РАЗРЯДНИК С НАПОРНЫМИ КАМЕРАМИ
DISCHARGER WITH PRESSURE CHAMBERS

РАЗРЯДНИК С НАПОРНЫМИ КАМЕРАМИ
Область техники, к которой относится изобретение
Изобретение относится к разрядникам для защиты от перенапряжений, например, грозовых, электроустановок, высоковольтных линий электропередачи и электрических сетей. Изобретение также относится к элементам высоковольтных линий электропередачи, снабженных такими разрядниками.
Уровень техники
Молниевые разряды являются одним из наиболее опасных явлений для эксплуатации высоковольтных линий электропередачи. При грозовом перенапряжении происходит перекрытие воздушного промежутка между токонесущим элементом линии электропередачи и заземленным элементом. После окончания импульса грозового перенапряжения это перекрытие под действием напряжения промышленной частоты, приложенного к токонесущему элементу, переходит в силовую дугу промышленной частоты.
k
В качестве решения проблемы образования силовой дуги при грозовом перенапряжении в международной заявке WO2010082861 был предложен разрядник для грозозащиты электрооборудования или линии электропередачи, содержащий изоляционное тело, выполненное из твердого диэлектрика, два основных электрода, механически связанных с изоляционным телом, и два или более промежуточных электродов, выполненных с возможностью формирования разряда (например, стримерного) между каждым из основных электродов и смежным с ним промежуточным электродом и между смежными промежуточными электродами, причем смежные электроды  расположены между основными электродами с взаимным смещением, по меньшей мере, вдоль продольной оси изоляционного тела. Разрядник по указанной международной заявке характеризуется тем, что промежуточные электроды расположены внутри изоляционного тела и отделены от его поверхности слоем изоляции, толщина которого выбрана превышающей расчетный диаметр D канала указанного разряда, при этом между смежными промежуточными электродами выполнены выходящие на поверхность изоляционного тела разрядные камеры (полости), площадь S поперечного сечения которых в зоне формирования канала разряда выбрана из условия , где g – минимальное расстояние между смежными промежуточными электродами.
При воздействии на такой мультикамерный разрядник импульса грозового перенапряжения электрическими разрядами пробиваются промежутки между электродами. Благодаря тому, что разряды между промежуточными электродами происходят внутри камер, объемы которых весьма малы, при расширении канала создается высокое давление газов, под действием которого каналы искровых разрядов между электродами перемещаются к поверхности изоляционного тела и далее выдуваются наружу в окружающий воздух.
Вследствие возникающего дутья и удлинения каналов между электродами разрядные дуги охлаждаются, суммарное сопротивление всех разрядных дуг увеличивается, т.е. общее сопротивление разрядника возрастает, и происходит ограничение импульсного тока грозового перенапряжения. Ток грозового перенапряжения отводится через опору в землю и вслед за ним протекает сопровождающий ток промышленной частоты. При переходе тока через ноль дуга гаснет, и линия электропередачи продолжает бесперебойную работу.
Такой принцип работы мультикамерного разрядника является достаточно эффективным, поскольку конструкция разрядника получается простой, надежной и недорогой. В то же время вышеописанный разрядник обладает таким недостатком, как значительная длительность сопровождающего тока. Причиной этого является то, что сопровождающий ток имеет промышленную частоту и для гашения дуги необходим его переход через ноль. Частота переходов через ноль задается промышленной частотой и, следовательно, не может произвольно меняться. В связи с этим требуются дополнительные меры, направленные на гашение дуги непосредственно после протекания тока грозового разряда.
Раскрытие изобретения
Задачей настоящего изобретения является снижение длительности сопровождающего тока в мультиэлектродном разряднике путем обеспечения гашения дуги после прохождения импульса грозового перенапряжения до перехода сопровождающего тока, имеющего промышленную частоту, через ноль.
Задача настоящего изобретения решается с помощью разрядника для защиты элементов электрооборудования или линии электропередачи от перенапряжений, содержащий изоляционное тело, выполненное с использованием диэлектрика, и два (преимущественно пять) или более электродов, механически связанных с изоляционным телом. Электроды расположены с обеспечением возможности формирования, под воздействием перенапряжения (в том числе, импульса перенапряжения), электрического разряда между соседними электродами.
В разряднике согласно настоящему изобретению электроды расположены внутри изоляционного тела и отделены от его поверхности слоем изоляции, причем  соседние электроды выходят в одну или несколько разрядных камер, имеющих выходы на поверхность изоляционного тела. Отличительным признаком настоящего изобретения является то, что, по меньшей мере, часть разрядных камер (одна или две или более разрядных камер) снабжена одной или более напорных камер, соединенных с выходами из разрядных камер через разрядные промежутки между электродами (преимущественно соседними). В таком варианте выполнения напорные камеры также соединены с разрядными камерами, так как разрядные промежутки между электродами входят в состав разрядных камер. В частном варианте напорные камеры могут быть расположены около электродов.
В некоторых вариантах осуществления напорные камеры могут быть расположены вдоль электродов. Одна или более напорных камер могут быть ограничены с помощью металлических элементов, например, изготовленных с использованием листового металла, по меньшей мере, частично охватывающих электроды. Металлические элементы могут, по меньшей мере, частично охватывать по два электрода, выходящих в соседние разрядные камеры. Напорные камеры могут быть объединенными для одной или нескольких разрядных камер или отдельными для разрядных камер. Отделение напорных камер друг от друга может осуществляться путем заглушения металлических элементов (например, из листового металла, в частности, таких как трубки) в частях, ограничивающих напорные камеры.
