УЛУЧШЕННЫЙ РАЗЪЕДИНИТЕЛЬ И РАЗРЯДНИК ДЛЯ ЗАЩИТЫ ОТ ПЕРЕНАПРЯЖЕНИЙ, СОДЕРЖАЩИЙ ТАКОЙ РАЗЪЕДИНИТЕЛЬ
IMPROVED DISCONNECTOR AND SURGE ARRESTER INCLUDING SUCH DISCONNECTOR

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ
Настоящее изобретение относится к разъединителю и соответствующему разряднику для защиты от перенапряжений, также называемому ограничителем перенапряжений или устройством для защиты от перенапряжений (SPD-устройством), в частности к разряднику для защиты от перенапряжений, снабженному разъединительным устройством или разъединителем для прерывания короткого замыкания в случае отказа SPD-устройства.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
Под термином «разрядник для защиты от перенапряжений» следует понимать электрические и/или электронные устройства, размещаемые между активными проводниками электрической системы и землей и обеспечивающие разрядку в землю пиковых токов перегрузки или перенапряжения, создаваемых, например, разрядами молнии в атмосфере и операциями коммутации и способных в противном случае нанести серьезные повреждения электрической системе и ее устройствам.
Такие явления, как прямые удары молнии являются основным источником разрушительных воздействий на электрические системы; непрямые разряды и коммутационные перенапряжения также являются источниками многих повреждений, происхождение которых сложно идентифицировать, при этом они в равной степени оказывают разрушающее воздействие на чувствительные установки, а также оказывают неблагоприятное влияние в случаях, в которых важна непрерывность работы. Продолжительность этих явлений колеблется от нескольких микросекунд до нескольких сотен миллисекунд, однако за это очень короткое время они передают очень высокий объем энергии. Эти явления следует надлежащим образом предотвращать для защиты установок, подключенных к магистральной сети, и, следовательно, для обеспечения их целостности и функционирования.
Известны разрядники для защиты от перенапряжений, содержащие защитный элемент в форме варистора, принцип действия которого аналогичен принципу действия переменного (нелинейного) сопротивления с точки зрения соотношения напряжение/сила тока. В случае резкого скачка опорного напряжения, например при наличии кратковременного пика тока перенапряжения или перегрузки, варистор резко снижает свое сопротивление, так что такой пик тока могут быть легко разряжен через этот варистор в сторону земли, при этом не произойдет его распространение на другие части установки с более высоким сопротивлением. Варистор содержит электроды, с которыми электрически соединены контакты соединительных клемм разрядника для защиты от перенапряжений, которые в свою очередь соединены соответственно с фазным выводом и защитным выводом и/или нейтральным выводом. Во внутреннюю цепь разрядника для защиты от перенапряжений, включенного последовательно с защитным элементом в форме варистора, обычно включен «разъединитель», который представляет собой известное сложное разъединяющее устройство, имеющее защитные функции в случае отказа и/или износа защитного элемента.
Тепловой разъединитель по существу образован электрическим проводником различной формы, включенным последовательно с электродом варистора. Он состоит из сложного блока, который обычно содержит гибкую металлическую пластину, прикрепляемую к электроду варистора путем сварки с использованием капли легкоплавкого припоя, который представляет собой материал, плавящийся при относительно низких температурах порядка 120-180°С. Гибкая пластина приварена в состоянии упругого изгиба или подпружинивания, однако она установлена в упруго-поджатом состоянии для задания смещения, отдаляющего ее от электрода варистора. Благодаря такому конструктивному исполнению если варистор, в случае его износа, начинает разряжать в землю избыточный ток, который по своей природе является не импульсным, а непрерывным, это обеспечивает нагревание благодаря эффекту Джоуля. Эта температура передается капле припоя, так что при достижении температуры легкоплавкого сплава происходит ослабление удерживающей способности капли припоя с выводом металлической пластины из контакта с электродом варистора, что обеспечивает размыкание электрической цепи и восстановление безопасных условий.
Таким образом, в пределах определенного диапазона силы тока короткого замыкания, который обычно составляет несколько десятков ампер, система разъединения в разряднике для защиты от перенапряжений может осуществлять такое разъединение автономным образом, т.е. без использования других внутренних или внешних устройств, включенных последовательно с самим разрядником для защиты от перенапряжений.
Однако в случае, в котором внутренний импеданс разрядника для защиты от перенапряжений внезапно достигает значений, близких к нулю, происходит короткое замыкание, в результате которого возникает ток высокой интенсивности, что приводит к неприемлемому состоянию электрической системы.
