Разрядник длинно-искровой стержневой

Полезная модель относится к токоотводящим устройствам для защиты от грозовых перенапряжений электрооборудования и различных сооружений и конструкций, например, высоковольтных установок, изоляторов и других элементов высоковольтных линий электропередачи, электрооборудования, а также конструктивных элементов других сооружений и устройств, нуждающихся в грозозащите.
Известен разрядник длинно-искровой стержневой, содержащий корпус стержневой формы из диэлектрического материала, на наружной поверхности которого выполнено спиралеобразно расположенное по длине корпуса ребро из диэлектрического материала, два основных электрода, соединенных механически с корпусом на противоположных его концах, один из которых выполнен с возможностью соединения с заземлением, а также промежуточные электроды, расположенные последовательно и спиралеобразно по длине корпуса между основными электродами и дистантно между собой (WO 2009120114, H01B 17/14, Н02Н 9/06, опубл. 01.10.2009 г.).
Особенностью известного разрядника является исполнение его корпуса в виде фарфорового изолятора со спиралевидным ребром, на концевых участках которого дистантно между собой закреплены промежуточные электроды, выстроенные в спиралеобразную линию. Промежуточные электроды выполнены в виде конусообразных выступов. Корпус разрядника выполнен монолитным. Один основной электрод соединен с проводом высоковольтной установки, а другой - с заземлением.
Достоинством такого разрядника является его небольшой размер по длине. Однако, на небольшой длине практически невозможно обеспечить траекторию перемещения скользящего разряда даже при укладке промежуточных электродов по спиральной линии вдоль длины корпуса разрядника. Условием работы разрядника с применением промежуточных электродов является наличие между каждой парой смежных промежуточных электродов воздушного искрового промежутка и достаточно большую длину линии расположения этих промежуточных электродов. При этом расстояние между промежуточными электродами в смежно расположенных спиральных витках (по линии вдоль длины корпуса параллельной осевой линии корпуса) должно быть достаточно большим, чтобы исключить перескакивание разряда с одного витка на другой, минуя промежуточные электроды. На небольшой длине корпуса увеличение длины линии расположения промежуточных электродов приводит к сокращению расстояния между спиральными витками. А это приводит к тому, что разряд идет не по спирали вдоль корпуса разрядника, а по прямой линии через те промежуточные электроды, которые выставлены на витках вдоль одной линии, параллельной осевой линии корпуса разрядника. Это обусловлено тем, что промежуточные электроды на ребрах винтовой линии установлены на торцевых стенках этого ребра. По сути, предполагалось, что установка промежуточных электродов на торцевых стенках ребра приведет к увеличению линии перемещения разряда, но в реальности, из-за непредсказуемости поведения разряда и его нелинейности в прохождении воздушного зазора, приводит к образованию некоего объемного сгустка импульсного разряда, который и захватывает одновременно несколько промежуточных электродов на разных спиралях ребра, что и приводит к не спиральному скольжению разряда вдоль корпуса разрядника.
Именно по этой причине такие разрядники не получили широкого применения. Взамен был разработан стержневой разрядник с достаточной большой длиной диэлектрической части, на поверхности которого спиралеобразно были укреплены промежуточные электроды на достаточно большом межвитковом расстоянии (так называемые разрядники петлевого типа, RU 2346368, фиг. 16).
В известном решении промежуточные электроды выполнены в виде точечных выступов из условия обеспечения между этими электродами воздушного зазора. Для успешной работы разрядника необходимо, чтобы таких воздушных зазоров было много (для получения увеличенного по длине пути скольжения разряда). Однако при таком исполнении этих электродов получение такого длинного пути скольжения возможно только на достаточно большой длине корпуса разрядника. Но в этом случае теряется достоинство стержневого разрядника в части небольших его габаритов.
Настоящая полезная модель направлена на достижение технического результата, заключающегося в повышении эксплуатационной надежности и работоспособности при небольших длинах корпуса.
