РАЗРЯДНИК ГАЗОРАЗРЯДНЫЙ НЕУПРАВЛЯЕМЫЙ
THE NONCONTROLLABLE GAS-DISCHARGE ARRESTOR

Область техники, к которой относится изобретение.
Изобретение относится к разрядникам газоразрядным неуправляемым и может быть использовано для защиты аппаратуры от индукционного тока в цепях постоянного тока, в частности в схемах для измерения параметров и контроля качества электротехнического оборудования.
Уровень техники.
Известно простое и надежное устройство для защиты аппаратуры от индукционного тока в цепи постоянного тока - полупроводниковый диод, который в рабочем режиме включен в обратном направлении и при больших напряжениях не влияет на работу схемы, а при разрыве цепи постоянного тока оказывается включенным в прямом направлении относительно индукционного тока и шунтирует схему.
Это устройство не может применяться, когда диод при малых напряжениях на обратной ветви вольтамперной характеристики имеет низкое сопротивление в рабочем режиме и шунтирует цепи с высоким сопротивлением.
Известно другое устройство - неуправляемый газоразрядный разрядник, предназначенный для другой цели: для защиты цепей аппаратуры постоянного и переменного токов, линий и аппаратуры связи от импульсных электрических перегрузок по напряжению (Электронные приборы для защиты РЭА от электрических перегрузок: Справочник / Черепанов В.П., Хрулев А.К., Блудов И.П. - М.: Радио и связь, 1994; с.96-128). Его задача сводится к ограничению высоковольтного напряжения на уровне, соответствующем напряжению пробоя разрядника.
Главным его недостатком при использовании по прямому назначению является то, что, выполняя основную функцию, разрядник одновременно замыкает на себе ток от источника питания защищаемой схемы. Этот ток, имея значение выше какой-то величины, после выполнения разрядником своей функции способен удерживать его во включенном состоянии сколь угодно долго. При этом по прямому назначению схема неработоспособна. Вывести разрядник из этого режима можно только отключив источник питания защищаемой схемы.
Для того чтобы предотвратить длительное короткое замыкание в изобретении «US 2007/0223171 A1, Lafon Guy, Herve Lindeperg. Protector Device with Improved Capacity to Break Follow Current» используется безындуктивный резистор. Он ограничивает ток короткого замыкания на уровне, при котором разрядник сразу, после выполнения своей функции по защите от импульса перенапряжения, самостоятельно возвращается в исходное высокоомное состояние, то есть все последующие процессы исключаются.
Раскрытие изобретения.
Задачей изобретения является защита аппаратуры в цепи постоянного тока от индукционного тока, возникающего вследствие самоиндукции при разрыве цепи постоянного тока, как при выключении цепи выключателем, так и при аварийном разрыве цепи, происходящем на любом участке цепи: в проводах, в паяных и болтовых соединениях и в прижимных контактах переключающих устройств.
Это достигается тем, что известное ранее устройство - разрядник газоразрядный неуправляемый, применяется по новому назначению.
Описание чертежей.
Фиг.1. Применение разрядника в схеме для измерения омического сопротивления по постоянному току обмотки реактора.
I - источник постоянного тока,
S - ручной размыкатель, моделирующий разрыв цепи,
L - обмотка реактора,
Р - разрядник газоразрядный неуправляемый,
А - амперметр,
V - вольтметр.
Фиг.2. Осциллограммы напряжения на разряднике Р-350 при рабочем токе: 10 А (1), 5 А (2) и 1,5 А (3). Масштабы: 40 В/дел. и 20 мс/дел.
Фиг.3. Осциллограммы тока через разрядник Р-350 при рабочем токе 10 А (1), 5 А (2). Масштабы: 1,5 А/дел. и 20 мс/дел.
Фиг.4. Осциллограммы напряжения на разряднике 4378Д при рабочем токе 2,7 А (1), 1,4 А (2). Масштабы: для (1) 50 В/дел., 20 мс/дел. и для (2) 50 В/дел., 10 мс/дел.
Фиг.5. Осциллограммы тока через разрядник 4378Д при рабочем токе 2,7 (1) и 1,4 А (2). Масштабы: для (1) 1 А/дел. и 20 мс/дел. и для (2) 0,5 А/дел. и 10 мс/дел.
Осуществление изобретения.
Защита от индукционного тока с использованием неуправляемого газоразрядного разрядника имеет особенности.
1. Неуправляемый газоразрядный разрядник не имеет ограничения по наименьшему рабочему напряжению, в отличие от диодной разрядной цепочки. До пробоя он имеет высокое сопротивление изоляции от «не менее 10 МОм» до «не менее 5000 МОм», в зависимости от типа разрядников. После пробоя его сопротивление составляет единицы Ом.
2. По известным причинам, напряжение питания защищаемой схемы не должно превышать напряжение пробоя разрядника, а амплитудная величина индукционного тока не должна превышать предельно допустимого тока анода разрядника в импульсе. Это основные условия при выборе разрядника для защиты схемы.
