РАЗРЯДНИК ДЛЯ ЗАЩИТЫ ОТ ПЕРЕНАПРЯЖЕНИЙ
ARRESTER FOR OVERVOLTAGE PROTECTION

Настоящее изобретение относится к разряднику для защиты от перенапряжений с защищенным от прикосновения корпусом и расположенным в корпусе ограничивающим напряжение активным элементом согласно ограничительной части пункта 1 формулы изобретения.
Такой защищенный от прикосновения разрядник для защиты от перенапряжений выполнен для применения в диапазоне напряжения до 44 кВ, в целом, как штекерный разрядник. Он может присоединяться с помощью стандартизованного штекерного разъема к защищаемой от перенапряжения, защищенной от прикосновения высоковольтной установке, например, к изолированному газом переключающему устройству или трансформатору. Для устройств, эксплуатируемых в более высоком диапазоне напряжений, вообще отсутствуют стандартизованные электрические соединения, выполненные, в частности, как штекерные разъемы.
Варианты выполнения защищенного от прикосновения разрядника для защиты от перенапряжений указанного типа описаны в документах EP 1083579 B1, EP 1383142 B1 и DE 10 в 2007027411 A1. Описанные разрядники для защиты от перенапряжений имеют соответственно один заполненный изолирующим средством, защищенный от прикосновения корпус, в котором расположен ограничивающий напряжение активный элемент, имеющий выполненный в виде батареи столбик варисторных элементов. Активный элемент соединен через стенку корпуса с выполненным как разъемный элемент штекерного разъема электрическим вводом. Этот электрический ввод находится снаружи заполненного изолирующим средством корпуса и поэтому может соединяться, образуя штекерный разъем, с разъемным элементом также выполненной защищенной от прикосновения высоковольтной установки.
В документе CN 201859724 U описан выполненный со штекерным разъемом разрядник для защиты от перенапряжений - с корпусом разрядника, соединенным посредством экранированного гибкого кабеля с выполненным в виде штекерного контакта электрическим вводом. Штекерный контакт является деталью разъемного элемента с сужающимся в сторону от корпуса разрядника изоляционным элементом. При установке разрядника для защиты от перенапряжений корпус разрядника можно позиционировать в небольшом монтажном пространстве, практически как угодно позиционировать, а затем фиксировать в штекерном разъеме разъемный элемент при помощи зажимного устройства с предварительным поджатием.
Задачей изобретения является создание разрядника для защиты от перенапряжений прежде указанного типа, отличающегося, несмотря на незначительный монтажный объем, большой эксплуатационной надежностью.
Согласно настоящему изобретению представлен разрядник для защиты от перенапряжений с защищенным от прикосновения корпусом, расположенным в корпусе активным элементом, ограничивающим напряжение, имеющим выполненную в виде батареи варисторов столбик варисторных элементов и с расположенным снаружи корпуса и соединенным электрически с батареей варисторов электрическим вводом для присоединения защищаемой от перенапряжений, защищенной от прикосновения высоковольтной установки. Электропроводящее соединение между батареей варисторов и электрическим вводом выполнено в виде жилы кабеля гибкого высоковольтного кабеля. Высоковольтный кабель имеет два участка кабеля, из которых расположенный внутри корпуса первый участок выполнен неэкранированным, а расположенный снаружи корпуса второй участок кабеля имеет окружающий жилу кабеля и изоляцию кабеля электропроводящий экран, с возможностью его электрического соединения с одной стороны с корпусом, а с другой стороны - с защищенным от прикосновения герметичным кожухом высоковольтной установки. Корпус вмещает устройство для амортизации колебаний, вводимых снаружи в батарею варисторов.