В частном варианте металлические элементы могут представлять собой трубки, охватывающие электроды и ограничивающие напорные камеры, например, это могут быть трубки рядом с электродами, ограничивающими напорные камеры в поперечном («диаметральном») направлении. Напорные камеры могут быть заглушены в части, расположенной между электродами, например, с помощью пережатия трубок в поперечном направлении, тем самым ограничивая напорные камеры в продольном направлении.
Одна или более напорных камер могут быть соединены с выходами из соответствующих разрядных камер не одним, а двумя или более каналами (например, проходящими через разрядные промежутки или выходящими к ним). В одном из вариантов размеры напорных камер в направлениях вдоль соседних электродов (например, вдоль линий, соединяющих центры соседних электродов), около которых расположены напорные камеры, должны быть меньше размеров напорных камер в направлениях, перпендикулярных указанным направлениям вдоль соседних электродов.
В другом варианте размеры напорных камер (одной или нескольких) в направлениях вдоль соседних электродов, около которых расположены напорные камеры, должны быть меньше расстояний между соседними электродами в разрядных камерах. Кроме того, может быть предусмотрено, что размеры напорных камер (одной или нескольких) в направлениях, перпендикулярных указанным направлениям вдоль соседних электродов, должны быть больше расстояний между соседними электродами в разрядных камерах.
В предпочтительно варианте объемы напорных камер должны быть не меньше половины суммарных объемов разрядных камер и выходов, с которыми они соединены. Кроме того, объемы напорных камер преимущественно должны быть не больше десяти суммарных объемов разрядных камер и выходов, с которыми они соединены. В тех случаях, когда разрядная камера одна, объем напорной камеры предпочтительно должен быть не меньше половины суммарного объема разрядной камеры и выхода, с которыми она соединена. Для одной разрядной камеры также может быть предпочтительно что объем напорной камеры не больше десяти суммарных объемов разрядной камеры и выхода, с которыми она соединена.
Задача настоящего изобретения также решается с помощью способа изготовления разрядника по любому из вышеописанных вариантов с использованием формы, выполненной с возможностью формирования изоляционного тела разрядника, и дорнов, выполненных с возможностью формирования в формируемом изоляционном теле напорных камер, разрядных камер и выходов разрядных камер на поверхность изоляционного тела. Способ содержит следующие этапы: размещение в форме электродов и дорнов, причем дорны размещают между электродами; заполнение формы диэлектрическим материалом и его отверждение; извлечение изоляционного тела из формы; извлечение из изоляционного тела дорнов.
Задача настоящего изобретения также решается с помощью изолятора-разрядника для крепления, в качестве одиночного изолятора или в составе колонки или гирлянды изоляторов, высоковольтного провода в электроустановке или на линии электропередачи. Изолятор-разрядник содержит изоляционный элемент и арматуру в виде установленных на его концах первого и второго элементов арматуры, причем первый элемент арматуры выполнен с возможностью соединения, непосредственно или посредством крепежного устройства, с высоковольтным проводом или со вторым элементом арматуры предшествующего высоковольтного изолятора указанных колонки или гирлянды, а второй элемент арматуры выполнен с возможностью соединения с опорой или с первым элементом арматуры последующего высоковольтного изолятора указанных колонки или гирлянды.
Такой изолятор-разрядник содержит разрядник по любому из вышеописанных вариантов и/или разрядник, выполненный в соответствии с вышеописанным способом. Разрядник установлен с возможностью формирования, под воздействием грозового перенапряжения, электрического разряда между первым элементом арматуры и, по меньшей мере, одним смежным с ним электродом, а также вторым элементом арматуры и, по меньшей мере, одним смежным с ним электродом.
Задача настоящего изобретения также решается с помощью экрана-разрядника, содержащего изоляционное и/или металлическое основание, выполненное с возможностью механического закрепления на элементе электрооборудования или линии электропередачи с обеспечением, по меньшей мере, частичного огибания указанного или соседнего с ним элемента электрооборудования или линии электропередачи. Экран-разрядник содержит разрядник по любому из вышеописанных вариантов и/или разрядник, выполненный в соответствии с вышеописанным способом, установленный на расстоянии от огибаемого элемента электрооборудования или линии электропередачи.
Задача настоящего изобретения также решается с помощью линии электропередачи, содержащей опоры, одиночные изоляторы и/или изоляторы, собранные в колонки или гирлянды, и, по меньшей мере, один находящийся под высоким электрическим напряжением провод, связанный непосредственно или посредством крепежных устройств с элементами арматуры одиночных изоляторов и/или первых изоляторов колонок или гирлянд изоляторов, причем каждый одиночный изолятор или каждая колонка или гирлянда изоляторов закреплен (закреплена) на одной из опор посредством элемента своей арматуры, смежного с указанной опорой. В соответствии с изобретением линия электропередачи содержит, по меньшей мере, один разрядник по любому из вышеописанных вариантов и/или по меньшей мере, один разрядник, выполненный в соответствии с вышеописанным способом, и/или, по меньшей мере, один экран-разрядник по вышеописанному варианту и/или, по меньшей мере, один из изоляторов представляет собой изолятор-разрядник по вышеописанному варианту.
Благодаря настоящему изобретению достигается такой технический результат, как гашения дуги разряда после прохождения импульса грозового перенапряжения до перехода сопровождающего тока, имеющего промышленную частоту, через ноль. Это происходит вследствие того, что высокое давление газов, формируемое при расширении канала искрового разряда, позволяет, с одной стороны, сжать воздух, находящийся в напорных камерах, а с другой стороны создать поток газа, выдувающего разрядные дуги из камер наружу.