3. При разрыве цепи от источника постоянного тока, в цепи, обладающей индуктивностью, из-за свойства индуктивности препятствовать любому изменению величины тока, протекающего через нее, возникающий индукционный ток в первый момент наибольший и равный по величине рабочему току цепи. Он безопасен для нее и его ограничение не требуется. К тому же ограничение тока, как в случае защиты от перенапряжений, для индукционного тока невозможно - он в первый момент сохраняет величину рабочего тока, независимо от сопротивления цепи, и установка в разрядной цепочке последовательно с разрядником резистора не дает нужного эффекта.
4. В момент разрыва цепи в месте разрыва (с большим сопротивлением) ток сохраняет свою величину и возникает бросок напряжения, амплитуда которого во много раз превышает рабочее напряжение в цепи. Требуется его ограничение. Это напряжение ограничивается разрядником на уровне напряжения пробоя разрядника.
5. Оно включает разрядник, то есть совершает действие, необходимое для короткого замыкания для индукционного тока, на котором основана работа устройства по защите от индукционного тока, в отличие от вредного воздействия короткого замыкания для источника питания защищаемой цепи при защите от импульсных электрических перегрузок по напряжению. Время включения определяется временем запаздывания пробоя.
6. Индукционный ток сам поддерживает для себя режим короткого замыкания разрядника по времени столько, сколько требуется для разряда индуктивности. Если бы процесс расходования энергии, запасенной в индуктивности, не был бы завершен, по причине кратковременной работы защитного устройства, то могли бы произойти повторные броски напряжения, опасные для цепи.
7. Разрядник сразу же, после выполнения своей функции по защите цепи от индукционного тока, самостоятельно возвращается в исходное состояние с высоким сопротивлением изоляции. Работоспособность схемы восстанавливается.
Устройство работает следующим образом. В момент разрыва цепи постоянного тока, обладающей индуктивностью, ток в ней сохраняет свою величину и на месте разрыва, обладающего большим сопротивлением, возникает напряжение.
Оно ограничивается разрядником, шунтирующим цепь, на уровне, соответствующем напряжению пробоя. При этом он выполняет функцию по прямому назначению.
После пробоя разрядник работает по новому назначению. Разрядник переходит в состояние нормального тлеющего разряда. Оно поддерживается протекающим через разрядник индукционным током. По мере расходования энергии, запасенной в индуктивности, при рассеянии ее на омическом сопротивлении самой индуктивности, ток плавно уменьшается. При этом в разряднике, при постоянной плотности тока, плавно уменьшается площадь сечения, по которому ток протекает в газе. В какой-то момент она становится столь малой, что устойчивое горение нормального тлеющего разряда становится невозможным. В этом режиме величина напряжения на разряднике остается практически постоянной и минимально необходимой для поддержания нормального тлеющего разряда, то есть это величина напряжения, при котором электрон приобретает кинетическую энергию, достаточную для однократной ударной ионизации атома газа-наполнителя.
Далее разряд в газе переходит в темный (тихий) разряд. При этом ионизация газа остается еще избыточной по сравнению с начальной ионизацией (до срабатывания разрядника) и падение напряжения значительно меньше, чем напряжение пробоя разрядника. Ток и напряжение спадают до нуля при полном расходовании энергии, запасенной в индуктивности. После чего разрядник, без постороннего вмешательства, возвращается в исходное высокоомное состояние: восстанавливает свою работоспособность.
В качестве примера применения разрядника приводим его работу в схеме для измерения омического сопротивления по постоянному току обмоток силовых трансформаторов и реакторов по методу «амперметр-вольтметр» с защитой вольтметра от индукционного тока (фиг.1).
Используется обмотка реактора типа РЗДПОМ-760/10 с индуктивностью - 0,40 Гн и омическим сопротивлением - 0,2 Ом. Разрыв цепи моделируется ручным размыкателем. Изменения напряжения и тока во времени регистрируются осциллографом. Осциллограммы показаны на фиг.2-5.
Напряжение пробоя разрядника типа Р-350 с аргоновым наполнением примерно равно 350 В, а 4378Д с неоновым наполнением - 90 В. Напряжения на разрядниках при режиме короткого замыкания для индукционного тока соответствуют напряжениям, при которых электрон приобретают кинетическую энергию, достаточную для однократной ударной ионизации свободного невозбужденного нейтрального атома газа (для аргона - 15,76 эВ, для неона - 21,56 эВ) (фиг.2 и фиг.4).
Время разряда индукционного тока и его начальная величина зависят от рабочего тока схемы. Начальный ток несколько меньше рабочего тока схемы, потому что при пробое разрядника за время запаздывания пробоя расходуется часть энергии, запасенной в индуктивности (фиг.3 и фиг.4).
В данной схеме при отсутствии разрядника ток через вольтметр при разрыве токовой цепи мог бы достигать 10 А, а напряжение - 10 кВ. При использовании разрядника 4378Д амплитудное значение импульса напряжения не превышает 90 В при длительности в 2 мс, определяемой временем запаздывания пробоя.
Современные разрядники имеют время запаздывания пробоя, составляющее 0,15-1,3 мкс, что позволяет уменьшить импульсы напряжения в отдельных частях схем постоянного тока, используя частотные фильтры.