Указанный технический результат достигается тем, что разрядник длинно-искровой стержневой, содержащий корпус стержневой формы из диэлектрического материала, на наружной поверхности которого выполнено спиралеобразно расположенное по длине корпуса ребро из диэлектрического материала, два основных электрода, соединенных механически с корпусом на противоположных его концах, один из которых выполнен с возможностью соединения с заземлением, а также промежуточные электроды, расположенные последовательно и спиралеобразно по длине корпуса между основными электродами и дистантно между собой, снабжен стержневым электродом, размещенным внутри выполненного из кремнийорганической резины корпуса и связанным механически с основным электродом, выполненным с возможностью соединения с заземлением, а промежуточные электроды размещены на поверхности корпуса в канавке, образованной спиралями ребра, при этом между другим основным электродом и спиралеобразно расположенным ребром на корпусе выполнены два расположенных на расстоянии относительно друг друга и относительно ребер и этого основного электрода два кольцевых ребра из диэлектрического материала.
При этом в этом разряднике стержневой электрод может быть выполнен в виде металлического цилиндра или в форме металлического стакана. А все ребра могут быть выполнены заодно с корпусом (при изготовлении литьем) или в виде отдельных деталей, закрепленных на корпусе или в виде одной отдельной детали, закрепляемой на корпусе..
А каждый промежуточный электрод может быть выполнен в виде пластинки с отогнутыми вверх противоположно расположенными краями, а в линии расположения промежуточных электродов каждые два смежно расположенных промежуточных электрода обращены навстречу друг к другу отогнутыми краями. При этом целесообразно, чтобы ширина каждого промежуточного электрода была равна ширине канавки, образованной спиралями ребра в месте установки этого электрода. Промежуточные электроды могут быть закреплены на несущей ленте из диэлектрического материала, а лента закреплена на поверхности корпуса в канавке, образованной спиралями ребра. А все ребра в сечении могут быть выполнены треугольной формы.
Настоящая полезная модель поясняется конкретным примером исполнения, который, однако, не является единственно возможным, но наглядно демонстрирует возможность достижения требуемого технического результата.
На фиг. 1 изображен общий вид аппарата для грозозащиты токопроводящих конструкций - разрядника стержневого длинно-искрового;
фиг. 2 - сечение А-А по фиг. 1.
В рамках настоящей полезной модели решается задача создания надежного и обладающего небольшими габаритами токоотводящего аппарата для грозозащиты токопроводящих конструкций. Полезная модель может использоваться для решения широкого круга задач и, прежде всего, не только для эффективного отвода тока молнии при защите электрооборудования от прямого удара молнии, но и как грозового токоотводящего устройства, способного гасить дугу сопровождающего тока при больших, реально встречающихся на практике значениях этого тока. В частности, рассматривается конструкция разрядника длинно-искрового стержневого для напряжения 6-10 кВт.
Согласно настоящей полезной модели аппарат для грозозащиты токопроводящих конструкций - разрядник длинно-искровой стержневой (фиг. 1) содержит корпус 1 стержневой формы из диэлектрического материала. Предпочтительно использовать в качестве такого материала кремнийорганическую резину. Конструктив разрядника построен на применении корпуса небольшой длины, но формирующего достаточно длинный путь скольжения разряда. В такой ситуации на поверхности диэлектрика могут возникать не только высокое напряжение, но и высокая температура.
Известно, что поверхностный разряд - пробой воздуха между электродами по поверхности твердого диэлектрика. Используемые на практике диэлектрики имеют неоднородное строение. Например, в твердых диэлектриках (электрокартон, пластмассы, керамика и др.) всегда присутствуют поры и различные включения. Поэтому большое практическое значение имеет знание картины распределения вектора напряженности электрического поля в диэлектриках в зависимости от расположения поверхности раздела диэлектрических сред относительно силовых линий поля, а также от их электрических и физико-химических свойств. Часто встречаемые диэлектрические конструкции состоят из двух диэлектрических сред, находящихся в различных агрегатных состояниях. Наиболее часто встречается комбинация твердый диэлектрик - воздух. При внесении в равномерное электрической поле диэлектрика картина поля искажается, поле становится неоднородным. После внесения твердого диэлектрика в однородное поле, это поле в межэлектродном пространстве становится неоднородным, и пробой наступает при более низком напряжении. Практически всегда вектор напряженности электрического поля имеет тангенциальную составляющую, действующую по касательной к поверхности диэлектрика.
s
На поверхности твердого диэлектрика всегда имеется пленка адсорбированной из воздуха влаги, которая в зависимости от природы диэлектрика является сплошной или прерывистой, толщиной от мономолекулярного слоя и более. Вода в пленке частично диссоциирована, а с увеличением непрерывности и толщины пленки количество ионов возрастает. Чем больше ε и λ твердого диэлектрика, меньше краевой угол смачивания θ, сильнее загрязнена его поверхность ионогенной примесью, выше относительная влажность воздуха и температура, тем толще пленка адсорбированной влаги и тем, следовательно, больше в ней ионов. Таким образом, электропроводность образующейся на поверхности твердого диэлектрика пленки адсорбированной из воздуха влаги является решающим фактором в нарушении однородности электрического поля, в результате чего разрядное напряжение Up снижается. Особенно значительно Up снижается при плохом прилегании электродов к поверхности твердого диэлектрика. В этом случае электрическое поле в межэлектродном пространстве становится еще более неоднородным, в результате разрядное напряжение снижается.