После того, как поток газа, создаваемый за счет повышенного давления, образующегося в результате роста температуры воздуха (газа) в области искрового разряда, вынесет разрядную дугу с места начала искрового разряда (то есть из разрядного промежутка) наружу камеры и удлинит его, поток газа из напорной камеры обеспечит вынос из разрядного промежутка нагретого воздуха (газа). Так как газ в напорной камере имеет низкую температуру (соответствующую температуре газа до начала искрового разряда), температура газа в разрядном промежутке снижается и, тем самым, повышается сопротивление разрядного промежутка.
Следовательно, при разрыве разрядной дуги, вынесенной из разрядной камеры наружу разрядника, то есть ее гашении (чему также способствует дополнительный поток газа, выходящий из напорных камер), разряд в разрядном промежутке разрядной камеры возобновиться не может, так как перенапряжение уже снижено благодаря произошедшему разряду до меньших величин, при которых разрядная дуга не может возобновиться при сопротивлении разрядного промежутка, повышенном до нормального благодаря потоку газа из напорной камеры.
Таким образом снижается длительность сопровождающего тока в мультиэлектродном разряднике вплоть до длительности импульса перенапряжения в зависимости от параметров грозового перенапряжения и размеров разрядных камер. То есть, через разрядник на землю может протекать только ток импульса перенапряжения.
Краткое описание чертежей
На фиг. 1 представлен вид разрядника в соответствии с изобретением в разрезе.
На фиг. 2 представлен вид напорной камеры в соответствии с первым частным вариантом изобретения в разрезе.
На фиг. 3 представлен вид напорной камеры в соответствии с первым частным вариантом изобретения сбоку.
На фиг. 4 представлен вид напорной камеры в соответствии со вторым частным вариантом изобретения в разрезе.
На фиг. 5 представлен вид напорной камеры в соответствии со вторым частным вариантом изобретения сбоку.
На фиг. 6 показан вид разрядника в соответствии со вторым частным вариантом изобретения в разрезе.
На фиг. 7 показан вид разрядника в соответствии с третьим частным вариантом изобретения в разрезе.
На фиг. 8 показан вид разрядника в соответствии с третьим частным вариантом изобретения в разрезе А-А, указанном на фиг. 7.
На фиг. 9 показан вид разрядника в соответствии с третьим частным вариантом изобретения в объеме.
На фиг. 10 показан дорн, используемый при изготовлении разрядника, показанного на фиг. 7-9.
На фиг. 11 показан вид разрядника в соответствии с четвертым частным вариантом изобретения в разрезе.
Осуществление изобретения
Далее настоящее изобретение будет описано со ссылкой на сопровождающие чертежи и частные варианты осуществления. Такое описание дается с целью пояснения изобретения на частных примерах и не предназначено для ограничения объема охраны настоящего изобретения, определяемого формулой изобретения. В то же время при необходимости в формуле изобретения могут быть приведены признаки из описания с целью более точного определения объема охраны.
На чертежах показаны разрядники, содержащие несколько разрядных камер и более двух электродов (в частности, пять электродов, но их может быть и больше). В то же время настоящее изобретение охватывает случай и разрядника с одной разрядной камерой, образуемой в изоляционном теле двумя (или более) электродами, размещенными также в изоляционном теле. Такая разрядная камера, включающая в себя разрядный промежуток, имеет с одной стороны выход на поверхность изоляционного тела, выполненного с использованием диэлектрика, а  с другой стороны соединена с напорной камерой (одной или более), ограниченной изоляционным телом и не имеющей выхода на поверхность изоляционного тела.
Таким образом, напорная камера соединена с выходом из разрядной камеры посредством самой разрядной камеры, причем на пути из напорной камеры в выход находится и разрядный промежуток. Благодаря такой конфигурации разрядника высокое давление газов, формируемое при расширении канала искрового разряда, позволяет, с одной стороны, сжать воздух, находящийся в напорных камерах, а с другой стороны создать поток газа, выдувающего разрядные дуги из камер наружу. Это обеспечивает гашение дуги разряда после прохождения импульса грозового перенапряжения до перехода сопровождающего тока, имеющего промышленную частоту, через ноль.
Реализация настоящего изобретения возможна в различных вариантах, которые далее описываются по отношению к разряднику со множеством разрядных камер и, таким образом, состоящих из нескольких разрядников с одной напорной камерой. Все варианты, далее описанные по отношению к разряднику с пятью электродами и четырьмя разрядными камерами между ними, также могут быть выполнены и в разряднике с двумя электродами и одной разрядной камерой между ними, если не сказано другое и для реализации не требуется две или более разрядных камеры.
Далее описанные разрядники со множеством разрядных камер имеют преимущества перед разрядником с одной разрядной камерой, заключающейся в том, что благодаря множеству разрядных промежутков удается снизить разрядное напряжение, а также напряжение гашения разряда в каждом разрядном промежутке по сравнению с разрядником, состоящим из одной разрядной камеры, что позволяет использовать при изготовлении разрядника с несколькими разрядными камерами менее прочные и более дешевые материалы.
В то же время настоящее изобретение, заключающееся в снабжении разрядных камер напорными камерами, обеспечивает дополнительные преимущества для разрядника со множеством разрядных камер благодаря тому, что, как это описано далее, разряд гасится сразу после протекания импульсного тока, вызванного перенапряжением, и, следовательно, разрядные дуги, вынесенные из нескольких разрядных камер наружу изоляционного тела, не могут там объединиться в единую разрядную дугу, так как разряд сразу же гасится.
Объединение разрядных дуг в единую разрядную дугу представляет собой значительную проблему в разрядниках из уровня техники, так как даже при разрыве разрядной дуги снаружи изоляционного тела внутри разрядной камеры оставались все условия для возобновления разрядной дуги, которая вновь выносилась наружу и, следовательно, разрядная дуга горела длительное время (до полупериода промышленной частоты напряжения в линии электропередачи) и часто отдельные разрядные дуги из соседних разрядных камер объединялись в одну дугу. Для исключения объединения разрядных дуг приходилось разносить разрядные камеры в пространстве, удаляя их друг от друга, что приводило к уменьшению количества разрядных камер на длину разрядника (вдоль линии расположения камер).
