варианте выполнения изобретения разрядник включает в себя несколько разрядных камер, электроды которых соединены и/или выходят в две соседние разрядные камеры с образованием последовательно соединенных разрядных промежутков. В предпочтительном варианте выполнения разрядника направления, в которых между окончаниями противоположных стенок выходного канала вдоль средней линий выходных каналов из двух или более разрядных камер предусмотрены наибольшие расстояния, направлены в разные стороны, преимущественно в секторах ±45°, или ±30°, или ±15° относительно перпендикуляра к линии разрядника, вдоль которой размещены разрядные камеры (электроды). В другом предпочтительном варианте расстояния между окончаниями противоположных стенок выходного канала вдоль средней линий выходных каналов различаются для двух или более выходных каналов.
Задача настоящего изобретения может решаться с помощью изолятора-разрядника и экрана-разрядника, которые содержат в своем составе разрядник в соответствии с одним или более вышеописанным вариантом.
Технический результат настоящего изобретения заключается в том, что разрядная дуга при выходе из выходного канала в соответствии с вышеописанными вариантами отклоняется от направления выходного канала (его средней линии) и, как следствие, распространяется в направлении, отличающемся от направления распространения разрядной дуги из соседней разрядной камеры. В результате этого разрядные дуги из разных каналов проходят в разных местах и не имеют соприкосновений, что исключает слияние этих разрядных дуг в одну. При этом размеры разрядника не увеличиваются, так как объединение разрядных дуг предотвращается за счет формы выходных отверстий выходных каналов разрядных камер.
Краткое описание чертежей
На фиг. 1 показан разрядник в соответствии с настоящим изобретением с одной разрядной камерой.
На фиг. 2 показан разрядник в соответствии с настоящим изобретением с одной разрядной камерой в разрезе.
На фиг. 3 показан разрядник в соответствии с настоящим изобретением с несколькими последовательно соединенными разрядными камерами.
Осуществление изобретения
На фиг. 1 показан пример выполнения разрядника с одной разрядной камерой. Разрядник 1 изготовлен с использованием диэлектрического материала, например силиконовой резины или другого полимерного, органического или неорганического материала. Внутри разрядника 1, в диэлектрическом материале, как показано на фиг. 2, размещены разрядные электроды 2, которые в данном варианте выполнения изобретения, показанном на фиг. 1 и 2, также выходят из разрядника 1 для соединения с другими разрядными камерами или проводниками, подводящими перенапряжение к разряднику. Электроды 2 входят в разрядную камеру, расположенную внутри разрядника 1, и образуют в ней разрядный промежуток 8, показанный на фиг. 2, между электродами 1. Разрядник также имеет выходной канал 4, соединяющий объем разрядной камеры, в котором расположен разрядный промежуток 8, с наружной поверхностью разрядника. Выходной канал 4 ограничен выходной втулкой 3, присоединенной к разряднику 1.
В соответствии с изобретением окончание стенки выходного канала с одной из сторон по периметру отверстия, образующего выходной канал, находится ближе к разрядной камере (разрядному промежутку) вдоль средней линии выходного канала, чем окончание части стенки выходного канала с противоположной стороны периметра отверстия, образующего выходной канал. В вариантах, показанных на фиг. 1 и 2, это реализуется с помощью срезов 5 (фиг. 1) и 6 (фиг. 2) выходной втулки 3, под наклоном (т.е. под углом от 85° до 30°, а не перпендикулярно) к ее продольной средней линии (средней линии канала). Срезы 5 и 6, показанные на фиг. 1 и 2, наклонены в разных направлениях в целях демонстрации возможности различного направления выхлопа 9 из разрядной камеры за счет того, что разность между окончаниями каналов имеет максимальное значение в разных направлениях.
Благодаря наклонному срезу стенка канала на разных участках вдоль периметра образующей канал фигуры (на фиг. 1 и 2 это окружность) имеет разную длину. В разрезе разрядника на фиг. 2 можно увидеть, что эта разность представляет собой отрезок 7. Благодаря этому отрезку, на котором одна часть стенки есть, а противоположная отсутствует, и удается отклонить выхлоп разряда 9 в сторону. Происходит это следующим образом.
Когда разрядная дуга, образовавшаяся в разрядной камере 1 в разрядном промежутке 8 между электродами 2, под действием давления, повышенного в результате нагрева дугой воздуха в разрядной камере, перемещается по выходному каналу 4 наружу разрядника 1, при выходе из выходного канала 4 начинает отклоняться в сторону от средней линии канала, так как одна из стенок канала заканчивается раньше по направлению к выходу из канала, чем другая, и давление разрядной дуги на одну из стенок канала (участок 7) перестает компенсироваться давлением на другую, в отличие от того, как это происходит внутри канала 4.
Под стенкой канала в данном случае понимается одна из сторон общей стенки канала. Соответственно, сравнение положений окончаний канала осуществляется для двух противоположных частей канала, проходящих вдоль него и для простоты понимания называемых стенками. Эти стенки могут быть выделены объективно благодаря особенностям строения канала, при которых в нем можно найти углы между стенками в том случае, если форма отверстия, образующего канал, является, например, прямоугольной, квадратной, ромбической, параллелепипедной, треугольной или формой, образованной пересечением двух или более кривых.