Следовательно, для исключения такого состояния следует задействовать разъединительное устройство. Однако следует отметить, что обычный разъединитель не всегда обеспечивает достаточное разъединение. Дело в том, что при размыкании электрической цепи, по которой течет ток, может быть создана электрическая дуга, сохраняющая непрерывность самой цепи. Если дуга не гаснет сама по себе или разъединитель не может ее прервать, она создаст опасную ситуацию в разряднике для защиты от перенапряжений (перегрев и возможное воспламенение и/или взрыв) и в соответствующей электрической установке.
До настоящего времени устройства, способные прерывать значительные токи короткого замыкания порядка кА, были выполнены таким образом, что их защита от токов перегрузки, например предохранитель или размыкатель цепи, был включен последовательно с самим разрядником для защиты от перенапряжений.
Относительно недавно было разработано очень эффективное решение, описанное в заявке ЕР 2790192, поданной тем же заявителем. Устройство, описанное в ЕР 2790192, содержит разделительный конденсатор для защиты от постепенного износа варистора, а также средство размыкания цепи, обладающее относительной возможностью самогашения, что позволяет ему справиться со значительными токами короткого замыкания.
Эта система продемонстрировала удовлетворительную эффективность, однако заявитель заметил возможность усовершенствования ее технических характеристик.
Разрядник для защиты от перенапряжений, описанный в ЕР 2790192, содержит разъединитель, состоящий из гибкой металлической пластины, выполненной из проводящего материала и имеющей геометрические размеры, позволяющие ей в нормальных рабочих условиях удерживать прижатый к ней перехватывающий ползун, имеющий форму движка или подвижной каретки, имеющей геометрические размеры, подходящие для перехвата и прерывания электрической дуги, которая могла бы возникнуть во время короткого замыкания, при этом в подходящую продольную выемку ползуна вставлена предварительно нагруженная пружина, подходящая для приложения к ползуну толкающего усилия во время его работы и сохраняющая свое сжатое состояние благодаря наличию самого разъединителя, который служит средством ограничения.
В случае возникновения высоких токов короткого замыкания разрыв цепи происходит вследствие сублимации металлической пластины разъединителя, что обеспечивает высвобождение ползуна, который в свою очередь перехватывает и прерывает образовавшуюся электрическую дугу.
Однако было обнаружено, что сублимация проводящей пластины создает два эффекта: с одной стороны необходимый эффект устранения средства ограничения, удерживающего ползун в его нормальном рабочем положении, с обеспечением его высвобождения с последующим перемещением благодаря преобразованию потенциальной энергии упругой деформации пружины в кинетическую энергию, а с другой стороны нежелательный эффект образования проводящей газовой массы, называемой плазмой, которая наряду с напряжением сети приводит к созданию и распространению электрической дуги во всей дуговой камере, т.е. в полости между каплей припоя в разъединителе и остальной основой металлической пластины.
Таким образом, распространение плазмы по дуговой камере вызывает мгновенное повышение температуры и давления.
При этом высвобождение ползуна запускает процесс, который приводит к гашению электрической дуги (как описано в ЕР 2790192), однако такая операция должна быть осуществлена достаточно быстро с тем, чтобы предотвратить повышение давления и температуры в устройстве до чрезмерных значений, которые могли бы вызвать взрыв.
Было обнаружено, что при увеличении тока короткого замыкания исключительно потенциальной энергии упругой деформации пружины может быть недостаточно для приложения толкающего усилия к ползуну, позволяющего сократить время его срабатывания с последующим гашением электрической дуги за интервал времени, сопоставимый с механической прочностью корпуса разрядника для защиты от перенапряжений.
В частности, было замечено, что высокое давление плазмы, создаваемой электрической дугой, прикладывает к передней торцевой поверхности ползуна продольное противодействующее толкающее усилие в направлении, противоположном направлению действия толкающего усилия, создаваемого пружиной, что мешает перемещению ползуна. До тех пор, пока это давление плазмы создает противодействующее толкающее усилие, ползун, несмотря на его поджатие пружиной, не сможет совершать перемещение со скоростью, достаточной для гашения дуги за интервал времени, сопоставимый с механической прочностью корпуса устройства. Критичность данного явления обусловлена увеличением противодействующего толкающего усилия, создаваемого давлением плазмы, пропорционально квадрату силы тока короткого замыкания, при этом толкающее усилие, создаваемое пружиной, наоборот является неизменным по отношению к данной силе тока.
Должного ослабления данного явления не происходит даже при выполнении отверстий для сброса давления, перфорируемых в направляющей камере ползуна на задней стороне самого ползуна.