Если поверхность твердого диэлектрика сильно шероховатая и содержит трещины, то в этих местах образуются воздушные микрозазоры, которые оказываются включенными последовательно с твердым диэлектриком. Из-за разных значений диэлектрической проницаемости воздуха и твердого диэлектрика напряженность поля в микрозазорах повышается и, достигнув начальной напряженности, вызывает ионизацию воздушных включений. Ионизация, в свою очередь, становится дополнительным фактором усиления неоднородности поля и снижения Up.
Учитывая данные факторы и в целях получения достаточно чистой поверхности диэлектрика с обеспечением им высокой температурной стойкости корпус, то есть диэлектрический элемент, выполняется из кремнийорганической резины. Такие резины на основе кремнийорганических эластомеров не проводят электрический ток даже при 250-300°С, а, например, любые резины на основе органических эластомеров становятся электропроводными уже при 120-150°С. Кремнийорганические резины сгорают, если температура пламени превышает 600-700°С. Однако горение не сопровождается выделением токсичных продуктов, а на изделии остается изолирующий слой диоксида кремния. Указанные свойства позволяют, в большинстве случаев заметно повысить безопасность работы при возможных перенапряжениях и пожарах. Кремнийорганические резины отличаются хорошими электроизоляционными свойствами, высокой нагревостойкостью и морозостойкостью, большой влагостойкостью, стойкостью против действия озона и света.
Эти резины прекрасно формуются для получения изделий сложной формы с высокой чистотой поверхности и при достаточной однородности структуры материала после полимеризации. Кроме того, существенным недостатком многих диэлектриков, которые наиболее часто применяются в кабелях и изоляторах (полиэтилен, резина, поливинилхлорид, полипропилен, полиуретан) является старение материала под воздействием времени и внешней среды (ветер, влага, снег, грязь, кислоты в атмосфере и т.д.), в том числе из-за воздействия ультрафиолетового излучения и озона. Это приводит к разрушению поверхностного слоя и образованию микротрещин, раковин, шероховатости, которые нарушают однородность электрического поля, в результате чего разрядное напряжение Up снижается. А кремнийорганическая резина обладает повышенной стойкостью к внешнему воздействию, высокой озоно- и короностойкостью (благодаря отсутствию двойных связей). Насыщенный характер связей поладиметилеилоксана, большая энергия силоксановой связи обусловливают высокую стойкость главной цепи микромолекулы к воздействию тепла и кислорода. Возникающая при определенных температурах термоокислительная деструкция полидиметилсилоксана преимущественно идет за счет окисления боковых метальных групп с последующим поперечным сшиванием полимера силоксановыми связями. При температурах 200-250°С происходит сравнительно слабое окисление метальных групп, и только при 300-350°С и особенно при 400°С интенсивность деструкции резко возрастает и начинается распад связей Si - О. Электрическая прочность кремнийорганических резин за время старения при температуре 275 С в течение 4,5 месяца меняется без изменений.
В рамках настоящей полезной модели на наружной поверхности диэлектрического корпуса выполнено спиралеобразно расположенное по длине корпуса ребро 2 из диэлектрического материала, такого же, из которого выполнен корпус. В связи с этим корпус может формоваться вместе с этим ребром (все ребра выполнены заодно с корпусом - одна единая деталь) или это ребро может быть выполнено в виде отдельной детали и закреплено на корпусе, или ребро состоит из отдельных деталей, закрепленных на корпусе.