В другом варианте, когда стенка канала не имеет углов и образована гладкой поверхностью, как, например, в том случае, когда форма отверстия, образующего канал, является круглой, эллиптической или другой формой, образованной пересечением прямых или кривых с закруглениями, части стенки могут быть выделены лишь воображаемо, например, по таким факторам, как расположение окончания выходного канала по отношению к разрядной камере и/или средней линии канала. В целях настоящего изобретения имеет смысл выделение тех частей стенки, окончание которых по отношению к разрядной камере различается (предпочтительно максимально).
Эти части стенки могут быть воображаемо или с помощью нанесенных на стенку линий отделены друг от друга по линиям, проходящим вдоль канала в тех местах, где окончания стенки находятся на одинаковом расстоянии от разрядной камеры, или образуемых пересечением плоскостью или поверхностью, проходящей через среднюю линию и/или линии, проходящие вдоль канала в тех местах, где окончания стенки находятся на одинаковом расстоянии от разрядной камеры, так, что окончания разделенных (воображаемо или линиями) частей стенок находятся на разных (предпочтительно максимально разных) расстояниях от разрядной камеры. Таки части стенки сами по себе могут называться стенками канала.
Величина отклонения разрядной дуги («выхлопа») на выходе из канала от средней линии (направления) канала зависит от величины разности расстояния, на котором окончания стенок канала отстоят от разрядной камеры, и площади той стенки, окончание которой находится дальше, на том участке, на котором другая стенка уже закончилась. Этот участок может ограничиваться линией, плоскостью или поверхностью, проходящей через окончание короткой стенки и, например, среднюю линию канала (перпендикулярно средней линии).
В том случае, если канал оканчивается на одинаковом расстоянии от разрядной камеры для всех частей стенки, отклонения разрядной дуги от средней линии (направления канала) не будет - так происходит в разрядниках из уровня техники. При окончании стенок канала на разных расстояниях от разрядной камеры разрядная дуга при выходе из канала будет отклоняться. В том случае, если разрядные камеры с такими разными каналами будут расположены рядом, их разрядные дуги (выхлопы) будут распространяться в разных направлениях - одна вдоль средней линии канала, другая под углом - и объединение разрядных дуг происходить не будет, как это было бы для разрядника из уровня техники, в котором разрядные дуги перемещаются в одном и том же направлении.
Предполагается, что разрядные камеры в случае разрядника, содержащего несколько разрядных камер, соединены последовательно и их выходные каналы располагаются параллельно или веерообразно - в этом случае достигаются наименьшие размеры такого разрядника. Если бы каналы из разрядных камер были направлены в разные стороны, то разрядные дуги также выходили бы из них в разных направлениях, однако при этом размеры разрядника увеличились бы, поскольку расположение выходных каналов под углом требует большего места. Таким образом, при условии неувеличения размеров разрядника (а именно такое условие стоит в задаче изобретения) отклонение разрядных дуг возможно только за счет разности расположения окончаний стенок выходного канала, так как выходные каналы должны быть параллельны.
Измерение расстояния до конца стенок выходного канала осуществляется от разрядной камеры. При этом необходимо отметить, что такие измерения должны осуществляться от точки входа (выхода) средней линии выходного канала в (из) разрядную камеру, поскольку при других способах измерений может получиться так, что расстояния от разрядной камеры до конца стенок выходного канала различаются, но концы стенок при этом находятся на одной линии или плоскости или поверхности, перпендикулярной средней линии канала - такое возможно, например, если канал расположен с наклоном к поверхности разрядной камеры, из которой он выходит, а расстояние меряется от точек соединения стенок канала с поверхностью разрядной камеры.
Несмотря на то, что настоящее изобретение в основном предназначено для использования в разряднике, имеющем несколько последовательно соединенных разрядных камер, оно также может использоваться и в разряднике, имеющем одну разрядную камеру. Такой разрядник, во-первых, может использоваться для соединения с другими разрядниками с целью формирования разрядника с несколькими последовательно соединенными разрядными камерами, а во-вторых, может использоваться сам по себе в таких приложениях, где требуется отклонение разрядной дуги от направления выходного канала (его средней линии). Такие приложения могут быть, например, в электротехнических устройствах с плотной компоновкой, не позволяющей разместить разрядник так, чтобы выходной канал выходил прямо в свободное пространство, а только лишь под углом к такому положению - в таких случаях отклонение направления распространения разрядной дуги после выхода из канала позволит удовлетворить как требования по компоновке устройства, так и требования по электробезопасности.