В разряднике для защиты от перенапряжений согласно изобретению электрический ввод можно позиционировать относительно активного элемента, а вместе с ним также и относительно корпуса разрядника практически как угодно. Поэтому его можно устанавливать и механически фиксировать, экономя место, рядом со стационарной высоковольтной установкой в произвольно выбранном месте. В этом случае при подходящем позиционировании электрического ввода вследствие обратимой деформации высоковольтного кабеля можно электрически соединять электрический ввод теперь уже фиксированного разрядника для защиты от перенапряжения с высоковольтной установкой. Так можно сэкономить место. Создающиеся снаружи разрядника для защиты от перенапряжений, почти в высоковольтной установке, удары или колебания, которые в виде изгибающего усилия или колебания могли бы механически недопустимо сильно нагружать разрядник для защиты от перенапряжений, эффективно уменьшаются, а при необходимости почти полностью амортизируются при взаимодействии гибкого высоковольтного кабеля и амортизирующего устройства в батарее варисторов, содержащей подверженные опасности разрушения керамические элементы варистора. Так как амортизирующее устройство эффективно амортизирует, кроме того, передаваемые снаружи непосредственно в корпус усилия, создаваемые иногда механической нагрузкой корпуса или землетрясением, это существенно повышает надежность эксплуатации разрядника для защиты от перенапряжений. Всесторонней защиты активного элемента от недопустимой механической нагрузки достигают, если амортизирующее устройство имеет запрессовывающий батарею варисторов амортизирующий элемент, по меньшей мере, из несжимаемого резиноподобного деформируемого материала. Если амортизирующий элемент имеет изолятор, то можно сэкономить на обычно необходимом изолирующем средстве между активным элементом и корпусом. В то же время при нанесении электропроводящего слоя, имеющего потенциал корпуса, на поверхность изолятора можно надежно управлять в этом случае действующим при эксплуатации разрядника внутри его корпуса сильным электрическим полем, вследствие чего еще более повышается надежность эксплуатации разрядника.
Для управления уже указанным сильным электрическим полем, по меньшей мере, вокруг выполненного неэкранированным первого участка кабеля или батареи варисторов можно вводить выполненный кольцеобразно первый элемент управления электрическим полем. Для улучшения надежности эксплуатации этот элемент управления электрическим полем содержит образованный полимерной матрицей и запрессованным в матрицу наполнителем материал, имеющий при нагрузке электрическим полем постоянного тока или электрическим полем переменного тока до 100 Гц, по меньшей мере, диэлектрическую проницаемость между 5 и 45 или нелинейную вольт-амперную характеристику.
Для улучшения характеристик затухания, а вместе с ними дальнейшего повышения надежности эксплуатации материал первого элемента управления электрическим полем несжимаем и может деформироваться с эластичностью резины.
Первый элемент управления электрическим полем может быть проведен вокруг батареи варисторов и фиксирован на потенциале запрессованной в изоляцию кабеля жилы кабеля. Для улучшения управления полями может быть предусмотрен второй элемент управления электрическим полем, проведенный вокруг первого участка кабеля и фиксированный на потенциале корпуса.
Первый элемент управления электрическим полем также может быть проведен вокруг первого участка кабеля и фиксирован на потенциале корпуса.
Легко выполнимой, надежной в эксплуатации электрической передачи достигают при помощи расположенного в корпусе штекерного разъема с соединенным электрически с жилой кабеля первого участка кабеля первым штекерным контактом и с электрически соединенным с соединительной арматурой активного элемента вторым штекерным контактом. Предпочтительно, если первый или второй штекерный контакт содержит воротник контактного гнезда, по меньшей мере, с одним спиральным контактом.
Вследствие того что, по меньшей мере, один из варисторных элементов батареи варисторов выполнен, как элемент с магнитным полем большой напряженности и имеющий при нагрузке импульсным током 10 кА формы волны 8/20 µs остаточное напряжение, по меньшей мере, 450 В/мм, высота батареи варисторов даже в разрядниках для защиты от перенапряжений, рассчитанных для высоких номинальных напряжений, может выдерживаться небольшой. Это повышает механическую прочность батареи при заданном номинальном напряжении, а соответственно также и надежность эксплуатации разрядника.
Высоковольтный кабель может иметь выполненный неэкранированным третий участок высоковольтного кабеля, с возможностью проведения его через герметичный кожух во внутреннюю часть наполненной изолирующим средством высоковольтной установки, а электрический ввод может быть установлен на открытом конце третьего участка кабеля и выполнен в качестве соединительного элемента для расположенного в изолирующем средстве высоковольтной установки электрического соединения.
Электрический ввод может быть выполнен как штекерный контакт, штекерный контакт может являться частью фиксированного на потенциале корпуса, защищенного от прикосновения разъемного элемента кабельного штекерного разъема с высоковольтной установкой, разъемный элемент может иметь эластично деформируемый изоляционный элемент, и в изоляционный элемент может быть запрессован фиксированный к потенциалу корпуса третий элемент управления электрическим полем, проведенный кольцеобразно вокруг третьего, с возможностью его проведения в герметичный кожух высоковольтной установки, выполненного неэкранированным участка высоковольтного кабеля.
