Устройство защиты от импульсных перенапряжений

Устройство защиты от импульсных перенапряжений (УЗИП) на номинальное напряжение 2 кВ относится к области техники высоких напряжений, а именно к устройствам защиты электротехнического и радиоэлектронного оборудования, систем связи и антенно-фидерных систем от импульсных грозовых и коммутационных перенапряжений, и может быть использовано преимущественно в ограничителях перенапряжений нелинейных (ОПН), содержащих колонки последовательно соединенных дисков нелинейных резисторов (варисторов), обладающих высоким коэффициентом нелинейности.
Известен «Ограничитель перенапряжений» по патенту на изобретение РФ: RU 2301471 С1, от 20.06.2007 г., МПК Н01С 7/12 - [1], содержащий диски нелинейных резисторов, которые установлены в электроизоляционном корпусе с внешними трекингозащитными ребрами и включены методом последовательного соединения между клеммами защищаемого оборудования и заземления. Электрический контакт между дисками нелинейных резисторов обеспечивается установкой металлических пружин со стороны вводной клеммы (защищаемого оборудования).
Недостатком известного устройства [1] является наличие больших токов утечки, что приводит к нагреву нелинейных резисторов, приводящему к дрейфу (сдвигу) их вольтамперной характеристики и выходу их из строя, по причине перегрева. Кроме этого, в качестве материалов нелинейных резисторов обычно в таких устройствах используют: «вилит» или «тервит». «Вилит» представляет собой материал высокой нелинейности, что является его достоинством, в тоже время он обладает малой пропускной способностью, что является его существенным недостатком. Поэтому «вилит» применяется только в грозозащитных разрядниках. «Тервит» является материалом, обладающим повышенной пропускной способностью, но в тоже время он обладает пониженной нелинейностью, что является его недостатком.
Известно «Устройство защиты от перенапряжений» по патенту на изобретение РФ: RU 2292617 С1, от 27.01.2007 г., МПК Н02Н 9/06, Н01Т 4/00 - [2], содержащее последовательно включенные между клеммами защищаемого оборудования и заземления нелинейные резисторы и искровые разрядники, включенные параллельно нелинейным резисторам.
Недостатком известного устройства [2] является то, что при «разгрузке» нелинейных резисторов, осуществляемой путем шунтирования искровым разрядником, возникает режим короткого замыкания, который приводит либо к разрушению искрового разрядника, либо к отключению источника питания, вследствие срабатывания релейной защиты.
Прототипом заявленного технического решения является вентильный разрядник ВПВ-6 по книге: Кривозуб Д.С., Субочев Г.В. Техника высоких напряжений, ВВИТКУ, Ленинград, 1972 г. - с. 225, Рис. 9-11. - [3], содержащий последовательно включенные между клеммами защищаемого оборудования и заземлением - разрядник (многократный искровой промежуток) и нелинейные («вилитовые» или «тервитовые») резисторы. Указанные элементы установлены в электроизоляционном корпусе с внешними трекингозащитными ребрами. Электрический контакт между разрядником и дисками нелинейных резисторов обеспечивается с помощью металлических пружин.
Недостатком известного устройства [3], как и устройства [1], является применение в них в качестве материалов нелинейных резисторов «вилита» или «тервита». Кроме того, используемая в устройстве конструкция разрядника в виде так называемого «многократного искрового промежутка» приводит к отказу или запаздыванию (инерционности) его срабатывания при крутых скоростях нарастания импульса перенапряжения, что существенно снижает надежность и эффективность всего устройства.
Известные в настоящее время устройства защиты от импульсных перенапряжений (далее по тексту УЗИП), такие как искровые разрядники, вентильные разрядники, ОПН, разработаны и рассчитаны на стандартные классы напряжений (220 В, 380 В, 1 кВ, 3 кВ, 6 кВ, 10 кВ и др.), которые применяются в системах электроснабжения. В то же время для нестандартных классов напряжения, например, 2 кВ, широко используемых в системах связи, антенно-фидерных устройствах и других системах, УЗИП отсутствуют.
Указанные выше недостатки аналогов и прототипа ставят задачи по:
- разработке высокоэффективных УЗИП на номинальное напряжение 2 кВ на базе высоконелинейных резисторов, изготовленных из оксида цинка (ZnO), который представляет собой материал, обладающий высокой нелинейностью и высокой пропускной способностью;
- повышению надежности и эффективности УЗИП в части уменьшения их инерционности и увеличения пропускной способности.
Технический результат состоит в уменьшения инерционности и увеличения пропускной способности УЗИП на номинальное напряжение 2 кВ, а также повышении его надежности и эффективности работы.
Сущность заявленного технического решения состоит в том, что в устройстве защиты от импульсных перенапряжений, содержащем последовательно включенные между клеммами защищаемого оборудования и заземления искровой разрядник и блок нелинейных резисторов, нелинейные резисторы изготовлены из оксида цинка (ZnO), искровой разрядник выполнен газонаполненным и экранирован металлическим кожухом, а электроизоляционный корпус с внешними трекингозащитными ребрами выполнен из полимерного материала, например полиуретана. При этом поджатие дисков нелинейных резисторов осуществлено при помощи внешней полимерной термоусадочной пленки.
На фиг. 1 представлен разрез УЗИП, а на фиг. 2 - фотография внешнего вида предложенного УЗИП.