Другие конструктивные исполнения разрядников для защиты от перенапряжений раскрыты также описаны в US 20110170217, WO 2007/093572, DE 102006042028, US 20120050935 и ЕР 2725588, однако ни в одном из них документов не предложено какое-либо эффективное решение вышеописанных технических недостатков.
РАСКРЫТИЕ СУЩНОСТИ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Таким образом, задача настоящего изобретения заключается в создании разъединителя, в котором преодолены недостатки уровня техники, в частности необходимо создать разъединитель в разряднике для защиты от перенапряжений, который без потери всех функциональных преимуществ наличия сублимирующейся внутренней пластинки и ползуна для прерывания электрической дуги, позволяет предотвращать возникновение ситуаций, в которых давление плазмы, создаваемое сублимацией части самого разъединителя, приближается к предельным значениям, являющимся опасными в отношении срока службы разрядника для защиты от перенапряжений.
Данная задача решена благодаря существенным признакам, приведенным в прилагаемой формуле изобретения.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Дополнительные признаки и преимущества настоящего изобретения станут более очевидными из нижеследующего подробного описания предпочтительного варианта реализации, приведенного в качестве неограничивающего примера и показанного на прилагаемых чертежах.
На фиг. 1А схематически показан вертикальный вид сбоку в частичном разрезе разрядника для защиты от перенапряжений в состоянии готовности с разъединителем, находящимся в состоянии покоя.
На фиг. 1В показан вид в разрезе, выполненном по линии В-В, показанной на фиг. 1А.
На фиг. 2 показан вид, подобный виду, показанному на фиг. 1, разрядника для защиты от перенапряжений согласно настоящему изобретению, находящегося в состоянии, в котором разъединитель достиг конца хода и завершил открытие цепи.
ОСУЩЕСТВЛЕНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
На фиг. 1 показана конструкция разрядника для защиты от перенапряжений, известного из ЕР 2790192, приведенного в данном документе в качестве аналога.
Разрядник для защиты от перенапряжений заключен корпус или кожух в форме коробки, обозначенный как модуль С, размеры которого подходят для его размещения в одном стандартном модуле и его монтажа внутри распределительного щита электрических установок. В этом корпусе известным способом размещены две противоположные клеммы, а именно первая клемма 1 для соединения фазного вывода и вторая клемма 2 для соединения защитного вывода или вывода нейтрали, при этом между первой и второй клеммами установлен защитный элемент (обычно варистор), схематически показанный в форме пластины 3, на противоположных поверхностях которой размещены соответствующие проводящие электроды (на чертежах показан только электрод 4, при этом другой электрод находится на противоположной стороне и не виден на чертежах).
Электрод 4 электрически соединен с фазовой клеммой 1, а противоположный электрод соединен с клеммой 2 заземления или нейтрали. Соединение между электродом 4 и клеммой 1 (см. фиг. 1А) реализовано посредством проводника, образующего элемент разъединителя. В частности, данный проводник разъединителя выполнен в виде гибкой пластинки или пластины 5, которая предварительно упруго нагружена и присоединена к электроду 4 с помощью подходящей капли легкоплавкого припоя в месте, обозначенном ссылочным номером 5d.
Материал, используемый для изготовления легкоплавкого припоя, и точная конфигурация гибкой пластины не имеют особого значения в контексте настоящего изобретения и подробно не описаны в данном документе.
Гибкая пластина 5 предпочтительно выполнена таким образом, что она имеет небольшую толщину (порядка нескольких десятых миллиметра, например 0,2-0,3 мм) и сечение уменьшенной площади, при этом ее металлический материал имеет проводимость, которая равна или ниже проводимости меди.
В случае использования материала с более низкой проводимостью (или коэффициентом проводимости) толщина может быть увеличена, например до 0,5-1 мм. В качестве примера значение коэффициента проводимости может соответствовать Международному стандарту на отожженную медь (IACS-стандарту) и составлять менее 60. В этом случае материал предпочтительно изготовлен из медного сплава с элементами, позволяющими изменять его проводимость (проводимость меди согласно IACS-стандарту составляет менее 90) и придавать ему упругие свойства.
Такую пластину предпочтительно используют для обеспечения быстрой сублимации, а именно для обеспечения перехода из твердого состояния в газообразное при прохождении токов короткого замыкания выше заданной силы тока, значение которой составляет порядка нескольких кА, например от 3 кА до 16 кА (ориентировочные значения, но не обязательные).
