ГЕРМЕТИЧНЫЙ РАЗРЯДНИК
SEALED DISCHARGE

Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение относится к электрическим устройствам для коммутации тока и защиты от перенапряжений, например грозовых, принцип действия которых основан на электрическом разряде.
Уровень техники
Из авторского свидетельства SU 1461361 известна разрядная камера, содержащая два электрода, между которыми размещен диэлектрический элемент с отверстием по его оси. Каждый электрод снабжен сосной отверстию цилиндрической диэлектрической вставкой с напыленным на нее слоем металла, обращенным к изолятору.
Импульсная разрядная камера используется следующим образом. После подачи импульса напряжения (или перенапряжения) пробивается разрядный промежуток в отверстии диэлектрического элемента и по последовательной цепи из электродов, напыленного слоя металла и разрядного промежутка, образованного отверстием в диэлектрическом элементе начинает течь ток. При протекании тока напыленный слой металла взрывается и образуется токопроводящий плазменный слой. Этот слой соединяет электроды с разрядным промежутком, образованным в отверстии, к которому и передается энергия от источника питания.
Преимуществом такого разрядника является то, что вследствие ионизации паров сопротивление такого слоя становится значительно меньше сопротивления паров метала, благодаря чему снижаются потери на нагрев и увеличивается КПД передачи энергии. Кроме того, вследствие увеличения плотности тока увеличивается плотность энергии в разряде. Еще одним преимуществом разрядника является то, что продукты разряда не выходят наружу и не оказывают вредного воздействия на окружающую среду.
Недостатком такого разрядника является то, что гашение разряда происходит через весьма длительный промежуток времени, поскольку токопроводящий плазменный слой находится внутри разрядной камеры все время и поддерживает разряд даже при невысоких напряжениях. Кроме того, такая разрядная камер имеет высокое напряжение инициации разряда. Эти недостатки отрицательно сказываются на оборудовании, для защиты которого от перенапряжений может использоваться разрядная камера.
Еще одним важным недостатком описанного разрядника является его одноразовость использования. В результате срабатывания разрядника напыленный слой металла взрывается и продукты разряда осаждаются по всей поверхности разрядной камеры, препятствуя повторному срабатыванию.
Раскрытие изобретения
Задачей изобретения является обеспечение многоразовости использования разрядника при отсутствии вредного воздействия продуктов разряда на окружающую среду.
Задача изобретения решается с помощью разрядника, включающего в себя корпус, выводы, расположенные частично внутри и частично снаружи корпуса, электроды, расположенные в корпусе и электрически соединенные с выводами, диэлектрический элемент с отверстием, размещенный между электродами, причем по меньшей мере один из электродов снабжен отверстием, закрываемым клапаном.
Отличительным признаком изобретения является то, что корпус содержит одну или более герметичную камеру, причем клапан выполнен с возможностью выпускания продуктов разряда из объема между электродами в герметичную камеру. В предпочтительном варианте осуществления изобретения электрод отделен от герметичной камеры выводом, снабженным отверстием, причем клапан выполнен с возможностью выпускания продуктов разряда из объема между электродами в герметичную камеру через отверстия в электроде и выводе.
В преимущественных вариантах выполнения разрядника по меньшей мере один электрод имеет углубление в поверхности, обращенное к диэлектрическому элементу, а также к другому электроду через отверстие в диэлектрическом элементе, причем диэлектрический элемент прилегает к электроду по периметру углубления. Углубление предпочтительно выполнено в центральной части электрода. Желательно, чтобы часть диэлектрического элемента, не прилегающая к электроду с углублением, была расположена по всему периметру углубления. В одном из вариантов выполнения углубление является конусообразным. Это конусообразное углубление может иметь угол от 140° до 170° в развороте. В другом варианте углубление является лункообразным.
Основным техническим результатом настоящего изобретения является то, что разряд происходит внутри корпуса разрядника и, как следствие, отсутствует вредное воздействие продуктов разряда на окружающую среду при одновременном обеспечении сохранения работоспособности разрядника, то есть многоразовости его использования. В результате, герметичный корпус позволяет многократно применять разрядник в наружных условиях (т.е. вне помещений и корпусов оборудования), когда может наблюдаться неблагоприятное воздействие на разрядник окружающей среды (исполнение УХЛ1). Разрядник также может использовать в сложных и взрывоопасных условиях, так как предотвращается риск возгорания паров, находящихся снаружи разрядника, под воздействием продуктов разряда (например, в случаях установки на трубопроводах с горючими жидкостями или газами, на резервуарах для хранения горючих жидкостей или газа).
