КОММУТИРУЮЩЕЕ УСТРОЙСТВО С ОГРАНИЧИТЕЛЕМ НАПРЯЖЕНИЯ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА
SWITCHING DEVICE WITH AC VOLTAGE LIMITER

Область техники
[1] Заявленное изобретение относится к области электротехники, а именно к защитным аппаратам, предназначенным для защиты электрооборудования от перенапряжений. В частности, настоящее изобретение относится к разрядникам.
Уровень техники
[2] Разрядник представляет собой электрическое устройство, содержащее электроды, пространство между которыми образует искровой промежуток, заполненный какой-либо средой (жидкостью или газом), и дугогасительное устройство. Задачей данного оборудования является защита приборов от перенапряжений в подключенной сети, вызванных скачками напряжения, носящих техногенный (импульсные всплески) или природный (удар молнии) характер. Принцип работы этих приспособлений состоит в том, что при достижении определенного значения напряжения между двумя электродами искровой промежуток пробивается, снимая тем самым избыточное напряжение. Дугогасительное устройство обеспечивает устранения замыкания после срабатывания разрядника. Существует несколько видов данных аппаратов, различных по своим характеристикам и конструкции.
[3] Известно приспособление (US 4104693 A; опубл. 18.03.1997; МПК: H01T 1/22), включающее в себя в том числе цилиндрический изолированный корпус с припаянными электродами, имеющими полости, покрытые веществом, обладающим высокой способностью к эмиссии электронов. Согласно описанному решению, дуга зажигается между облицованными полостями в электродах.
[4] Недостатки этого разрядника состоят в том, что указанное вещество в ходе горения может осаждаться не только назад в полость, но и на стенки разрядника, тем самым ухудшая характеристики прибора.
[5] Известно другое решение (US 3719852 A; опубл. 06.03.1990; МПК: H01J 17/44), состоящее из в том числе катодного электрода, в котором имеется полость, содержащую вставку, включающую в себя поджигающий электрод, вставленный в керамический стержень, причем зажигающий электрод несколько выступает из керамического цилиндра, образуя c катодом дополнительный разрядный промежуток, а катод, в свою очередь, образует основной разрядный промежуток с окружающим его цилиндрическим анодом. При подаче напряжения свыше 1000 вольт возникает пробой между катодом и поджигающим электродом. Дуга способствует испарению катода, что приводит к ионизации основного разрядного промежутка и зажиганию основной дуги.
[6] В число недостатков приведенного устройства входит эрозия катода и зажигающего электрода, что способствует ухудшению качества прибора.
[7] В части устройства в целом аналогом является коммутирующее устройство (RU 2366051 C1; опубл. 27.08.2009; МПК: H01T 1/20), содержащее в том числе два основных электрода, разделенных разрядным промежутком, поджигающей электрод, дополнительный электрод, образующий с основным электродом дополнительный разрядный промежуток, токовводы и дополнительное коммутирующее устройство. При достижении определенного значения напряжения на токовводах происходит пробой дополнительного коммутирующего устройства, в качестве которого может выступать газонаполненный разрядник. Поверхностный искровой разряд, образованный на поджигающем электроде, инициирует разряд в дополнительном разрядном промежутке между основным электродом и дополнительным электродом. Сформированная между ними разрядная дуга выталкивается в область основного разрядного промежутка к торцам электродов под действием сил Лоренца.
[8] К недостаткам данного решения относятся интенсивная эрозия в зоне протекания основного разряда, которая при многократном использовании устройства может повлиять на характеристики прибора, а также нестабильность разрядной дуги, движимой силой Лоренца, заключающаяся в постепенном сдвиге области локализации дуги.
[9] Недостатком всех упомянутых приборов является либо затруднительная, либо вовсе невозможная разборка разрядников с целью замены комплектующих.
Сущность изобретения
[10] Задачей настоящего изобретения является создание разборного разрядного устройства, способного к многократному срабатыванию и простой замене.
[11] Данная задача решается за счет достижения заявляемым изобретением технического результата, заключающегося в создании устройства с улучшенными защитными свойствами конструкции, обеспечивающие ремонтопригодность и надежность.
[12] Технический результат достигается за счет конструкции коммутирующего устройства и ограничителя напряжения, обеспечивающей легкую замену отработавшего ограничителя, и их взаимного расположения
[13] Ограничитель напряжения переменного тока содержит изолирующую обойму, в которую коаксиально помещаются проводящие шайбы, между которыми находятся упругая шайба и разрядник. Проводящие шайбы разделены между собой изоляционным кольцом. В обойму помещаются упомянутые детали, что позволяет изолировать боковые поверхности проводящих шайб.
