КОММУТИРУЮЩЕЕ УСТРОЙСТВО
SWITCHING DEVICE

Изобретение относится к области разрядной техники и может быть использовано при создании разрядных приборов, в частности разрядников, предназначенных для коммутации высоких уровней энергии, защиты аппаратуры и линий связи от перенапряжений.
Известен разрядник, содержащий два основных электрода и электрод поджига зубчатой формы [Авторское свидетельство СССР №347849, Н01Т 3/00,1972 г.]
К недостаткам данного разрядника следует отнести повышенную эрозию зубчатого электрода поджига.
Известен разрядник, имеющий два противолежищих электрода и один пусковой электрод в виде стержня, расположенный в основном разрядном промежутке. Пусковой электрод соединен с основными электродами через сопротивления, величины которых подобраны таким образом, чтобы отношение пробивного напряжения в одном из промежутков к напряжению в другом промежутке было в пределах от 0,5 до 2,0. [Патент Франции №2084184, Н01Т 1/00, 02.01.1972 г.]
Недостатком такого разрядника является достаточно высокие требования к амплитуде и фронту запускающего импульса. Кроме того, пусковой электрод подвержен эрозии, так как его рабочая поверхность находится в непосредственной близости к основному разрядному промежутку, что не обеспечивает надежность и устойчивость в работе такого разрядника.
Наиболее близким техническим решением к предлагаемому изобретению является коммутирующее устройство, например, разрядник, содержащее два разделенных разрядным промежутком основных электрода с токовводами, дополнительный электрод с поджигающим электродом, расположенным с зазором в отверстии одного из основных электродов и подключенным к нему одной стороной через дополнительное коммутирующее устройство, а другой - к дополнительному электроду, один конец которого соединен с его токовводом, а другой конец расположен в области разрядного промежутка основных электродов, токоввод дополнительного электрода выполнен со стороны токоввода основного электрода с отверстием и соединен электрически с токовводом другого основного электрода [Патент РФ №2366051, Н01Т 1/20, 27.08.2009 г. - прототип].
К недостаткам такого коммутирующего устройства следует отнести то, что при протекании токов малой величины (единицы и десятки Ампер) возникающий дуговой разряд в зоне инициирования разряда (около поджигающего электрода) не перебрасывается в зону горения основного разряда. При длительном (десятки секунд) протекании таких токов происходит „заваривание" основного электрода и дополнительного электрода, что приводит к выходу из строя коммутирующего устройства.
Задача изобретения - создание надежного, коммутирующего устройства, например, разрядника, устойчиво работающего как в сильноточном с большим протекаемым зарядом за импульс, так и в слаботочном длительном режиме.
Указанный технический результат при осуществлении изобретения достигается тем, что в известном коммутирующем устройстве, содержащем два разделенных разрядным промежутком основных электрода с токовводами, дополнительный электрод с поджигающим электродом, расположенным с зазором в отверстии одного из основных электродов и подключенным к нему одной стороной через дополнительное коммутирующее устройство, а другой - к дополнительному электроду, один конец которого соединен с его токовводом, а другой конец расположен в области разрядного промежутка основных электродов, токоввод дополнительного электрода выполнен со стороны токоввода основного электрода с отверстием и соединен электрически с токовводом другого основного электрода, основной электрод с отверстием снабжен металлической пластиной с отверстием, сквозь которое проходит поджигающий электрод, при этом металлическая пластина по всей длине изолирована от боковой поверхности основного электрода с отверстием и имеет электрическое соединение с его основанием со стороны токоввода.
Введение в прибор металлической пластины с отверстием и закрепление ее в нижней части у основания основного электрода позволяет обеспечить прохождение электрического тока от вывода к месту возникновения дуги (около поджигающего электрода) по тонкой металлической пластине при этом увеличивается плотность и концентрация электромагнитного поля в зоне возникновения разряда, увеличивается сила, выталкивающая дугу в зону горения основного разряда. При этом не происходит „заваривание"основного электрода и металлической пластины при длительном (десятки секунд) прохождении тока малой величины (десятки Ампер).
Проведенный заявителем анализ уровня техники позволил установить, что заявителем не обнаружен аналог, характеризующийся признаками, идентичными всем существенным признакам заявленного изобретения, а определение из перечня выявленных аналогов прототипа, как наиболее близкого по совокупности признаков аналога, позволил выявить совокупность существующих по отношению к усматриваемому заявителем техническому результату, отличительных признаков, изложенных в формуле изобретения. Следовательно, заявленное изобретение соответствует требованию «новизна» по действующему законодательству.
Для проверки соответствия заявленного изобретения требованию изобретательского уровня, заявитель провел дополнительный поиск известных решений, результаты которого показывают, что заявленное изобретение не следует для специалиста явным образом из известного уровня техники, поскольку не выявлены решения, в которых для повышения надежности и устойчивости работы коммутирующего устройства в слаботочном длительном режиме один из его основных электродов, имеющий отверстие снабжен металлической пластиной с отверстием, сквозь которое проходит поджигающий электрод, при этом металлическая пластина по всей длине изолирована от боковой поверхности основного электрода с отверстием и имеет электрическое соединение с его основанием со стороны токоввода.
Следовательно, заявленное изобретение соответствует требованию «изобретательский уровень» по действующему законодательству.
На фиг. 1 и 2 показаны конструктивные варианты заявленного коммутирующего устройства.