Разность в расстоянии между окончаниями стенок и разрядной камерой может быть обеспечена разными способам, из которых предпочтительными являются выполнение поверхность снаружи разрядника, на которую выходит выходной канал, с наклоном к средней линии выходного канала, или с нелинейной формой. Выполнение наклонных поверхностей около выходов каналов показано на фиг. 3
В показанном на фиг. 3 варианте разрядник включает в себя несколько разрядных камер, выполненных внутри диэлектрического тела 10. Электроды разрядных камер могут быть соединены, например, в том случае, если электродами соединяются отдельные разрядные камеры. В другом варианте электроды могут выходить в две соседние разрядные камеры, например, в том случае, если разрядник формируется размещением электродов в диэлектрике 10 с отделением от поверхности слоем диэлектрика, в котором выполнены выходные каналы 11 от разрядной камеры между электродами наружу диэлектрика. Общим для всех этих вариантов реализации является то, что такой разрядник формируется с образованием последовательно соединенных разрядных промежутков.
В таких разрядниках реализация преимуществ настоящего изобретения возможна двумя способами. Во-первых, направления, в которых между окончаниями противоположных стенок выходного канала вдоль средней линий выходных каналов из двух или более разрядных камер предусмотрены наибольшие расстояния, могут быть направлены в разные стороны, преимущественно в секторах ±45°, или ±30°, или ±15° относительно перпендикуляра к линии разрядника, вдоль которой размещены разрядные камеры (электроды). Во вторых, расстояния между окончаниями противоположных стенок выходного канала вдоль средней линий выходных каналов могут различаться для двух или более выходных каналов. В обоих этих случаях направления перемещения разрядной дуги вне выходного канала будут различаться для разрядных камер, выходные каналы которых имеют такие отличия.
В предпочтительном варианте осуществления направления распространения разрядной дуги после ее выхода из выходного канала различаются для соседних разрядных камер. Этому варианту выполнения соответствует в том числе разрядник, показанный на фиг. 3 - выходы соседних каналов 11 имеют поверхности 12 и 13, наклоненные в разные стороны. Благодаря этому направления распространения разрядной дуги различаются не только для отдаленных друг от друга разрядных камер, но и соседних, предотвращается образование общей дуги и для соседних камер. Это особенно важно по той причине, что разрядные дуги наиболее склонны сливаться в одну как раз у соседних разрядных камер.
Разрядники в любом из описанных в настоящей заявке вариантов могут использоваться в составе изолятора-разрядника, описанного, например, в международных заявках WO 2009120114 и WO 2010082861. В частности, разрядник может быть установлен на изоляторе на его изоляционном теле, в том числе на ребрах изоляционного тела, или других разрядниках, или защищаемых элементах электрической техники, как это описано в патентах RU 2107963, RU 2299508, RU 2470430, RU 111342, RU 142989. Кроме того, разрядники в любом из описанных в настоящей заявке вариантов могут использоваться в составе экрана-разрядника, различные варианты выполнения которого можно найти в международных заявках WO 2015167359 и WO 2015167360.
Указанные изоляторы-разрядники и экраны разрядники, так же как и разрядники в соответствии с настоящим изобретением, сами по себе могут использоваться для защиты от грозовых перенапряжений линий электропередачи или другого электрооборудования. Использование изолятора-разрядника позволяет исключить размещение разрядников в дополнение к обычным изоляторам. Использованием экрана-разрядника устраняет необходимость в дополнительных разрядниках или изоляторах-разрядниках при их установке вместо обычных экранов, защищающих электрооборудование от коронных разрядов.
Разрядники в соответствии с настоящим изобретением могут иметь множество модификаций. Например, из отдельных разрядников может быть собрана колонка разрядников с параллельным подключением электрических сопротивлений (постоянных или нелинейных, например, варисторов), как это описано в патенте RU 2191454. Электроды разрядников могут иметь различную форму: пластина, стержень, шарообразная, со срезами, полостями, выступами или углублениями - в любых вариантах и комбинациях, описанных в таких документах, как WO 2009120114, WO 2010082861, RU 109925, RU 111359, RU 136928, ЕА 201400927.
Разрядные промежутки также могут быть реализованы в различных вариантах и комбинациях: расходящимися, с выступами или углублениями, с разделителями и/или пластинами, направляющими элементами, разделителями, щелями и т.п. При реализации настоящего изобретения могут быть реализованы разрядные камеры с любыми формами, элементами, размерами и их соотношениями, а также различными наполнителями (такими как вода и другие), описанными в патентах RU 2457592, RU 2510651, RU 2521771, RU 111719 и публикациях ЕА 201300448 и ЕА 201401106. Некоторые или все разрядные камеры могут быть усилены с помощью силовых оболочек, как это описано в патенте ЕА 016980, или снабжены напорными камерами, обеспечивающими дополнительные условия для выноса разрядных дуг из разрядных камер.
Разрядные камеры могут быть выполнены отдельными изделиями, которые могут затем соединяться и при необходимости регулироваться, как это описано в патентах RU 2548169 и RU 2549361. В других вариантах разрядные камеры могут образовываться путем размещения промежуточных электродов в едином для нескольких разрядных камер диэлектрическом элементе, как это описано в таких документах, как RU 2535197, WO 2009120114 и WO 2010082861.
Описанные варианты модификации разрядников представлены в целях создания представления о возможностях гибкого использования настоящего изобретения и не предназначены для ограничения его сущности и объема охраны, которые определяются последующей формулой изобретения.