РАЗРЯДНИК ДЛЯ ЗАЩИТЫ ОТ ПЕРЕНАПРЯЖЕНИЙ
ARRESTER FOR OVERVOLTAGE PROTECTION

Изобретение относится к решетчатому разряднику для защиты от перенапряжений, известному, например, из JP 63-312602. Разрядники для защиты от перенапряжений обычно устанавливаются в системах электроснабжения на участке между токоведущими проводами и массой для того, чтобы в случае перенапряжения в линии это перенапряжение можно было бы отвести на массу и таким образом защитить другие детали электрической сети. Такой разрядник для защиты от перенапряжений содержит столбик варисторных блоков, расположенный между двумя присоединительными элементами. Такое устройство размещают в наружном корпусе.
Разрядники для защиты от перенапряжений способны отводить надежно и произвольно часто на массу перенапряжения в пределах их расчетного диапазона. Варисторные блоки, представляющие собой обычно элементы из оксида цинка и керамики, обладают способностью сохранять неизменным свое электрическое сопротивление независимо от напряжения. Т.е. при величине напряжения ниже порогового варисторные блоки являются хорошими изоляторами. Однако выше этого напряжения они обладают хорошей электропроводностью.
Правда, в случае попадания молнии вблизи разрядника или при обрыве проводов высоковольтной линии может случиться так, что разрядник для защиты от перенапряжений будет нагружен существенно больше расчетного диапазона. Это приводит к пробою твердого тела варисторных блоков и к необратимому повреждению разрядника. В этом случае в разряднике для защиты от перенапряжений выделяется большое количество энергии, что сопровождается очень высоким ростом температуры и давления. Для того чтобы тем не менее гарантировать надежный режим работы, необходимо, чтобы при таком событии не разлетались далеко осколки значительных размеров как наружного корпуса, так и материала варисторных блоков.
В настоящее время традиционно применяются две разные концепции выполнения наружного корпуса. С одной стороны, имеются трубчатые разрядники для защиты от перенапряжений, в которых активные компоненты расположены в трубе, например, из керамики или формоустойчивой пластмассы. При этом внутренняя часть наружного корпуса заполнена газовым объемом. Наружный корпус таких разрядников для защиты от перенапряжений дополнительно снабжен отверстием для выпуска газа, через которое при перегрузке может выходить горячая плазма, тем самым предупреждается рост давления внутри наружного корпуса. В таких разрядниках для защиты от перенапряжений наружный корпус остается, как правило, неповрежденным при перегрузке.
С другой стороны, имеются разрядники для защиты от перенапряжений, в которых наружный корпус изготовлен заливкой или заливкой под давлением, производимой непосредственно вокруг активных компонентов. Для этого применяется высококачественная пластмасса, в большинстве случаев силикон, как это описано, например, в ЕР-0963590 В1.
Для обеспечения качественного контакта варисторных блоков между собой при механических нагрузках необходимо в обоих случаях поддерживать столбик варисторных блоков под давлением. Возможностью для этого является как в трубчатых разрядниках, так и в разрядниках с полученным заливкой под давлением наружным корпусом применение армирующих элементов, как правило, прутков или канатов, предпочтительно армированных стекловолокном пластмассовых прутков, закрепленных с растяжением на концевых арматурных элементах. Иногда такие разрядники для защиты от перенапряжений называются также решетчатыми разрядниками. Пример такого разрядника для защиты от перенапряжений представлен в публикации DE 102005024206 В4.
Из WO 94/14171 или DE 10104393 C1 известно использование опорных пластин или стабилизирующих дисков между варисторными блоками, которые удерживают прутки в их положении. Раскрытые в этих обоих информационных источниках разрядники для защиты от перенапряжений являются в отношении выполнения наружного корпуса трубчатыми разрядниками.