У разрядника имеются два основных электрода 3 и 4 (как вариант, выполненных в виде цилиндрических элементов - колец, одетых на диэлектрический корпус и механически скрепленных с ним), соединенных механически с корпусом на противоположных его концах, один 4 из которых выполнен с возможностью соединения с заземлением, а другой 3 - с проводом высоковольтной установки. Кроме того, разрядник снабжен стержневым электродом 5, размещенным внутри выполненного из кремнийорганической резины корпуса (диэлектрического элемента) и связанным механически с основным электродом 4, выполненным с возможностью соединения с заземлением. Стержневой электрод может быть выполнен в виде металлического цилиндра или в форме металлического стакана (как это показано на фиг. 1). Таким образом этот электрод имеет сложную форму и состоит из части, размещенной внутри диэлектрического элемента, и части, размещенной на наружной поверхности корпуса со стороны торца. Обе части механически связаны между собой.
Спиральное ребро 2 сформировано на диэлектрическом элементе на участке между основными электродами 3 и 4, которые смонтированы на наружной поверхности корпуса. Все витки ребра в сечении выполнены треугольной формы, как оптимально удобной для формования и для выполнения работ по монтажу промежуточных электродов. Кроме того, при такой форме сечения ребра реализуется максимальное охлаждение ребра и корпуса разрядника под действием воздушного обдува. Также наклонный профиль ребра позволяет исключить скапливание дождевой воды.
На наружной поверхности корпуса размещены промежуточные электроды 6, расположенные последовательно и спиралеобразно по длине корпуса между основными электродами 3 и 4 и дистантно между собой на одинаковом расстоянии. При этом промежуточные электроды 6 размещены на поверхности корпуса в канавке, образованной смежно лежащими спиралями ребра 2. Промежуточные электроды расположены на расстоянии друг от друга с образованием между ними воздушного зазора. Таким образом, линия последовательно расположенных промежуточных электродов формирует путь скольжения разряда по корпусу. При этом этот путь изолирован по межвитковому пространству за счет того, что витки ребра выполняют функцию направляющих и преграды, исключающей перескок облака или сгустка разряда с одного витка на другой. Так как по линии между витками промежуточные электроды одного витка изолированы от электродов другого витка (смежного), то создаются условия, при которых расстояние между витками может быть сокращено до оптимально минимального. При этом длина этой линии (линии положения промежуточных элементов) существенно увеличивается. Витки ребра обладают высокой температуростойкостью и сформированы достаточной высоты, что гарантировано обеспечивает прохождение поверхностного разряда только по межвитковому пространству: от одного промежуточного электрода к рядом расположенному электроду и так по цепочке до основного электрода. Ребро представляет собой изолирующую преграду, не позволяющую сгустку разряда или вытянутому по форме разряду перескакивать через витки. Тепловое воздействие и напряжение на промежуточных электродах гасится на ребре. В связи с этим витки ребра могут быть сближены, что позволяет максимально уплотненно использовать короткий участок длины диэлектрического элемента в качестве удлиненного пути для скольжения поверхностного разряда.
Для повышения эффективности гашения поверхностного разряда в разряднике обеспечено удвоенное количество воздушных промежутков между промежуточными электродами. Это обеспечено тем, что каждый промежуточный электрод выполнен в виде пластинки с отогнутыми вверх противоположно расположенными краями 7 (ушками), а в линии расположения промежуточных электродов каждые два смежно расположенных промежуточных электрода обращены навстречу друг к другу отогнутыми краями (фиг. 2). Таким образом между каждыми двумя смежно расположенными промежуточными электродами образовано три воздушных зазора: первый зазор - это воздушный промежуток между обращенными друг другу ушками двух электродов и два воздушных зазора - это расстояние между ушками в каждом промежуточном электроде. Установлено, что на каждом воздушном промежутке происходит гашение энергии разряда. Увеличение таких промежутков повышает эффективность функционирования разрядника как аппарата по гашению перенапряжения высоковольтной линии. Также для повышения эффективности гашения энергии разряда играет размер промежуточного электрода. В рассматриваемом разряднике в целях максимального использования межвиткового пространства ребра ширина каждого промежуточного электрода выполняется равной или практически равной ширине канавки, образованной спиралями ребра в месте установки этого электрода.
Как вариант в целях повышения технологии конструкции и сокращения срока его изготовления промежуточные электроды могут быть закреплены на несущей ленте из диэлектрического материала, а лента закреплена на поверхности корпуса в канавке, образованной спиралями ребра (пример иллюстративно не представлен).
Кроме того, особенностью заявленного разрядника является то, что между основным электродом 3 (который присоединяется к проводу высоковольтной конструкции) и спиралеобразно расположенным ребром 2 на корпусе 1 выполнены два расположенных на расстоянии относительно друг друга и на расстоянии относительно ребра 2 и этого основного электрода 3 кольцевых ребра 8 из диэлектрического материала (такого же, из которого выполнен корпус 1 или ребро 2).