Между опорной жесткой стенкой пластины 5 и внутренним корпусом для размещения в нем варистора 3 (см. фиг. 1А) имеется направляющая 6, по которой ползун 7 совершает перемещение с обеспечением перехвата и сжатия дуги. В частности, перемещение ползуна 7 продольно направлено посредством двух параллельных ограждающих стенок 11а и 11b. Кроме того, ползун 7 предпочтительно снабжен на двух противоположных сторонах парой продольных канавок 7а, предназначенных для ввода во взаимодействие с соответствующими продольными ребрами 9, расположенными в направляющей 6, и скользящего перемещения по этим ребрам.
Ползун 7 установлен с возможностью скользящего перемещения в продольном направлении по направляющей 6, при этом в состоянии покоя (как показано на фиг. 1А) этот ползун с одной стороны прижат к нижней стенке 13 направляющей 6, а с другой стороны к части гибкой пластины 5. Ползун 7 установлен со смещением по направлению к пластине 5 (стрелка F) посредством упругого элемента, такого как пружина 8 (показана на фиг. 2), которая установлена в предварительно сжатом состоянии между нижней стенкой 13 и корпусом ползуна 7.
В частности, для использования внутреннего пространства устройства ползун 7 имеет продольную полость, в которую вставлена основная часть пружины 8.
Ползун 7 предпочтительно выполнен в форме трубчатого тела, закрытого с одного торца, являющегося передним торцом (нижним торцом на чертеже), и открытого с другого торца, являющегося задним торцом.
В такой конструкции удержание ползуна 7 происходит посредством части пластины 5, упирающейся в его передний конец и сопротивляющейся толкающему усилию пружины 8.
В случае прекращения удерживающего действия пластины 5 в результате ее сублимации, вызываемой током короткого замыкания, происходит высвобождение ползуна 7 и его продвижение пружиной 8 в направлении стрелки F с обеспечением выполнения своей функции по гашению электрической дуги и завершения своего перемещения при упоре в торцевую стенку.
Следует отметить, что ползун 7 должен иметь значительную длину, например порядка нескольких десятков миллиметров, поскольку он должен обеспечивать достаточную площадь контакта с ограждающими и направляющими стенками 11а и 11b и большую длину пути тока утечки, подходящую для реализации функции гашения электрической дуги. Наличие требуемого зазора скольжения между ползуном 7 и стенками 11а и 11b при недостаточной длине пути тока утечки может с высокой степенью риска привести к сохранению электрической дуги между ползуном 7 и направляющими стенками 11а и 11b с ее циркуляцией вокруг ползуна, в результате чего этот ползун уже не будет являться эффективным средством гашения дуги. Таким образом, боковые стенки ползуна, перпендикулярные направлению распространения электрической дуги, должны быть максимально удлинены.
Такая значительная длина ползуна отчасти также вызывает проблемы, обусловленные распространением плазмы, поскольку фронт давления плазмы должен пройти длинный путь перед достижением задней стороны ползуна и повторным уравновешиванием толкающего усилия, прикладываемого к передней стороне, противоположной пружине 8, так что в результате происходит увеличение времени срабатывания ползуна и возникает риск взрыва устройства вследствие большего количества энергии, вырабатываемой внутри кожуха.
В настоящем изобретении данная проблема решена путем формирования в одной из противоположных стенок трубчатого корпуса ползуна 7 или в обеих этих стенках одного или нескольких отверстий 10 (показаны на фиг. 2), которые обеспечивают сообщение наружного пространства, находящегося за пределами ползуна, с пространством, находящимся в продольной полости ползуна, в которой размещена пружина 8.
Таким образом, в случае распространения плазмы в дуговую камеру фронт давления достигает продольной полости ползуна 7 и попадает в нее через отверстия 10 с обеспечением автоматического и незамедлительного повторного уравновешивания давлений, действующих на переднюю торцевую поверхность ползуна 7: это является предпочтительным условием для того, чтобы потенциальная энергия упругой деформации пружины ползуна более не сдерживалась давлением плазмы и могла за короткое время эффективно продвинуть ползун в рабочем направлении F.
Для предотвращения неблагоприятных воздействий на длину пути тока утечки между ползуном и направляющими стенками, на важность которой указано выше, отверстия 10 предпочтительно расположены на верхней и нижней сторонах ползуна (т.е. сторонах, параллельных плоскости расположения прилагаемых чертежей), имеющего четырехугольное сечение. Другими словами, отверстия 10 расположены на сторонах, параллельных пути прохождения пластины, причем по этому же пути осуществляется естественное распространение электрической дуги.