Настоящее изобретение устраняет условия для возобновления разрядных дуг в разрядных камерах и, следовательно, разрядные дуги из соседних разрядных камер не могут объединиться, так как они гаснут ранее того момента, когда начнут соприкасаться, даже в тех случаях, когда разрядные камеры расположены очень близко (на расстояниях менее длины выхода разрядной камеры наружу изоляционного тела). Благодаря этому удается расположить на той же самой длине разрядника большее количество разрядных камер, что положительно сказывается на снижении напряжения гашения разряда и повышении срока службы разрядника, так как действие разряда на материалы, из которых выполнен разрядник, снижается. Кроме того, это упрощает изготовление электродов разрядника, так как они могут иметь минимальные размеры и выполняться в виде металлических шариков.
На фиг. 1 показан пример разрядника со множеством разрядных камер для защиты элементов электрооборудования или линии электропередачи от перенапряжений, например, грозовых перенапряжений, в разрезе. Разрядник содержит изоляционное тело 1, выполненное с использованием диэлектрика, и шесть электродов 2, механически связанных с изоляционным телом. В то же время необходимо учитывать, что в соответствии с настоящим изобретением минимальное количество электродов равно пяти, а разрядных промежутков между ними (и, соответственно, разрядных камер) может быть как минимум четыре.
Электроды расположены с обеспечением возможности формирования, под воздействием перенапряжения (преимущественно импульсного, например, грозового), электрического разряда между соседними электродами. Для этого электроды установлены с формированием разрядных промежутков между ними, которые имеют такой размер и форму, что могут пробиваться электрическими разрядами при приложении к электродам перенапряжения (например, вследствие удара молнии), однако при отсутствии перенапряжения электрические разряды между электродами сформироваться не могут – это необходимо для того, чтобы напряжение на токонесущих элементах линии электропередачи или других электроустановок, не замыкалось на землю.
В разряднике согласно настоящему изобретению электроды 2 расположены внутри изоляционного тела 1 и отделены от его поверхности слоем изоляции. Соседние электроды 2 выходят (а иногда и выступают) в разрядные камеры 3, имеющие выходы на поверхность изоляционного тела. При подаче на один из электродов 2 грозового перенапряжения разрядные промежутки между соседними электродами 2 пробиваются искровыми разрядами 5 и через разрядник начинает протекать ток, вызванный зарядом, полученным защищаемым элементом электроустановки или линией электропередачи, например, в результате молниевого удара.
По мере протекания тока канал искрового разряда расширяется и за счет ограниченного объема разрядной камеры создает высокое давление газов. Поскольку разрядные камеры открыты в окружающее пространство, газ начинает вытекать из камер и этот поток газа выдувает искровые разряды в виде разрядных дуг из камер наружу. Вследствие этого разрядные дуги удлиняются и растет их сопротивление.
Для того, чтобы обеспечить не только удлинение искровых каналов, но и их разрыв, разрядные камеры 3 снабжены напорными камерами 4, расположенными около электродов 2 и соединенными с выходами разрядных камер, а значит и с разрядными камерами 3, через разрядные промежутки между соседними электродами 2. Напорные камеры могут быть соединены с выходами из разрядных камер одним каналом, как это показано на фиг. 1-10. В других вариантах Напорные камеры могут быть соединены с выходами из разрядных камер двумя или более каналами, что позволяет распределить потоки газа для более эффективного выноса горячего газа из разрядной камеры и повышения сопротивления разрядного промежутка (зазора).
Разрядные промежутки между электродами (пространство между ними) входят в состав разрядных камер, разделяют электроды и соединяют выходы из разрядных камер с напорными камерами. Во время начала искрового разряда и расширения его канала высокое давление газа (например, воздуха),  образующееся в результате роста температуры воздуха (газа) в области искрового разряда, распространяется в обе камеры – напорную и разрядную, однако из разрядной камеры газ выходит наружу, а в напорной камере создается напор (повышенное давление) газа. Таким образом, благодаря разделению камер разрядным промежутком в них могут быть обеспечены разные процессы при одном и том же источнике, запускающем эти процессы.
Как только искровой разряд перестает формировать высокое давление в этих камерах (например, когда канал искрового разряда выдут наружу из разрядной камеры и выхода из разрядной камеры), напор газа в напорной камере создает дополнительный поток газа из напорной камеры в разрядную камеру и выход из нее через пространство между электродами (т.е. разрядный промежуток, а точнее говоря место формирования разряда) и далее наружу из разрядника. Благодаря такому дополнительному потоку газа, обеспеченному повышенным давлением в напорной камере, сформированным при начале искрового разряда, канал искрового разряда, вынесенный из разрядной камеры, может быть разорван и, тем самым, сопровождающий ток будет прекращен еще до перехода тока промышленной частоты через ноль – в оптимальном варианте сразу после протекания заряда, вызванного молниевым ударом.
Кроме того, поток газа из напорной камеры обеспечивает вынос из разрядного промежутка нагретого газа. Так как газ в напорной камере имеет низкую температуру (соответствующую температуре газа до начала искрового разряда), температура газа в разрядном промежутке снижается при вытеснении высокотемпературного газа низкотемпературным газом и, тем самым, повышается сопротивление разрядного промежутка. Следовательно, после разрыва разрядной дуги, вынесенной из разрядной камеры наружу разрядника, то есть ее гашении (чему также способствует дополнительный поток газа, выходящий из напорных камер), разряд в разрядном промежутке разрядной камеры возобновиться не может, так как перенапряжение уже снижено благодаря произошедшему разряду до меньших величин, при которых разрядная дуга не может возобновиться при сопротивлении разрядного промежутка, повышенном до нормального (примерно соответствующего сопротивлению до начала искрового разряда) благодаря потоку холодного газа из напорной камеры.