Кроме того, дополнительным полезным техническим результатом является повышенная механическая прочность разрядника. Кроме того, внутренняя конструкция разрядной камеры позволяет рассеивать продукты горения электрической дуги и обеспечивает отсутствие влияния внешних температурно-влажностных условий на разрядную камеру.
Из-за наличия в электроде углубления в соответствии с вышеописанными вариантами также достигаются такие технические результаты, как то, что разряд между электродами инициируется при меньшем напряжении ввиду развития по поверхности диэлектрического элемента поверхностного скользящего разряда. Более того, развитие разряда ускоряется за счет магнитного раздувания скользящего разряда, поскольку поверхностные токи на электроде и диэлектрическом элементе противоположно направлены. Благодаря этому также достигается такой технический результат, как снижение порога и уменьшение длительности срабатывания (пробоя) разрядной камеры, т.е. величины перенапряжения, при котором происходит срабатывание разрядной камеры (развитие в нем электрического разряда), и времени, за которое происходит срабатывание разрядной камеры при сохранении других параметров разрядной камеры.
В то же время напряжение окончания разряда повышается из-за того, что расстояние между электродами по прямой в месте наличия отверстия в диэлектрическом элемента увеличено вследствие наличия углубления (лунки). Это приводит к тому, что уменьшается длительность протекания разряда по причине повышения напряжения окончания разряда. Настоящим изобретением обеспечена многоразовость использования разрядника благодаря тому, что разряд происходит без напыления.
Краткое описание чертежей
На фиг. 1 показан разрядник, содержащий разрядную камеру по изобретению, в разрезе.
Осуществление изобретения
Далее изобретение поясняется со ссылкой на фиг. 1, на которой в разрезе показан разрядник, содержащий в своем составе разрядную камеру в соответствии с настоящим изобретением. Описывается предпочтительная форма реализации разрядника и, соответственно, разрядной камеры, в которой многие элементы имеют осевую симметрию и представляют собой или содержат круги или кольца. Однако необходимо учитывать, что разрядник и разрядная камера в соответствии с настоящим изобретением могут быть реализованы и в других форм-факторах.
Разрядник на фиг. 1 содержит корпус 1, в котором размещены электроды 4 и 5, разделенные между собой по краям диэлектрическим элементом 6, который также может называться диэлектрическим разделителем. Электроды преимущественно выполнены в виде дисков или колец преимущественно с использованием графитсодержащего материала (например, из графита) или тугоплавкого сплава (например медно-вольфрамового), или другого проводящего материала. Электроды, выполненные из этих материалов, имеющих низкую способность к закорачиванию в результате термического действия протекающего тока, позволяют повысить ресурс работы и увеличить пропускную способность разрядника. Диэлектрический разделитель предпочтительно выполнен в виде кольца, например, из термостойкого полимерного материала (некоторые виды полиэтилена, полипропилена, фторопласта или других), слюды, целлюлозно-бумажного материала или других материалов, имеющих высокую термическую и электрическую прочность. Форма поверхности разделителя предпочтительно плоская.
Диэлектрический разделитель расположен между электродами с прилеганием к ним и образованием между ними разрядной камеры. Прилегание необходимо для ограничения объема разрядной камеры, а также для обеспечения возможности формирования скользящего вдоль диэлектрического разделителя разряда, что возможно только в случае прилегания. Корпус в предпочтительном варианте имеет углубление, в которое вставляется диэлектрический разделитель для предотвращения развития разряда по стенке корпуса вместо разрядной камеры.
Разрядник и разрядная камера в соответствии с изобретением содержат один или более клапанов (преимущественно два), выполненных с возможностью выпускания продуктов разряда из корпуса. Пример разрядника, показанный на фиг. 1, содержит два клапана 7, размещенных между электродами 4 и 5 и крышками 2, герметично соединенными с корпусом 1. На фиг. 1 между клапанами 7 и электродами 4 и 5 дополнительно установлены выводы 3 (их части, находящиеся в корпусе), которые в общем варианте могут располагаться и других местах. При наличии между клапанами и электродами выводов клапаны в целом также располагаются между электродами и стенкой корпуса.