Как показано на фиг. 2, отверстия 10 предпочтительно выполнены в форме узких щелей, расположенных в противоположных канавках 7а.
Таким образом, фронт давления плазмы направляется непосредственно канавками 7а и попадает в полость ползуна 7 через отверстия 10, при этом с одной стороны он уравновешивает давление на передней поверхности ползуна 7 (что обеспечивает возможность эффективной работы пружины 8), а с другой стороны повышает давление внутри ползуна 7, а также создает эффект противодействия в направлении, соответствующем стрелке F, с возможностью выхода исключительно в направлении задней стороны, что дополнительно способствует необходимому продвижению ползуна 7.
По сути дела происходит естественное расширение горячих газов, создаваемых электрической дугой и пропускаемых через каналы подачи во внутреннюю камеру ползуна. Это явление аналогично расширению газов в цилиндре двигателя внутреннего сгорания.
Толкающее усилие, создаваемое расширением газов, используют для ускорения ползуна, которое обусловлено надлежащим направлением выпуска газов в конструкции.
Согласно еще одному предпочтительному признаку настоящего изобретения, имеется клапан 11, подобный обратному клапану и установленный на задней стороне ползуна с образованием опоры для заднего конца пружины 8. Клапан 11 поддерживается пружиной 8 с упором на патрубок 6а, предназначенный для отвода отработанных газов наружу и образованный на опорной стенке корпуса С, что предотвращает выпуск газов из полости ползуна 7 до выполнения ими своей функции повторного уравновешивания и толкания по отношению к самому ползуну.
Клапан 11 предпочтительно выполнен в форме тарельчатого тела, хвостовик которого вставлен между витками пружины 8.
Таким образом, предложенная система способна адекватно передавать плазму под давлением и по меньшей мере частично решать вышеописанную проблему (т.е. проблему огромной энергии вследствие давления плазмы).
По сравнению с пружиной 8, которая может прикладывать силу, являющуюся неизменной по отношению к давлению, это дополнительное воздействие плазмы, если только оно не выходит за пределы механической прочности всей системы, обладает тем преимуществом, что оно является функцией от квадрата тока: чем выше ток короткого замыкания и результирующее давление дуги, тем больше толкающее усилие, прикладываемое горячими газами к ползуну в направлении, обеспечивающем возможность гашения дуги.
В заключение, внутренняя система разъединения на разряднике для защиты от перенапряжений позволяет обеспечивать затухание тока короткого замыкания благодаря сочетанию следующих трех принципов:
- термодинамика плазмы во внутренней камере ползуна: плазма, попадающая во внутреннюю полость или камеру ползуна, позволяет повторно уравновешивать давления путем создания условий для своевременного вмешательства самого ползуна, при этом расширение горячего газа создает толкающее усилие, дополняющее толкающее усилие, прикладываемое предварительно нагруженной пружиной;
- динамика, обусловленная формой ползуна: перемещение ползуна растягивает и сжимает электрическую дугу, смещая ее на ограниченный путь;
- электродинамика электрической дуги: удлинение и сжатие электрической дуги повышают ее электрическое сопротивление и, следовательно, ее напряжение до приведения его в соответствие с напряжением движущей силы (т.е. напряжением сети), что в результате приводит к быстрому уменьшению тока короткого замыкания вплоть до его исчезновения.
Согласно приведенному выше описанию, конструкция согласно настоящему изобретению, несмотря на ее простоту, является весьма эффективной для безопасного прерывания дуги разъединительным устройством даже при наличии высоких токов короткого замыкания, которые в свою очередь обуславливают возникновение существенного количества проводящей плазмы в результате сублимации проводящей пластины.
Однако не следует считать, что настоящее изобретение ограничено конкретной вышеописанной конструкцией, представляющей только один из примеров реализации настоящего изобретения, при этом возможны различные изменения разрядника для защиты от перенапряжений с его внутренней стороны или наружной стороны, которые не выходят за рамки знаний специалиста в данной области техники и находятся в пределах объема настоящего изобретения, заданного приведенной далее формулой изобретения.
Вышеописанному устройству, например, приданы размеры, подходящие для его согласования с ограничителями сверхтока, которые могут быть необходимы в случае, когда ток короткого замыкания (Isc) установки превышает величину самозатухания тока сети (Ifi) разъединительного устройства в устройстве для защиты от перенапряжений.
Кроме того, вышеописанное разъединительное устройство (разъединитель), также может быть встроено в специальный кожух (корпус) и использовано в качестве независимого устройства для короткого замыкания вне зависимости от наличия разрядника для защиты от перенапряжений.