Полученное техническое решение эффективно разделяет задачи формирования условий для электрического разряда и обеспечения требуемых для эффективного гашения разрядной дуги параметров потока газа путем подбора соответствующей конфигурации напорной и/или разрядной камер. Благодаря этому обеспечивается возможность независимого усовершенствования процессов, протекающих в разряднике.
В показанных на фигурах вариантах осуществления напорные камеры расположены вдоль электродов. Благодаря этому удается не увеличивать или увеличивать несущественно габариты разрядника. В то же время возможны и другие конфигурации и расположения напорных камер при выполнении условия, указанного в формуле изобретения – напорная камера и выход из разрядной камеры должны быть разделены между собой и соединяться разрядным промежутком, то есть пространством между электродами. Именно в такой конфигурации в напорной камере может быть создано повышенное давление благодаря искровому разряду между электродами, а поток газа из напорной камеры может вытеснить газ между электродами, разогретый благодаря искровому разряду, через выход из напорной камеры наружу изоляционного тела.
В варианте расположения, показанном на фигурах, такому расположению может соответствовать нахождение выхода разрядной камеры наружу над линией, задаваемой электродами (например, их средней или другой линией), или горизонтальной плоскостью, проходящей через такую линию, а напорная камера может находиться под электродами (например, их средней или другой линией), или горизонтальной плоскостью, проходящей через такую линию. Однако положение разрядника не ограничивается показанным на фигурах и может быть другим, получаемым из показанного поворотами, наклонами и/или изгибами в необходимые для этого стороны или относительно требуемых осей поворота, наклона и/или изгиба.
Разрядник с напорными камерами, показанный на фиг. 1, затруднен в изготовлении ввиду того, что извлечение закладных элементов, формирующих напорные камеры 4 возможно только через вырезы в изоляционном теле 1, соединяющие напорные камеры и ближайшую к ним внешнюю поверхность изоляционного тела (на фиг. 1 это нижняя поверхность). Причиной этому является то, что напорная камера на фиг. 1 имеет большой размер, вследствие чего закладной элемент не может пройти через выход из разрядной камеры. Однако вырез в изоляционном теле после извлечения закладного элемента, необходимого для формирования напорной камеры, требуется закрывать слоем диэлектрика, что нетехнологично, а сам вырез, даже закрытый впоследствии диэлектриком, является ослаблением изоляционного тела. Кроме того, при мощных разрядах давление, создаваемое в напорных камерах, может выбить слой диэлектрика, закрывающий вырез.
На фиг. 2 показан другой вариант выполнения разрядника, в котором нет необходимости извлекать закладной элемент, формирующий напорную камеру. Напорные камеры 9 могут быть ограничены с помощью металлических элементов 6, по меньшей мере, частично охватывающих электроды 8. Указанные металлические элементы могут быть выполнены из листового металла или из объемных металлических кусков путем их резания, сверления, фрезерования и других известных из уровня техники операций. Кроме того, металлические элементы могут быть выполнены и путем литья или экструзии. Металлические элементы 6 могут быть изготовлены из меди, алюминия, стали и других металлов или их сплавов, а электроды 8 могут быть выполнены из вольфрама, стали или других металлов или их сплавов.
Наличие подобных металлических ограничителей (формирователей) 6 напорных камер 9 снижает необходимость обеспечения прочностных характеристик изоляционного тела в месте нахождения напорных камер, благодаря чему изоляционное тело может изготавливаться не только из твердых, жестких и/или прочных диэлектриков, но и из достаточно мягких, например, с использованием силиконовой резины, в том числе достаточно гибкой и мягкой.
Необходимость такого усиления может диктоваться тем, что, в отличие от разрядных камер 3, где газы под действием высокого давления выходят наружу и давление снижается (т.е. ограничено по величине), в напорных камерах давление газа может возрастать до весьма высоких величин, так как газ может выходить из напорной камеры только через разрядных промежуток в разрядную камеру, а во время начала и нарастания разряда газ из разрядного промежутка только поступает в напорную камеру, препятствуя его выходу. В связи с этим наличие металлических элементов 6 препятствует деформации изоляционного тела и механически усиливает конструкцию разрядника.
Кроме того, использование таких металлических элементов упрощает изготовление разрядника, поскольку нет необходимости извлекать закладные элементы из изоляционного тела, предназначенные для формирования полостей напорных камер при формировании изоляционного тела из полимеров путем заполнения соответствующих форм. Указанные металлические элементы одновременно ограничивают напорные камеры и представляют собой закладные элементы, которые не требуется извлекать.
Металлические элементы 6 могут, по меньшей мере, частично охватывать по два электрода, выступающих в соседние разрядные камеры, то есть служить и для электрического и механического соединения таких электродов. В том случае, если в соседние разрядные камеры выходит один и тот же электрод, металлический элемент может крепиться на нем или располагаться рядом с ним с целью обеспечения технологичности изготовления разрядника.
В частном варианте осуществления изобретения металлические элементы могут представлять собой трубки, охватывающие электроды и ограничивающие напорные камеры рядом с электродами в поперечном направлении трубки (другими словами, в диаметральной или поперечной продольной оси трубки плоскости). Такое техническое решение позволяет решить задачу формирования напорных камер, ограниченных металлическими элементами, достаточно простым образом. Напорные камеры могут быть ограничены в продольном направлении с помощью заглушек 7, как это показано на фиг. 2, пережатия трубок в поперечном направлении, например, в средней части 11 трубок 10 на фиг. 4 или на той части (продольной и/или поперечной) трубки, которая не охватывает электрод. Кроме того, такой результат может быть достигнут также путем соединения трубок с перекрывающим элементом, например, сваркой, пайкой, клеем или другими способами.