Изобретение поясняется чертежами, на которых представлено следующее:
фиг.1 - вид в плане на проведенный вдоль оси A разрез варианта выполнения разрядника для защиты от перенапряжений согласно изобретению, который может электрически соединяться с помощью гибкого высоковольтного кабеля с высоковольтной установкой;
фиг.2 - вид в разрезе первого варианта выполнения места соединения разрядника для защиты от перенапряжений по фиг.1 с высоковольтной установкой;
фиг.3 - вид в разрезе второго варианта выполнения места соединения разрядника для защиты от перенапряжений по фиг.1 с высоковольтной установкой.
Изображенный на фиг.1 разрядник для защиты от перенапряжений имеет направленный вдоль оси А, преимущественно в форме цилиндра, корпус 10. Корпус выполнен защищенным от прикосновения и состоит из металла, например алюминия, токопроводящего полимерного материала, например, наполненного электропроводимой сажей, или диэлектриком, покрытым токопроводящим материалом, например металлом или токопроводящим полимерным материалом. Корпус изображен только схематически и имеет трубу-оболочку 11, на нижнем конце которой установлено дно 12, а на его верхнем конце - крышка 13.
Внутри корпуса 10 расположен направленный в направлении оси А активный элемент 20 в форме батареи. Как это описано вначале в Уровне техники, активный элемент 20 содержит выполненную в виде батареи 21 стопку варисторных элементов, в частности, на основе оксида металла, в частности ZnO, а также замыкающую активный элемент 20 вверх и соответственно вниз металлическую арматуру 22 и соответственно 23, а также неизображенное зажимное устройство, поджимающее обе металлические арматуры, а вместе с ними также и отдельные варисторные элементы, создающие контактное нажатие, для батареи 21 варисторов. Металлическая арматура 23 имеет возможность соединения с потенциалом Земли посредством при необходимости проведенного изолированно из корпуса 10 проводника 24. Металлическая арматура 22 электрически соединена через штекерный разъем 40 с жилой 35 кабеля гибкого высоковольтного кабеля 30, проведенного насквозь наружу через определенный крышкой 13 участок стенки корпуса 10, с расположенным снаружи корпуса, изображенным на фигурах 2 и 3 электрическим вводом 31.
На фиг.1 показано, что высоковольтный кабель 30 имеет выведенный из корпуса 10 экранированный кабельным экраном 34 участок 32 кабеля и расположенный внутри корпуса 10 участок 33 кабеля. Экран 34 содержит, в целом, эластично деформируемую металлическую оболочку и проводящий слой кабеля, нанесенный на запрессованную жилу 35 кабеля изоляцию 36 кабеля. На чертеже показан экран 34 электрически соединенный с фиксированным на потенциале Земли корпусом 10. Соединения достигают фланцем 14, расположенным центрально в крышке 13 и через который во внутреннюю часть корпуса 10 герметично проведен высоковольтный кабель 30. Вследствие этого достигают защиты от прикосновения к расположенному снаружи корпуса выполненному экранированным участку 32 кабеля. Участок 33 не имеет экрана 34 и состоит, по существу, из жилы 35 кабеля и обертывающей жилу кабеля изоляции 36 кабеля. На чертеже показано, что нижний конец жилы 35 кабеля электрически фиксирован в выполненном как штырьковый вывод разъемном элементе 41 штекерного разъема 40. Интегрированный в соединительную арматуру 22 разъемный элемент 42 выполнен как воротник контактного гнезда и имеет контактирующий со штырьковым выводом спиральный контакт 43 из скрученной в виде кольцевого сердечника пружинной проволоки.
Внутри корпуса 10 расположен также элемент 25 управления электрическим полем, регулирующий действующее во время эксплуатации разрядника между батареей 21 варисторов и находящейся на потенциале Земли трубой-оболочкой 11 электрическое поле. Элемент управления электрическим полем электрически соединен с металлической арматурой 22 и поэтому находится на электрическом потенциале жилы 35 кабеля. Он выполнен, по существу, осесимметрично и обведен кольцеобразно вокруг батареи 21 варисторов. Этот элемент может содержать наряду с фиксированным на потенциале жилы 35 кабеля электродом также другие фиксированные токонепроводящие относительно этого электрода металлические слои и соответственно электропроводящие слои полимерного материала, проведенные, по существу, в соосной компоновке вокруг этого электрода. Этот элемент управления электрическим полем экранирует при эксплуатации разрядника варисторные элементы, подверженные особенно сильному электрическому полю.