Недостаток трубчатых разрядников для защиты от перенапряжений состоит в том, что через газовый объем может произойти частичный разряд между сердечником и наружным корпусом. В целях его предупреждения необходимо исключить попадание влаги в газовый объем. Часто применяемый газ обладает лучшими изоляционными свойствами, чем воздух. Также необходимо предупредить обмен между газом и окружающим воздухом или же проникновение влаги. Поэтому трубчатые разрядники для защиты от перенапряжений являются в изготовлении относительно дорогими. Однако несмотря на эти недостатки трубчатые разрядники для защиты от перенапряжений находят широкое применение, в частности, при экстремально высоких напряжениях, достигающих нескольких сотен тысяч вольт, при этом такие разрядники имеют в готовом виде высоту в несколько метров.
Разрядники для защиты от перенапряжений с непосредственно отлитым под давлением наружным корпусом, напротив, не имеют замкнутого газового объема, что упрощает их конструкцию. В таких разрядниках горячая плазма при перегрузке разрушает локально наружный корпус и выходит наружу. Чтобы это не сопровождалось значительным ростом давления внутри разрядника для защиты от перенапряжений, необходимо выполнить наружный корпус по возможности с тонкой стенкой. Кроме того, значительная часть расходов на изготовление разрядника для защиты от перенапряжений такой конструкции обусловлена материалом для наружного корпуса, являющимся относительно дорогостоящим. Поэтому средний специалист стремится изготовить наружный корпус по возможности с незначительным расходом материала. По этой причине разрядники для защиты от перенапряжений такой конструкции рассчитаны на относительно низкие напряжения, составляющие несколько десятков тысяч вольт. Для более высоких напряжений применяются несколько последовательно подключенных разрядников.
В последние годы предпринимаются попытки изготавливать разрядники для защиты от перенапряжений все большего размера с непосредственно отлитым под давлением наружным корпусом, при этом длина может составлять 2 м и более. В частности, при использовании таких крупных разрядников для защиты от перенапряжений легко происходит изгибание прутков решетки и потеря механической устойчивости. Меры по обеспечению устойчивости, такие как применение более толстых прутков, оказались неудовлетворительными, так как это неизбежно ведет к увеличению толщины стенок, что, как отмечалось, нежелательно.
Поэтому задачей изобретения является создание решетчатого разрядника для защиты от перенапряжений с непосредственно отливаемым пластмассовым наружным корпусом повышенной устойчивости без необходимости применения для этого корпуса дополнительного материала.
Согласно изобретению указанная задача решается посредством разрядника для защиты от перенапряжений согласно пункту 1 формулы изобретения.
Другие оптимальные варианты выполнения изобретения приведены в зависимых пунктах формулы.
Ниже изобретение подробно поясняется со ссылкой на прилагаемые фигуры, на которых изображено:
фиг.1 - вид в частичном разрезе на разрядник для защиты от перенапряжений согласно изобретению;
фиг.2 - первая половина формы для изготовления корпуса разрядника для защиты от перенапряжений согласно изобретению;
фиг.3 - вторая половина формы для изготовления корпуса разрядника для защиты от перенапряжений согласно изобретению;
фиг.4 - детальный вид на разрядник для защиты от перенапряжений на фиг.1;
фиг.5 - детальный вид на стабилизирующий диск.
Изображенный на фиг.1 разрядник для защиты от перенапряжений содержит два присоединительных блока или концевых арматурных элемента 3, между которыми расположено множество блоков разрядника, например варисторных блоков 1. Варисторные блоки 1 выполнены, например, в виде круговых цилиндров или многоугольной формы. Обычно они состоят из оксида цинка с соответствующими легирующими добавками. Материал варистора обладает свойством, при котором при напряжении ниже порогового он имеет высокое электрическое сопротивление, а при напряжении свыше порогового электрическое сопротивление заметно падает. Переход при использовании оксида цинка происходит очень резко. Таким образом становится возможным защитить другие детали высоковольтной сети от перенапряжений, так как такие перенапряжения отводятся через разрядник для защиты от высоких напряжений на массу.