Для этого каждый из электродов разрядной камеры в виде стержней фиксируется с помощью своей металлической трубки, имеющей внутренний диаметр больше, чем диаметр (поперечный размер) электрода, путем обжатия трубки при введенном в нее электроде. Одновременно с этим, за счет превышения внутренним диаметром трубки диаметра электрода, рядом с электродом, преимущественно вдоль него, формируется напорная камера.
В зависимости от величины превышения внутренним диаметром трубки диаметра электрода сечение образованной напорной камеры может иметь различную форму. В частном варианте сечение трубки в месте крепления электрода может иметь форму, близкую к восьмерке (8), то есть диаметр обжимающей части трубки и напорной камеры могут быть близки или совпадать. Пример такого обжатия электрода 8 с образованием сечения трубки 6 или 10 с формой, близкой к восьмерке, можно увидеть на фиг. 3 и 5, соответственно.
Полученная таким образом напорная камера может быть заглушена на необходимом расстоянии от конца трубки или иметь выход в какой-либо объем, свободное пространство или соседнюю разрядную камеру (в последнем случае электроды соседних разрядных камер могут быть закреплены одной и той же трубкой). Кроме того, если электрод по длине трубки короче, чем напорная камера, последняя может иметь более широкое сечение в том месте, где электрод отсутствует (если используются достаточно короткие электроды, между которыми в разряднике может быть некоторое расстояние).
На фиг. 1 и 6 показаны отдельные напорные камеры 4 и 9, соответственно, то есть каждая разрядная камера соединена со своей отдельной напорной камерой. На фиг. 1  напорные камеры 4 отделены между собой участками диэлектрика (точнее, при выполнении напорных камер 4 участки изоляционного тела 1 между ними были оставлены на месте).
На фиг. 6 напорные камеры 9 реализованы с помощью трубок 10, размещенных в изоляционном теле 12, и отделены друг от друга (имеются ввиду напорные камеры, имеющие выходы в соседние разрядные камеры) путем выполнения металлических элементов в средней части 11 не пропускающими газ. Например, при выполнении металлических элементов из листового металла это может быть сделано путем их пережатия (заглушения) в частях 11, ограничивающих напорные камеры 9 в продольном направлении. При срабатывании разрядника, показанного на фиг. 6, между соседними электродами 8 проходят разряды 13, которые за счет давления газа выносятся наружу из разрядных камер, а за счет напора газа из напорных камер 9 разряды 13 гасятся (разрываются).
На фиг. 7 и 8 показан другой вариант выполнения разрядника по настоящему изобретению. Изоляционное тело 21 разрядника преимущественно выполнено с использованием упругого диэлектрика, например, силиконовой резины или других полимеров. Применение упругого диэлектрика позволяет не только изгибать изоляционное тело и разрядник, но и обеспечивает возможность изготовления разрядника с напорными камерами в соответствии с этим вариантом выполнения разрядника.
В изоляционном теле размещены электроды 22 шарообразной формы. Они могут иметь и другую форму, например удлиненную или сплющенную, однако шарообразные электроды имеют преимущество в применении благодаря тому, что они дешевы в изготовлении и в качестве них могут использоваться шарики из подшипников, дробь или другие подобные металлические изделия.
Электроды 22 выходят в разрядные камеры, имеющие выходы 23 разрядных камер на поверхность изоляционного тела. Эти выходы могут быть выполнены одинакового или переменного сечения вдоль своей длины. Например, они могут расширяться или сужаться. Их сечение может быть круглым, овальным, квадратным, прямоугольным или любой другой подходящей формы.
В части изоляционного тела 21, противоположной месту выполнения выходов 23 из разрядных камер, расположены напорные камеры 24. Размеры напорных камер 24 в направлениях вдоль соседних электродов 22, около которых расположены напорные камеры 24, то есть в горизонтальном направлении на фиг. 7, примерно одинаково с размером выходов 23 и расстоянию между электродами 21 в том же направлении. Это предусмотрено для того, чтобы закладной элемент, формирующий напорную камеру и называемый «дорн», мог быть вытащен из изоляционного тела.
В преимущественном варианте размер напорной камеры в направлении вдоль соседних электродов, около которых она расположена, меньше расстояния между соседними электродами в разрядной камере, с которой соединена напорная камера. Это желательно для того, чтобы дорн, используемый для формирования напорной камеры, после окончания формирования изоляционного тела, мог быть беспрепятственно вытащен. Однако даже если расстояние между электродами будет меньше поперечного размера дорна в той части, которая формирует напорные камеры (как это показано на фиг. 7), то дорн может быть вытащен из изоляционного тела за счет того, что изоляционное тело выполнено из упругого материала и электроды могут раздвинуться при извлечении дорна и, после извлечения, могут встать на место благодаря упругим свойствам материала, с использованием которого выполнено изоляционное тело.
Объем напорной камеры преимущественно должен быть не менее половины объема разрядной камеры и выхода, с которыми она соединена. Это необходимо для того, чтобы в напорной камере было сжато количество газа, достаточное для выдувания горячего газа из пространства между электродами после того, как разрядная дуга выйдет из изоляционного тела.
Предпочтительно, чтобы объем напорной камеры преимущественно был больше объема разрядной камеры и выхода, с которыми она соединена. Это возможно достичь удлинением напорной камеры, однако это будет увеличивать толщину изоляционного тела и возможно только до некоторой величины. Другим способом увеличения объема напорной камеры является увеличение ее размеров в поперечном направлении, то есть в плоскости, перпендикулярной направлению вдоль соседних электродов, около которых расположена напорная камера.