Управление электрическим полем между не экранированным участком 33 высоковольтного кабеля 30 и корпусом 10 достигают фиксированным на электрическом потенциале корпуса 10, кольцеобразным элементом 37 управления электрическим полем. Этот элемент управления электрическим полем электрически соединен с крышкой 13 и поэтому находится как корпус 10, в целом, на потенциале Земли. Элемент 37 управления электрическим полем может быть сконструирован как элемент 24 управления электрическим полем и обведен, по существу, осесимметрично вокруг неэкранированного участка 33 кабеля.
Как показано на фиг.2 и фиг.3, электрический ввод 31 служит для электрического подключения защищаемой от перенапряжения и в целом стационарной высоковольтной установки 50 к защищенному от контакта герметическому кожуху 51, заполненному, по меньшей мере, газообразным, жидким или твердым изолирующим средством 52, обычно изолированного газом инкапсулированного переключающего устройства или заполненного изолирующим средством устройства, как, например, наполненного изоляционным маслом трансформатора. При превышении определенной величины высокого напряжения прилагаемого к высоковольтной установке 50 высокого напряжения, активный элемент 20 ограничивает поданное напряжение на эту величину. Затем в электрической цепи, содержащей электрический ввод 31, жилу 35 кабеля, активный элемент 20 и проводник 24, отводимый ток протекает к земле.
Как показано на фиг.2, расположенное на открытом конце выполненного неэкранированным участка 33 кабеля электрический ввод 31 может быть интегрирован как соединительный элемент для расположенного внутри заполненного изолирующим средством герметического кожуха 51, т.е. в изолирующем средстве 52, электрического соединения. Такое электрическое соединение реализуют предпочтительно при изготовлении высоковольтной установки 50, иногда посредством винтового соединения, непосредственно электрически фиксирующего проведенный вовнутрь герметического кожуха 51 электрический ввод 31 к электрическому вводу неизображенного активного элемента высоковольтной установки. При этом экранированный участок 32 высоковольтного кабеля проводят герметично во внутреннюю часть герметичного кожуха 51 и фиксируют при помощи расположенного в герметичном кожухе 51 фланца 53. Элемент 38 управления электрическим полем, фиксированный к электрическому потенциалу экрана 34 кабеля, а также к электрически соединенному с ним герметичному кожуху 51, служит для управления действующим внутри герметичного кожуха 51 между фиксированным без экрана 34 участком 39 высоковольтного кабеля 30 и герметичным кожухом 51. Такое соединение можно изготовить при помощи сравнительно простых средств, и оно отличается высокой надежностью в эксплуатации.
Как показано на фиг.3, электрический ввод 31, расположенный на открытом конце выполненного неэкранированным участка кабеля, также может быть интегрирован в один из двух разъемных элементов 61, 62 кабельного штекерного разъема 60. Изображенный пунктиром электрический ввод 31 выполнен, как это видно, как контактный штырь и является элементом выполненного в виде штекера разъемного элемента 61. Этот разъемный элемент имеет эластично деформируемый изоляционный элемент 63, обеспечивающий высоковольтную изоляцию между штекерным контактом 31 и экраном 34 участка 32 кабеля и соответственно - герметичным кожухом 50. В изоляционный элемент 63 запрессован фиксированный на потенциале корпуса 10 кольцеобразный элемент 38 управления электрическим полем.
При соединении содержащий электрический ввод 31 разъемный элемент 61 с выполненным как штекерный контакт электрическим вводом 31 проводят через прежде не показанное отверстие электропроводящего заземленного герметичного кожуха 51 высоковольтной установки 50 в выполненный в виде штепсельного гнезда, как это видно, разъемный элемент 62. Этот разъемный элемент имеет выполненный как тюльпан штекерный контакт 64 и изоляционный элемент 65. При введении разъемного элемента 61 в устройство 50 или соответственно в штепсельное гнездо 62 оба изоляционных элемента 63, 65 эластично деформируются на конических поверхностях прилегания настолько сильно, что между ними предпочтительно в диэлектрическом отношении не остается никакого воздушного зазора. Вместо образованного обеими коническими поверхностями прилегания внутреннего конуса штекерный разъем может иметь также внешний конус.