Для соединения между собой столбика варисторных блоков 1 и обоих присоединительных блоков (3) изображенный на фиг.1 разрядник для защиты от перенапряжений содержит армирующие элементы. В изображенном примере армирующими элементами служат прутки из стекловолокна, закрепленные в обоих присоединительных блоках. Крепление в присоединительных блоках может осуществляться с помощью клинов, обжима, болтов или клея или же посредством любого другого приемлемого способа крепления. Присоединительные блоки 3 снабжены центральным болтом для соединения разрядника для защиты от перенапряжений с высоковольтной сетью.
Для защиты от влияний окружающей среды сердечник разрядника содержит корпус с множеством ребер 7. Варисторные блоки расположены в наружном корпусе без наличия промежуточного объема текучей среды или полостей.
В изображенном варианте выполнения два разных ребра 7 расположены в продольном направлении разрядника для защиты от перенапряжений, а именно ребра с большим диаметром и ребра с малым диаметром. Точные размеры, зазоры и формы ребер определяются запланированной областью применения разрядника для защиты от перенапряжений. Назначение ребер состоит, в числе прочего, в увеличении пути утечки тока на участке между обоими местами подключения разрядника для защиты от перенапряжений, а также в увеличении излучающей тепло поверхности разрядника. И хотя вариант выполнения разрядника для защиты от перенапряжений с ребрами двух разных размеров проявил себя положительно, тем не менее изобретение этим не ограничивается. Возможно оснастить разрядник для защиты от перенапряжений также ребрами только одного размера или же расположить вдоль разрядника три или более ребер разной формы.
На практике оказалось целесообразным располагать ребра 7 под углом к продольной оси разрядника для защиты от перенапряжений, причем предпочтительно под углом от 5 до 20°. При расположении разрядника для защиты от перенапряжений под открытым небом такая конструкция облегчает сток дождевой воды.
Для предупреждения попадания влаги внутрь разрядника для защиты от перенапряжений присоединительные блоки 3 в значительной степени расположены в наружном корпусе 5 и выполнены методом круговой заливки, как показано на фиг.1, причем и в этом случае отсутствуют промежуточные объемы текучей среды или полости.
Используемый для наружного корпуса 5 силиконовый материал является существенно удорожающим фактором при изготовлении разрядника для защиты от перенапряжений согласно изобретению. Поэтому наружный корпус 5 изготавливают по возможности тонким. Как показано на фиг.1, диаметр разрядника для защиты от перенапряжений на участке между двумя ребрами 7 меньше, чем на участке присоединительного блока 3.
Между отдельными варисторными блоками 1 могут располагаться не показанные алюминиевые диски для лучшего контактирования. Кроме того, при необходимости в столбике может быть предусмотрен пружинный элемент для обеспечения электрического контакта варисторных блоков 1 между собой и с концевыми арматурными элементами 3.
Согласно изобретению разрядник для защиты от перенапряжений содержит дополнительно один или несколько стабилизирующих дисков 25, расположенных между двумя соответствующими варисторными блоками 1.
Детальное изображение такого стабилизирующего диска 25 приведено на фиг.5.
Стабилизирующий диск, состоящий предпочтительно из алюминия или другого соответствующего хорошо проводящего материала, имеет толщину, которая обеспечивает ему достаточную устойчивость, но, с другой стороны, выбрана по возможности малой. Согласно предпочтительному варианту выполнения изобретения стабилизирующий диск имеет толщину около 5 мм.
По периметру стабилизирующего диска 25 выполнена серия сквозных отверстий 27, через которые пропущены прутки из стекловолокна. Сквозные отверстия 27 расположены на таком расстоянии от края стабилизирующего диска 25, что обеспечивается достаточная устойчивость. В предпочтительном варианте выполнения изобретения расстояние между краем каждого сквозного отверстия 27 и наружным периметром стабилизирующего диска 25 составляет не менее 3 мм.