К корпусу 1 прилегают крышки 2, которые считаются частью корпуса. Эти крышки образуют герметичные камеры, предназначенные для размещения продуктов разряда. Из разрядной камеры между электродами 4 и 5 в герметичные камеры, закрытые крышками 2, продукты разряда проходят через отверстия, выполненные в электродах 4 и 5, а также выводах 2 (если они установлены так, как показано на фиг. 1). В варианте, показанном на фиг. 1, отверстия являются центральными и закрываются клапанами 7. При прохождении разряда между электродами 4 и 5 образуются продукты разряда и повышенное давление, от которого клапаны 7 открываются и продукты разряда попадают в герметичные камеры, ограниченные стенками корпуса 1, крышками 2 и, в соответствии с вариантом на фиг. 1, выводами 3.
В показанном на фиг. 1 варианте выполнения изобретения клапан выполнен состоящим из двух частей - центральной части, упирающейся в стенку корпуса, и периферийной части, соединенной с центральной частью и частично прилегающей к периферии отверстий так, что при повышении давления в разрядной камере периферийная часть клапана может отгибаться и выпускать из разрядной камеры газ через образовавшееся отверстие между клапаном и периферийной частью отверстия.
Для этого периферийная часть клапана может быть выполнена гибкой, эластичной или упругой или, в другом варианте, шарнирно соединенной с центральной частью клапана. Кроме того, клапаны могут быть одноразовыми, то есть периферийная часть клапана может необратимо отходить от периферийной части отверстия. В других вариантах реализации изобретения клапаны могут быть выполнены и в другом виде и установлены поверх отверстия или в отверстии электрода.
Выводы 3 состоят из двух частей, одна из которых расположена в корпусе 1 с прилеганием к электроду 4 или 5, соответственно, чем обеспечивается электрическое соединением выводов с электродами, а другая находится снаружи корпуса и предназначена для включения разрядника в электрическую цепь. Так как эти части образуют единый вывод, они электрически соединены друг с другом и могут подводить перенапряжение извне корпуса к разрядным электродам 4 и 5. Так как в предпочтительном варианте электроды имеют дисковую или кольцевую форму, то части выводов 3, расположенные внутри корпуса 1, преимущественно имеют такую же форму для обеспечения максимальной площади прилегания и электрического контакта.
Электроды 4 и 5 могут быть выполнены в виде дисков или в другой форме, обеспечивающей надежный электрический контакт с выводами и закрытость объема разрядной камеры, для чего необходимо прилегание к диэлектрическому разделителю. Для этого электроды могут иметь плоские поверхности, обращенные к диэлектрическому элементу (например, электроды могут быть выполнены в виде плоских элементов, как электрод 4 на фиг. 1).
В нормальном режиме разрядник представляет собой большое сопротивление и препятствует протеканию блуждающих токов (токов утечки) по проводящим частям оборудования. При возникновении перенапряжений, превышающих порог срабатывания разрядника, происходит пробой разрядной камеры и через него протекает ток, уравнивающий потенциал между проводящими частями (корпусами) оборудования или оборудованием и заземлителем. При этом разряд происходит внутри корпуса разрядника и отсутствует риск возникновения возгорания паров (например, в случаях установки на трубопроводах с горючими жидкостями или газами, на резервуарах для хранения горючих жидкостей или газа).
В преимущественно варианте выполнения разрядника по изобретению один или оба электрода имеют углубления в поверхности, обращенной к другому электроду в пределах разрядной камеры. В разряднике на фиг. 1 только один электрод 5 имеет углубление. Поскольку электроды разделены диэлектрическим элементом, поверхности, в которых выполнены углубления, также обращены и к диэлектрическому элементу.
Указанное углубление выполнено таким образом, что углубление в одном электроде обращено к другому электроду как через отверстие в диэлектрическом элементе, так и через диэлектрический элемент. Отверстие в диэлектрическом элементе имеет меньшую площадь, чем площадь углубления. Углубление на краях обращено к диэлектрическому элементу, то есть диэлектрический элемент прилегает к электроду по периметру углубления.