На фиг. 8 показано сечение разрядника на фиг. 7 в такой плоскости А-А. На фиг. 8 видно, что напорная камера 24 имеет поперечные размеры в этой плоскости в несколько раз больше ширины выхода 23 в этой же плоскости, а также своего размера в плоскости, перпендикулярной изображенной. Благодаря этому удается обеспечить увеличенный объем напорной камеры, который больше объема разрядной камеры и выхода, без увеличения толщины изоляционного тела (размера изоляционного тела 21 в вертикальном направлении на фиг. 7 и 8).
Поскольку размер напорной камеры по направлению вдоль соседних электродов преимущественно не больше расстояния между электродами, то размеры напорных камер в направлениях, перпендикулярных указанным направлениям вдоль соседних электродов, оказываются больше расстояний между соседними электродами в разрядных камерах. Таким образом, размеры напорных камер в направлениях вдоль соседних электродов, около которых расположены напорные камеры, меньше размеров напорных камер в направлениях, перпендикулярных указанным направлениям вдоль соседних электродов. Это основное отличие фиг. 7 и 8 от фиг. 1-6, которое обеспечивает возможность изготовления надежного разрядника с напорными камерами удобным и технологичным способом.
Необходимо отметить, что объем напорной камеры предпочтительно должен быть не более десяти объемов разрядных камер и выходов, с которыми они соединены, поскольку только при таком условии обеспечивается возможность создать давление, обеспечивающее достаточный для настоящего изобретения поток газа.
На фиг. 9 показано объемное изображение изоляционного тела 21 с расположенными внутри него электродами 22, выходами 23 и напорными камерами 24. Электроды 22 в виде шаров размещены в изоляционном теле 21 вдоль продольного измерения изоляционного тела, а между электродами 22 расположены разрядные камеры, которые, с одной стороны, переходят в выходы 23, а с другой стороной соединены с напорными камерами 24. Один из электродов (второй слева) в целях более наглядного представления расположения напорных камер показан «прозрачным», т.е. через него видно часть 26 напорной камеры 24, в то время как у сосдених напорных камер 26 часть, аналогичная части 26, не видна за «непрозрачными» электродами 22, а видна только часть 25. Благодаря части 26 напорной камеры, показанной в явном виде за «прозрачным» электродом, возможно более наглядно представить взаимное расположение электродов, напорных камер и выходов в изоляционном теле разрядника.
Видно, что благодаря поперечной ориентации напорной камеры относительно продольного направления разрядника (т.е. когда размеры напорных камер в направлениях вдоль соседних электродов, около которых расположены напорные камеры, меньше размеров напорных камер в направлениях, перпендикулярных указанным направлениям вдоль соседних электродов) в изоляционном теле удается разместить большее количество электродов и разрядных камер вдоль изоляционного тела (линии, проходящей через электроды). Это благоприятно сказывается на свойствах разрядника, т.к. снижается разрядное напряжение и напряжение гашения разряда в отдельных разрядных камера, в то время как разрядное напряжение всего разрядника может быть получено достаточно большим за счет последовательного включения разрядных камер. Таким образом, для обеспечения заданного разрядного напряжения разряднику в соответствии с настоящим изобретением требуется меньшая длина.
Изготавливать разрядник, показанный на фиг. 7-9, возможно следующим способом. Для реализации этого способа необходима форма (матрица), в которой возможно сформировать изоляционное тело разрядника требуемой формы, Кроме того, для осуществления способа также необходимы дорны, которые будут обеспечивать формирование в формируемом изоляционном теле напорных камер, разрядных камер и выходов разрядных камер на поверхность изоляционного тела – то есть один дорн будет обеспечивать выполнение сразу напорной камеры, разрядной камеры и выхода из разрядной камеры.
Пример такого дорна показан на фиг. 10. Дорн состоит из стержня 27, одним концом (на фиг. 10 – верхним) крепящийся к матрице, а другим концом соединенный с плоской частью 28. Плоская часть 28 необходима для формирования напорной камеры, а стержень 27 необходим для формирования разрядной камеры (примерно около (чуть выше на фиг. 10) места соединения частей 27 и 28) и выхода разрядной камеры наружу изоляционного тела. Плоская часть 28 преимущественно содержит наклонные плечи 29, которые обеспечат извлечение дорна из изготовленного изоляционного тела без вырывания кусков диэлектрика за счет того, что эти плечи будут сжимать изоляционное тело постепенно по мере его извлечения из изоляционного тела.
Способ содержит следующие этапы:
1) В форме размещают электроды и дорны. Дорны размещают между электродами. Это может быть выполнено так: в форму устанавливают дорны, а затем между ними размещают электроды.
2) Форму заполняют диэлектрическим материалом и отверждают его. Диэлектрический материал в отвержденном виде должен быть упругим – это необходимо для того, чтобы в дальнейшем после извлечения дорнов изоляционное тело приняло ту форму, которую имело до извлечения дорнов.
3) Изоляционное тело извлекают из формы.
4) Из изоляционного тела извлекают дорны.
Операции 3) и 4) могут происходить одновременно или в обратной последовательности. Под отверждением диэлектрического материала понимается такое изменение физических свойств материала, при котором форма, заданной матрицей и дорнами, продолжает сохраняться после извлечения изоляционного тела из матрицы и удаления из него дорнов. Таким образом, отверждение не означает что изоляционное тело становится твердым или хрупким. Это означает, что оно становится не жидким и уже не может произвольно изменить свою форму. Например, в том случае, когда диэлектрический материал, используемый при изготовлении изоляционного тела, является полимерным, то под отверждением может пониматься полимеризация полимера, т.е. его сшивка длинными цепочками полимеров. Для отверждения изоляционного тела могут использоваться такие технологические процессы, как вулканизация, нагрев, химическое отверждение и т.п.