Благодаря такой конструкции в случае перегрузки разрядника для защиты от перенапряжений надежно и эффективно предупреждается выброс наружу крупных осколков варисторных блоков 1 через наружный корпус 5. Кроме того, изготовленный таким образом разрядник для защиты от перенапряжений обладает превосходной прочностью на изгиб и скручивание, что предопределяет его применение на открытом воздухе даже при его очень большой длине. В отдельных случаях возможна длина 2,5 м и более, при этом при необходимости могут применяться несколько стабилизирующих дисков 25, распределенных по длине разрядника для защиты от перенапряжений.
Согласно изобретению стабилизирующие диски 25 распределены по длине разрядника для защиты от перенапряжений таким образом, что они располагаются на участке одного из ребер 7, как это подробно показано на фиг.4.
Учитывая, что, с одной стороны, необходимо обеспечить надежную изоляцию стабилизирующих дисков 25 посредством наружного корпуса 5, вследствие чего требуется перекрытие в несколько миллиметров, и что, с другой стороны, материал наружного корпуса, а именно в большинстве случаев силикон, является очень дорогостоящим и нежелательно увеличивать его общее количество в разряднике для защиты от перенапряжений, то согласно изобретению стабилизирующий диск 25 располагают на участке одного из ребер 7, на котором возможно достаточное перекрытие материалом наружного корпуса без необходимости применения дополнительного материала.
В предпочтительном варианте выполнения разрядник для защиты от перенапряжений изготовлен модульной формы, как показано на фиг.2, 3.
Модульное выполнение обеспечивает точное позиционирование разрядника для защиты от перенапряжений. В частности, становится возможным применять для ребер 7, для которых предусмотрен стабилизирующий диск 25, специальный промежуточный элемент 15, обеспечивающий надежное перекрытие стабилизирующего диска материалом наружного корпуса.
Ниже описывается способ изготовления разрядника для защиты от перенапряжений, изображенного на фиг.1.
Сначала в зависимости от требуемой диэлектрической пробивной прочности разрядника для защиты от перенапряжений производят сборку необходимого количества варисторных блоков 1. Для улучшения электрического контакта между этими блоками можно располагать алюминиевые диски между отдельными варисторными блоками 1. Кроме того, один или несколько стабилизирующих дисков размещают в столбике. Для увеличения общей длины разрядника для защиты от перенапряжений и, следовательно, расстояния между токоведущим проводом и массой, а также для точного позиционирования стабилизирующего диска 25 относительно ребер 7 могут также применяться алюминиевые распорные элементы, форма которых по существу соответствует варисторным блокам 1. Кроме того, предусмотрены два концевых арматурных элемента 3. Из концевых арматурных элементов 3, варисторных блоков 1, стабилизирующих дисков 25 и при необходимости распорных элементов формируют столбик.
Дополнительно в столбике могут при необходимости применяться тарельчатые пружины или другие элементы.
В показанном варианте выполнения между концевыми арматурными элементами 3 располагают и скрепляют прутки из армированной стекловолокном пластмассы с тем, чтобы можно было удерживать с натягом вместе столбик, варисторные блоки 1 и концевые арматурные элементы 3. Образованный таким образом сердечник вставляют в показанную на фиг.2 форму.
Изображенная на фиг.2 форма выполнена модульной и состоит из головной части 11 и основания 13, которые выполнены в соответствии с обоими концевыми арматурными элементами 3. Между головной частью 11 и основанием 13 расположено выбираемое количество промежуточных деталей 15, в результате чего в целом образуется форма в модульном исполнении.
Все детали закреплены на монтажной или опорной пластине 17. Монтажная пластина 17 снабжена модульной сеткой, благодаря которой можно регулировать расстояние между головной частью 11 и основанием 13, в результате чего может вставляться разное количество промежуточных деталей 15.
Промежуточные детали 15 содержат нагревательные элементы (не показаны), необходимые для процесса заполнения силиконом и для процесса сшивки силикона, а также охлаждающие 19 и вентиляционные 21 каналы.