Другими словами, диэлектрический элемент (разделитель) 6 прилегает к электроду 5 с углублением частично. Благодаря прилеганию электрода 5 и разделителя 6 обеспечивается герметичность разрядной камеры, а наличие углубления обеспечивает наличие между электродом 5 и разделителем 6 выемки 8, соединенной с одной стороны с местом прилегания электрода 5 и диэлектрического разделителя 6.
При поступлении на электроды разрядника перенапряжения, по поверхности разделителя 6 в области выемки 8 начинает развиваться скользящий разряд от места соединения выемки 8 с областью прилегания электрода 5 и диэлектрического разделителя 6 в сторону внутреннего края разделителя 6, обращенного в разрядную камеру. При достижении этого внутреннего края канал скользящего разряда попадает на электрод 4 и разряд переходит в дуговой. Переход скользящего разряда в дуговой ускоряется за счет того, что токи, скользящие по электроду и диэлектрическому разделителю, протекают в противоположных направлениях и канал разряда под действием магнитного поля растягивается в сторону центра электродов, вследствие чего он быстрее переходит в прямую разрядную дугу.
Благодаря тому, что скользящий разряд по поверхности диэлектрического разделителя начинает развиваться при напряжениях, меньших, чем может начаться дуговой разряд (сам по себе), величина перенапряжения, при котором происходит срабатывание разрядника (т.е. в нем развивается электрический разряд), снижается и, как следствие, уменьшается порог срабатывания (пробоя) разрядника.
Необходимо отметить, что остальные параметры разрядника, за исключением напряжения окончания разряда, сохраняют свои прежние значения, так как после инициации дугового разряда с помощью скользящего разряда остальные процессы проходят в режиме дугового разряда. Что касается напряжения окончания разряда, то оно повышается, поскольку расстояние между электродами, через которое проходит дуговой разряд, больше, чем если бы электроды прилегали к диэлектрическому элементу в виде разделителя и на краях отверстия в разделителе, поскольку при наличии углубления расстояние между электродами увеличено на величину углубления, например, около края отверстия в диэлектрическом элементе.
В показанном на фиг. 1 разряднике углубление выполнено в центральной части электрода 5. Та часть диэлектрического разделителя, которая не прилегает к электроду с углублением, то есть разделитель 6 в области выемки 8, расположена по периметру углубления.
Форма углубления может быть ступенчатой или любой другой, образующая которой представляет собой одну или несколько прямых линий, например, углубление может быть выполнено конусообразным, как это показано на фиг. 1. В других вариантах углубление может быть лункообразным, образующая которого в некоторых вариантах осуществления может содержать или представлять собой кривую второго или большего порядка. Благодаря такой форме упрощается развитие скользящего разряда по поверхности диэлектрического элемента. В то же время необходимо учитывать производственный аспект, в соответствии с которым более простые формы, например конусообразная, могут оказаться более предпочтительными ввиду их более простого выполнения в электроде (сложные формы углубления с образующими кривыми второго или более высоких порядков требует более сложного оборудования и технологии).
Конусообразное углубление предпочтительно имеет угол от 140° до 170° в развороте (например, в сечении через ось конуса). При таких углах обеспечивается, с одной стороны, достаточная величина диаметра кромки, образуемой конусообразным углублением и плоскостью электрода, которая прилегает к диэлектрическому разделителю. С другой стороны, такие углы обеспечивают достаточное расстояние между электродом и диэлектрическим разделителем в области 8 инициации разряда (см. фиг. 1), необходимое для формирования скользящего разряда. Это обеспечивает возможность снижения напряжения зажигания разряда и повышение напряжения гашения дуги до оптимально соотносящихся величин.
Описание реализации изобретения дано в отношении разрядника, содержащего в своем составе разрядную камеру, соединенную с одной или двумя герметичными камерами. Корпус и выводы разрядника, соединенные с разрядной камерой, могут иметь форму, отличающуюся от показанной на фиг. 1. В частном варианте разрядник в соответствии с настоящим изобретением может быть использован в составе устройства защиты, имеющего внешний корпус различных конструктивных исполнений, например, имеющего исполнение для крепления на стандартную рейку ТН 35 (ГОСТ Р МЭК 60715-2003) (также может называться DIN-рейка).