УЗИП содержит последовательно включенные между клеммой 1 защищаемого оборудования и клеммой 2 заземления - газонаполненный искровой разрядник 3 и диски 4 нелинейных резисторов, изготовленные из оксида цинка и установленные в электроизоляционный корпус 5 с внешними трекингозащитными ребрами. Клемма 1, газонаполненный разрядник 3, диски 4 нелинейных резисторов и клемма 2 заземления, соединены между собой при помощи металлических цилиндров 6, 7, 8 и 9. Диски 4 нелинейных резисторов размещены между металлическими цилиндрами 8 и 9 и сжаты при помощи внешней полимерной пленки 10 методом «горячей» упаковки, образуя «блок нелинейных резисторов». «Блок разрядника» образует газонаполненный разрядник 3, который своими концевыми резьбовыми участками ввинчен между металлическими цилиндрами 6 и 7 внутри втулки 11, выполненной из электроизоляционного материала, которая придает соединению дополнительную механическую прочность. Цилиндры 7 и 8 соединены между собой через металлическую шайбу 12 посредством резьбовой металлической шпильки 13. Электроизоляционный корпус 5 с внешними трекингозащитными ребрами изготовлен методом «горячего формования». Внутри электроизоляционного корпуса 5 размещаются диски 4 нелинейных резисторов, поджатые между цилиндров 8 и 9 полимерной пленкой 10 («блок нелинейных резисторов»), а также цилиндр 7, присоединенный к цилиндру 8 через металлическую шайбу 12 посредством резьбовой металлической шпильки 13. Газонаполненный искровой разрядник 3 поверх втулки 11, выполненной из электроизоляционного материала, закрыт экранирующим металлическим кожухом 14. Клеммы 1 и 2 подсоединены соответственно к внешним торцевым поверхностям металлических цилиндров 6 и 9 при помощи резьбовых соединений.
Работает УЗИП следующим образом. При воздействии импульсных перенапряжений, превышающих величины номинальных напряжений УЗИП, происходит электрический пробой между электродами искрового газонаполненного разрядника 3, т.е. разрядник срабатывает. После срабатывания разрядника по цепи устройства «клемма 1 - цилиндр 6 - разрядник 3 - цилиндр 7 - шайба 12 и резьбовая шпилька 13 - цилиндр 8 - диски 4 нелинейных резисторов из оксида цинка - цилиндр 9 - клемма 2 заземления» протекает электрический ток.
При этом возникшее от горения электрической дуги между электродами газонаполненного разрядника 3 электромагнитное поле экранируется металлическим кожухом 14, размещенным поверх втулки 11 из электроизоляционного материала и поверх верхнего участка электроизоляционного корпуса 5 с внешними трекингозащитными ребрами. Этим существенно уменьшается дополнительное вредное воздействие на защищаемое оборудование от срабатывания УЗИП.
Величина протекающего тока ограничивается сопротивлением дисков 4 нелинейных резисторов, что приводит, в свою очередь, к гашению электрической дуги в газонаполненном разряднике 3 и, следовательно, к локализации сопровождающих токов.
При протекании тока через УЗИП, на дисках 4 нелинейных резисторов, поджатых друг к другу внешней полимерной пленкой 10, возникает «падение» напряжения (остающееся напряжение), которое на устройстве не превышает электрическую прочность изоляции защищаемого оборудования, что обеспечивает защиту оборудования от импульсных перенапряжений.
Технические характеристики УЗИП приведены в таблице 1.
Изготовление нелинейных резисторов из оксида цинка (ZnO) позволяет повысить пропускную способность нелинейных резисторов, с сохранением приемлемых технических характеристик самих нелинейных резисторов.
Выполнение искрового разрядника газонаполненным приводит к уменьшению его инерционности, а также к отказу в срабатывании разрядника при воздействиях импульсов напряжения с крутыми фронтами.
Экранирование газонаполненного искрового разрядника металлическим кожухом позволяет уменьшить вредные воздействия на защищаемое оборудование электромагнитного поля, возникающего в результате горения электрической дуги между электродами разрядника. Это также приводит к повышению надежности работы устройства.
Выполнение электроизоляционного корпуса с внешними трекингозащитными ребрами из полимерного материала, например полиуретана, позволяет повысить надежность УЗИП из-за существенного повышения механической прочности корпуса. Известно, что широко применяемый для этих целей фарфор обладает сравнительно не высокими механическими характеристиками (на сжатие, на изгиб и на растяжение).
Осуществление поджатия дисков нелинейных резисторов при помощи внешней полимерной термоусадочной пленки позволяет улучшить конструкцию устройства (УЗИП) и его надежность в целом. Это следствие улучшения (плотного) контакта между дисками нелинейных резисторов, а также исключения последующего «засорения» дисков нелинейных резисторов в процессе эксплуатации УЗИП.
Полагаем, что предложенное устройство обладает всеми критериями полезной модели, так как:
- УЗИП в совокупности с признаками формулы полезной модели является новым для общеизвестных устройств и, следовательно, соответствует критерию «новизна»;
- конструктивная реализация УЗИП с указанной совокупностью признаков формулы полезной модели не представляет никаких конструктивно-технических и технологических трудностей, откуда следует соответствие критерию «промышленная применимость».
Источник информации:
1. Патент РФ: RU 2301471 С1, от 20.06.2007 г, МПК Н01С 7/12, «Ограничитель перенапряжений».
2. Патент РФ: RU 2292617 С1, от 27.01.2007 г, МПК Н02Н 9/06, Н01Т 4/00 «Устройство защиты от перенапряжений».
прототип
3. Вентильный разрядник ВПВ-6. Кривозуб Д.С., Субочев Г.В. Техника высоких напряжений. -  ВВИТКУ, Ленинград, 1972 г - с. 225, рис. 9-11 - .