Коммутирующее устройство (фиг. 1) содержит основные электроды 1 и 2 с токовводами 3 и 4. Основные электроды 1 и 2 образуют основной разрядный промежуток 5. Электрод 1 выполнен с отверстием и снабжен металлической пластиной 6 с отверстием 7. Дополнительный электрод 8 и пластина 6 образуют вспомогательный разрядный промежуток 9 (зону инициирования разряда). В отверстии 7 пластины 6 с зазором расположен поджигающий электрод 10, который одним торцом соединен с дополнительным электродом 8, а другим торцом через дополнительное коммутирующее устройство 11 соединен с электродом 1, при этом форма, размеры и электрические характеристики поджигающего электрода выбраны из условия его поверхностного пробоя при напряжении меньшем, чем напряжение пробоя дополнительного коммутирующего устройства, а напряжение пробоя между основными электродами выбрано больше, чем напряжение пробоя основного электрода с отверстием и дополнительного электрода, которое в свою очередь больше напряжения пробоя дополнительного коммутирующего устройства. На торцевой поверхности электрода 1 закреплена вставка из тугоплавкого материала 12.
Устройство работает следующим образом.
При достижении напряжения на токовводах 3 и 4 определенного значения (например, 2500 В) происходит пробой дополнительного коммутирующего устройства 11 (например, газонаполненного разрядника). При этом на поверхности поджигающего электрода 10 возникает искровой разряд. Поверхностный искровой разряд инициирует разряд во вспомогательном разрядном промежутке 9 между пластиной 6 и дополнительным электродом 8.
Электрический ток от токоввода 4 к месту возникновения разряда (около поджигающего электрод 10) проходит по тонкой пластине 6 (линии тока локализованы в объеме пластины 6), при этом увеличивается плотность тока в поверхностных слоях пластины 6 и дополнительного электрода 8, магнитное поле разрядного контура концентрируется в меньшем объеме во вспомогательном разрядном промежутке 9, увеличивается сила, выталкивающая дугу в зону горения основного разряда 5. При этом не происходит „заваривание" пластины 6 и дополнительного электрода 8 и коммутирующее устройство сохраняет работоспособность при длительном (десятки секунд) прохождении токов относительно малой величины (десятки Ампер).
Предлагаемый разрядник позволяет защищать, например, изолированные опоры электрических сетей электрифицированного транспорта при аварийном пробое изоляторов сети. При этом через разрядник протекает ток до 10 кА и заряд до 1000 Кл. Слаботочный режим работы возникает при срабатывании прибора от наведенного подвижным составом тока в рельсовой цепи - десятки Ампер и длительностью десятки секунд.
На основе заявленного изобретения были изготовлены макеты коммутирующего устройства, например, разрядника, показанного на фиг. 2.
Прибор содержит основные электроды 1 и 2 с токовводами 4 и  3 соответственно. Основной электрод 1 выполнен с отверстием, а электрод 2 является металлическим корпусом с диаметром 60 мм, в который впрессован стержень 3, являющийся токовводом. Токоввод 3 внутри корпуса 2 выполняет роль основного электрода. Электроды 1 и 2 формируют основной разрядный промежуток 5, а металлическая пластина 6 с отверстием 7, выполненная из тонкого листового тугоплавкого материала, например, молибдена, расположена таким образом, что электрический контакт между пластиной 6 и электродом 1 осуществляется со стороны  токоввода 4 изолированно от боковой поверхности электрода 1 воздушным зазором Дополнительный электрод 8 и пластина 6 образуют вспомогательный разрядный промежуток 9. Поджигающий электрод 10, соединенный с дополнительным электродом 8, и дополнительное коммутирующее устройство 11 (газонаполненный разрядник) расположены в отверстии электрода 1. В основных электродах размещены вставки из тугоплавкого материала 12. Стенки корпуса 2 вместе с впрессованным в него металлическим основанием 13 являются токовводом дополнительного электрода 8, который крепится к основанию 13. В основании 13 выполнены вентиляционные отверстия 14 и через изолятор 15 запрессован стержень 4 - токоввод основного электрода 1. Внутри основного электрода 1 расположен цилиндрический изолятор 17, в котором располагаются поджигающий электрод 10 и дополнительное коммутирующее устройство - газонаполненный разрядник 11. Поджигающий электрод 10 касается дополнительного электрода 8. Для обеспечения надежного контакта, поджигающего и дополнительного электродов, используется пружина 16. Величина напряжения срабатывания прибора определяется напряжением срабатывания газонаполненного разрядника, который имеет стабильный порог срабатывания (например, 2500 В). При достижении на токовводах напряжения 2500 В, происходит срабатывание газонаполненного разрядника 11. На поверхности поджигающего электрода 10 возникает искровой разряд, который инициирует разряд между пластиной 6 и дополнительным электродом 8. Под действием магнитного поля дуга перемещается по дополнительному разрядному промежутку 7 в область основного разрядного промежутка 5 между основными электродами 1 и 2.
Испытания макетных образцов показали, что при протекании заряда 900 Кл разрядники обеспечивали надежное срабатывание не менее 30 раз. Эрозия электродов в зоне инициирования разряда была незначительной. Интенсивная эрозия наблюдалась в зоне протекания основного разряда, но это не повлияло на надежность работы прибора. При относительно малых токах разряда (5-100) А и длительности воздействия до 2 мин. электрическая дуга от поджигателя 10 также перемещается по пластине 6 и дополнительному электроду 8 в зону основного промежутка 5 и, таким образом, не происходит „заваривание" основного электрода 1 и дополнительного электрода 8.
Таким образом, заявленное техническое решение позволяет создать надежное коммутирующее устройство, работающее как в сильноточном с большим протекаемым зарядом за импульс, так и в слаботочном длительном режиме.