Особенное преимущество штекерного разъема 60 состоит в том, что испытания напряжения высоковольтной установки могут просто проводиться на месте. После извлечения разъемного элемента 61 к разъемному элементу 62 можно прикладывать испытательное напряжение и легко выполнять затем различные испытания напряжения.
При установке разрядника для защиты от перенапряжений в высоковольтную установку 50 сначала устанавливают механически разрядник для защиты от перенапряжений в подходящем месте, а затем электрически соединяют электрический ввод 31 с проводником высоковольтной установки 50. Так как электрический ввод можно позиционировать, благодаря эластичному деформированию высоковольтного кабеля 30 относительно корпуса 10, практически как угодно, разрядник можно устанавливать компактно, в целом, рядом со стационарной высоковольтной установкой, в произвольно выбранном месте и механически фиксировать его.
Вызываемые сильной деформацией или чрезмерными колебательными движениями высоковольтного кабеля и передаваемые от участка 32 кабеля на участок 33 кабеля усилия амортизируются при помощи расположенного внутри корпуса 10 устройства 70. Это амортизирующее устройство содержит запрессовывающий батарею 21 варисторов амортизирующий элемент 71, по меньшей мере, из несжимаемого, похожего на резину пластично деформируемого материала.
Амортизирующий элемент 71 имеет изолятор 72, заполняющий самую большую часть корпуса 10. Этот изолятор содержит наполненный при необходимости одной или несколькими добавками эластомер, обычно силикон или EPDM. Изолятор 72 запрессовывает активный элемент 20 и электрически изолирует его по отношению к корпусу 10. Нанесенный на поверхность изолятора 72 слой 73 из электропроводящего материала, обычно из электропроводящего лака, фиксированный на электрическом потенциале корпуса, обеспечивает, чтобы между изолятором 72 и корпусом 10 не создавалось электрическое поле.
Исходящие от высоковольтной установки 50 механические усилия, которые иногда в виде изгибающего усилия или колебания могли бы недопустимо сильно механически нагружать разрядник для защиты от перенапряжений, эффективно уменьшаются при взаимодействии гибкого высоковольтного кабеля 30 и амортизирующего устройства 70 и почти полностью гасятся в батарее 21 варисторов, содержащей подверженные опасности разрушения керамические варисторные элементы. Так как амортизирующее устройство 70 эффективно гасит к тому же вводимые снаружи непосредственно в корпус 10 усилия, вызываемые иногда механической нагрузкой корпуса или землетрясением, то вследствие этого существенно повышается эксплуатационная надежность разрядника для защиты от перенапряжений.
Улучшения амортизационного действия, а вместе с ним дальнейшего повышения эксплуатационной надежности достигают посредством того, что элементы 25 и 37 управления электрическим полем запрессовывают в изолятор 72. Особенно хорошей амортизации достигают, если формируемые в целом из металла элементы управления электрическим полем выполнены из несжимаемого резиноподобного деформируемого материала, содержащего полимерную матрицу и запрессованный в матрицу заполнитель, и имеющего при нагружении электрическим полем постоянного тока или электрическим полем переменного тока до 100 Гц, по меньшей мере, диэлектрическую проницаемость между 5 и 45 или нелинейную вольт-амперную характеристику. Обычно подходящими заполнителями являются электропроводящая сажа, титанат, такой как титанат бария, или микроваристоры, такие как легированный оксидом металла и агломерированный оксид цинка. Так как предельная нагрузка батареи 21 варисторов значительно увеличивается с увеличением длины батареи, то исходящие от высоковольтной установки 50 или возникающие в другом месте усилия особенно эффективно гасятся в разрядниках для защиты от перенапряжений, имеющих сравнительно высокую батарею 21 варисторов и размеры которых подобраны для напряжений выше 44 кВ, предпочтительно выше 100 кВ.
Благодаря тому что, по меньшей мере, один из варисторных элементов батареи 21 варисторов является так называемым элементом с магнитным полем большой напряженности, т.е. варисторным элементом, имеющим при нагрузке импульсным током 10 кA с формой волны 8/20 µs остаточное напряжение, по меньшей мере, 450 В/мм, батарея 21 варисторов дополнительно укорачивается, а вследствие этого еще более повышается надежность эксплуатации разрядника.