Эти кольцевые ребра предназначены для увеличения пути утечки электрического напряжения, чтобы разряд не пошел в край цилиндрического основного электрода 4, имеющего связь с заземлением. Эти кольцевые ребра 8 могут быть выполнена заодно с корпусом 1 или выполнены в виде отдельной детали или деталей и закреплены на корпусе 1.
Основные электроды 3 и 4 кольцевой или трубчатой формы выполнены с выступом 9, который у электрода 3 расположен у начала заходной части ребра 2 напротив первого промежуточного электрода (для гарантированного отекания разряда с этого электрода на первый промежуточный электрод), а у электрода 4 - у конечной части ребра 2 напротив последнего промежуточного электрода (для гарантированного истекания разряда с последнего промежуточного электрода на основной электрод 4).
В рамках настоящей полезной модели рассматривается компоновочное решение конструкции разрядника длинноискрового стержневого. Вопросы толщины стенки диэлектрического корпуса 1, его длины, высоты ребра 2 и высот кольцевых ребер 8, расстояний между смежно расположенными промежуточными электродами 6 и между ушками каждого промежуточного электрода 6, наклона спирали витков ребра 2, в данной заявке не рассматриваются, как не относящиеся к компоновочному решению. Данные вопросы направлены на точные расчеты, зависящие от условий эксплуатации. Также не рассматриваются вопросы выбора металлов для электродов.
Разрядник работает следующим образом.
Грозовой разряд, идущий с линии электропередачи, принимает электрод 3 и передает его промежуточные электроды 6. Далее грозовой разряд скользит по промежуточным электродам 6 по пространству между витками ребра и уходит в электрод 4, который соединен с заземлением. При повторе грозового разряда процедура гашения дуги повторяется.
1
0
1
1
1
1
0
0
0
0
1
1
0
1
0
1
0
1
1
1
0
Из принципиальной электрической схемы разрядника понятно, что в случае воздействия на аппарат импульса перенапряжения (соответствующего напряжению U) сначала пробивается искровой разрядный промежуток между высоковольтным проводом защищаемой электропередачи и средством крепления, то есть первым основным электродом 3, а затем разряд развивается от этого электрода 3 по направлению ко второму основному электроду 4, последовательно пробивая воздушные промежутки между промежуточными электродами 6. Между электродами (металлический стержень 5) и промежуточными электродами существует емкость С, а между промежуточными электродами 6 - емкость С. Эти емкости соединены последовательно, причем при воздействии импульса перенапряжения к ним прикладывается напряжение U. Напряжение U на емкости С, т.е. напряжение на искровом промежутке между стержнем и ближайшем к нему дополнительным электродом, в относительных единицах определяется по формуле: U/U=1/1+(C/C)/ Благодаря относительно большой площади поверхности промежуточных электродов, а также вследствие того, что диэлектрическая проницаемость твердого диэлектрика е значительно выше, чем диэлектрическая проницаемость воздуха ε (обычно ε/ε≈2÷3), емкость промежуточного электрода 6 на стержень 5 существенно больше, чем его емкость на электрод 3, т.е. C>C и, соответственно, C/C<1. При значениях отношения С/С, лежащих в диапазоне С/С=0,1÷0,9, напряжение U находится в диапазоне U=(0,53÷0,91)U. Поэтому при воздействии напряжения U на аппарат основная часть падения напряжения приходится на первый искровой промежуток между стержнем 5 и электродом 3. Под действием этого напряжения U данный промежуток пробивается, и первый промежуточный электрод приобретает потенциал стержня 5, а следующий, соседний с первым промежуточным электродом приобретает потенциал U. Далее физическая картина пробоя искрового промежутка повторяется. Таким образом, происходит каскадное, т.е. последовательное перекрытие промежутков между промежуточными электродами 6 с образованием дугового разряда (дуги). Благодаря каскадности срабатывания разрядных промежутков обеспечиваются требуемые низкие разрядные напряжения срабатывания токоотводящего устройства в целом.
Полезная модель является промышленно применимой во всех областях высоковольтной техники, связанных с электропередачей. Конструкция аппарата предусматривает возможность его изготовления как в мелкосерийном, так и в массовом производстве, поскольку он является высокотехнологичным устройством.