На фиг 11 показан вариант разрядника, в котором напорные камеры нескольких разрядных камер объединены в одну общую напорную камеру 30. Конструктивно разрядники на фиг. 1 и 11 совпадают за исключением напорных камер, поэтому описание разрядника на фиг. 1 также подходит и к разряднику на фиг. 11 (кроме напорной камеры 30). Разница между ними в том, что при последовательных разрядах между электродами 2 избыточное давление создается в одной напорной камере 30, и поскольку эта напорная камера соединена с выходами 3 через разрядные промежутки между электродами, и после выноса разрядных дуг 5 из разрядных камер наружу давление в напорной камере 30 создает потоки газа, которые выносят из разрядных камер высокотемпературный газ и гасят дуги 5.
Преимуществом конфигурации разрядника на фиг. 11 является то, что для выполнения напорной камеры для множества разрядных камер достаточно одного закладного элемента, который после изготовления изоляционного тела (отверждения диэлектрического материала) может быть извлечен из через торцевую поверхность, которая в дальнейшем может быть плотно и прочно закрыта (загерметизирована). Это также упрощает процесс изготовления разрядника.
Описанные конфигурации разрядника и/или разрядники, изготовленные в соответствии с вышеописанным способом, могут применяться как по отдельности, так и в составе других устройств и элементов электроустановок или линий электропередачи. Крайние электроды (первый и последний) разрядника могут выступать или выходить наружу изоляционного тела для того, чтобы на них поступало перенапряжение. Перенапряжение может поступать при непосредственном (прямом) контакте или через искровой промежуток. Кроме того, крайние электроды могут иметь форму, отличающуюся от формы электродов между ними (промежуточных). Они могут быть, например, иметь форму стержней (прямых или изогнутых) или других объемных деталей, в том числе сложной формы. Обязательным условием для них является то, что они должны образовывать с промежуточными электродами разрядные промежутки.
Разрядник в соответствии с настоящим изобретением может использоваться, например, в составе изолятора-разрядника, будучи размещенным, например, на изоляционном теле изолятора. Изолятор-разрядник содержит изоляционное тело и арматуру в виде установленных на его концах первого и второго элементов арматуры, причем первый элемент арматуры выполнен с возможностью соединения, непосредственно или посредством крепежного устройства, с высоковольтным проводом или со вторым элементом арматуры предшествующего высоковольтного изолятора указанных колонки или гирлянды, а второй элемент арматуры выполнен с возможностью соединения с опорой или с первым элементом арматуры последующего высоковольтного изолятора указанных колонки или гирлянды.
Такой изолятор-разрядник содержит разрядник по любому из вышеописанных вариантов, установленный с возможностью формирования, под воздействием грозового перенапряжения, электрического разряда между первым элементом арматуры и, по меньшей мере, одним смежным с ним электродом, а также вторым элементом арматуры и, по меньшей мере, одним смежным с ним электродом. При этом предполагается, что разрядник установлен с обеспечением возможности развития разрядов в самом разряднике в разрядных камерах между соседними электродами между формированием электрического разряда между первым элементом арматуры и, по меньшей мере, одним смежным с ним электродом, а также вторым элементом арматуры и, по меньшей мере, одним смежным с ним электродом.
Разрядник также может устанавливаться вокруг (т.е. с огибанием) различных элементов электроустановок или линий электропередач, образуя тем самым экран для защиты от коронного разряда (corona ring, corona shield) – для этого огибающий разрядник может быть снабжен элементами крепления на огибаемом элементе электроустановки или линии электропередачи. Получаемый таким образом экран-разрядник содержит изоляционное тело, выполненное с возможностью механического закрепления на элементе электрооборудования или линии электропередачи с обеспечением, по меньшей мере, частичного огибания указанного или соседнего с ним элемента электрооборудования или линии электропередачи. Экран-разрядник также содержит разрядник по любому из вышеописанных вариантов, установленный на расстоянии от огибаемого элемента электрооборудования или линии электропередачи. Преимущественно разрядник отделен от огибаемого элемента электрооборудования или линии электропередачи воздушным зазором вдоль разрядника, через который могут проходить элементы крепления изоляционного тела.
В составе линий электропередач разрядник в соответствии с настоящим изобретением может использоваться как сам по себе, так и в составе вышеуказанных защитных элементов – изолятора-разрядника и/или экрана для защиты от коронного разряда. Линии электропередачи обычно содержат опоры, одиночные изоляторы и/или изоляторы, собранные в колонки или гирлянды, и, по меньшей мере, один находящийся под высоким электрическим напряжением провод, связанный непосредственно или посредством крепежных устройств с элементами арматуры одиночных изоляторов и/или первых изоляторов колонок или гирлянд изоляторов, причем каждый одиночный изолятор или каждая колонка или гирлянда изоляторов закреплен (закреплена) на одной из опор посредством элемента своей арматуры, смежного с указанной опорой. В соответствии с изобретением линия электропередачи содержит, по меньшей мере, один разрядник по любому из вышеописанных вариантов и/или, по меньшей мере, один экран-разрядник по вышеописанному варианту и/или, по меньшей мере, один из изоляторов представляет собой изолятор-разрядник по вышеописанному варианту.
Применение для защиты высоковольтной линии электропередачи или других видов электроустановок от грозовых перенапряжений разрядника в соответствии с настоящим изобретением самого по себе или в составе изоляторов-разрядников или экранов позволяет повысить надежность работы линии электропередачи, увеличить длительность срока службы электрооборудования и снизить затраты на их эксплуатацию.