Согласно предпочтительному варианту выполнения нагревательные элементы и охлаждающие каналы 19 отдельных промежуточных деталей 15 снабжены соединительными деталями, которые остаются доступными снаружи и в том случае, когда форма находится в собранном виде. Таким образом обеспечивается соединение нагревательных элементов и каналов охлаждения, что позволяет производить целенаправленное, пространственно разное и при необходимости зависимое от времени термостатирование отдельных участков формы и таким образом положительно влиять на процесс сшивки силикона.
Промежуточные детали 15 соприкасаются между собой вдоль периферийной кромки ребра 7 наружного корпуса 5. Другими словами, при образовании верхней стороны ребра 7 первой промежуточной деталью 15 формируется и нижняя сторона того же ребра 7 ближайшей промежуточной деталью 15. Поэтому шов, образующийся при заливке по переходной линии между обеими промежуточными деталями 15, совпадает с наружной периферией ребра 7.
На фиг.3 показана соответствующая сопряженная деталь для половины формы, представленной на фиг.2. Для образования разрядника для защиты от перенапряжений показанные на фиг.2 и 3 детали формы соединяют вместе после вставки сердечника и жестко закрепляют между собой с помощью запирающего устройства.
Затем нагнетается силиконовый эластомер и при нагреве производится сшивка. Отдельные параметры процесса сшивки, такие как оптимальная температура, требуемое давление или скорость истечения, зависят от выбранного полимерного материала, и среднему специалисту они известны. Так, например, могут выбираться температура от 50 до 300°С, предпочтительно от 80 до 150°С, и давление от 1 до 20 бар.
По окончании процесса сшивки силикона форму снова разъединяют на две изображенные на фиг.2 и 3 половины и извлекают разрядник для защиты от перенапряжений. Учитывая, что силикон и после отверждения остается относительно упругим, то ребра отделяются без проблемы из тыльных вырезов формы.
Как показано на фиг.2 и 3, по меньшей мере, в одной из обеих половин формы предусмотрена специально предназначенная для литья под давлением промежуточная деталь 23. Для исключения видимых участков литья под давлением на силиконовом корпусе предпочтительно расположить такой участок литья под давлением на нижней стороне ребра 7.
Показанная на фиг.2, 3 модульная форма позволяет очень гибко регулировать длину разрядника для защиты от перенапряжений без необходимости изготовления новых форм. Для этого достаточно удалить отдельные промежуточные детали 15 из формы для ее укорачивания или же вставить дополнительные промежуточные детали 15. Кроме того, форма обладает большой гибкостью относительно придания точной конфигурации присоединительным блокам, так как простой заменой головной части 11 и основания 13 могут быть легко получены разные диаметры для этих участков разрядника.
Другое преимущество описываемого способа изготовления заключается в том, что возможны разные формы ребер и их разные последовательности, в частности могут быть предусмотрены специальные ребра в месте расположения стабилизирующих дисков 25.
В принципе изобретение не ограничено изготовлением разрядников для защиты от перенапряжений с варисторными блоками. Также возможно изготавливать разрядники для защиты от перенапряжений с искровым промежутком согласно способу предлагаемого изобретения.
Еще одно преимущество изобретения состоит в том, что промежуточные детали 15 для формы могут изготавливаться просто и дешево, например, на токарном или фрезерном станке. Однако в смонтированном виде возможны затылочные срезы, которые при неразъемном выполнении форм могут быть получены лишь с трудом или вообще не могут быть получены.
Другие предпочтительные варианты выполнения являются для специалиста очевидными на основе развития раскрытого здесь технического решения. Так, например, возможно применение многоугольного стабилизирующего диска вместо круглого, как это известно, например, из WO 94/14171. Также в связи с техническим решением согласно изобретению возможно применение разъемного стабилизирующего диска, описанного в DE 10104393 C1.
Кроме того, для дополнительного придания устойчивости против продольного смещения возможно также закрепление прутков из армированной стекловолокном пластмассы на стабилизирующих дисках. Это может достигаться, например, обжимом.