[14] Проводящие шайбы служат проводниками тока в разрядник и одновременно фиксируют разрядник и упругую шайбу между собой. Проводящие шайбы могут быть изготовлены из меди. Также в шайбах могут быть выполнены канавки, в которые вставляются уплотнители, обеспечивающие герметичность объёма, в котором находится ограничитель напряжения, и защищающие от внешнего атмосферного воздействия.
[15] Упругая шайба подпружинивает ограничитель при скручивании между собой контактных стержней для обеспечения надёжного контакта проводящей шайбы и разрядника. Упругая шайба также может быть изготовлена из меди.
[16] Ограничитель напряжения является основным рабочим элементом изобретения. Избыточное напряжение при скачках, вызванных, например, импульсными всплесками или ударом молнии, снимется разрядником, находящимся в ограничителе, при его срабатывании. В качестве разрядника может выступать газовый разрядник, вакуумный разрядник или варистор.
[17] Коммутирующее устройство состоит из двух контактных стержней, являющихся одновременно токовводами, помещаемых в корпус и разделенных ограничителем. Один из стержней проходит сквозь отверстие в корпусе и удерживает ограничитель с одной стороны, а другой проходит сквозь отверстие в крышке и удерживает ограничитель с другой стороны. Крышка закрывает корпус.
[18] Контактные стержни проводят ток к ограничителю и удерживают его внутри корпуса. Контактные стержни могут выть выполнены из металла, также металлические стержни могут быть покрыты коррозионностойким покрытием.
[19] Корпус защищает помещенный внутрь него ограничитель от воздействия окружающей среды. В предпочтительном варианте реализации один из стержней крепится к корпусу с помощью резьбы на стержне и в корпусе и гайки.
[20] Крышка служит для фиксации ограничителя внутри корпуса и также выполняет защитную функцию. В предпочтительном варианте реализации один из стержней ввинчивается в корпус и соединяется с крышкой с помощью вставленной в отверстие втулки, фиксируемой шайбой и гайкой.
[21] Конструкция ограничителя напряжения обеспечивает надежную защиту разрядника от воздействия внешней среды и его легкую замену после срабатывания.
[22] Конструкция коммутирующего устройства обеспечивает возможность легкой разборки упомянутых элементов, позволяющей заменить отработавший разрядник на новый. Крышка легко может быть снята с корпуса, откуда ограничитель может быть извлечен.
Описание чертежей
[23] Объект притязаний по настоящей заявке описан по пунктам и четко заявлен в формуле изобретения. Упомянутые выше задачи, признаки и преимущества изобретения очевидны из нижеследующего подробного описания, в сочетании с прилагаемыми чертежами, на которых показано:
[24] На Фиг. 1 показан разрез ограничителя напряжения.
[25] На Фиг. 2 показан разрез коммутирующего устройства.
[26] На Фиг. 3 показан общий вид коммутирующего устройства со вставленным в него ограничителем напряжения.
Подробное описание изобретения
[27] В приведенном ниже подробном описании реализации изобретения приведены многочисленные детали реализации, призванные обеспечить отчетливое понимание настоящего изобретения. Однако, квалифицированному в предметной области специалисту, очевидно, каким образом можно использовать настоящее изобретение, как с данными деталями реализации, так и без них. В других случаях хорошо известные методы, процедуры и компоненты не описаны подробно, чтобы не затруднять излишне понимание особенностей настоящего изобретения.
[28] Кроме того, из приведенного изложения ясно, что изобретение не ограничивается приведенной реализацией. Многочисленные возможные модификации, изменения, вариации и замены, сохраняющие суть и форму настоящего изобретения, очевидны для квалифицированных в предметной области специалистов.
[29] На Фиг. 1 изображен чертеж одного из выполнения заявляемого ограничителя напряжения, состоящего из изолирующей пластиковой обоймы 102, в которую коаксиально помещаются проводящие шайбы 101, между которыми находятся упругая шайба 105 волнистой формы, и разрядник 104. Обойма 102 может быть изготовлена из пластмассы, являющейся дешевым и распространенным электроизоляционным материалом, а также может быть выполнена из керамики, которая обладает хорошими изоляционными свойствами и достаточной прочностью. Наличие обоймы обеспечивает защиту разрядника 104 от внешних воздействий и способствует надежности срабатывания. Проводящие шайбы 101 выполняют функцию проводников электрического тока к разряднику и необходимы для его срабатывания, также они надежно фиксируют разрядник внутри обоймы 102. Упругая шайба 105 подпружинивает разрядник 104 для более плотного контакта с проводящей шайбой при сборке коммутирующего устройства и способствует фиксации разрядника 104 внутри обоймы 102. Упругая шайба в предпочтительном варианте осуществления имеет вид круглой шайбы, изогнутой в двух перпендикулярных плоскостях на одинаковый угол в противоположных направлениях. Такая геометрия обеспечивает лучшую степень фиксации разрядника между проводящими шайбами, но может быть реализована в другом виде. Медь может быть выбрана в качестве материала для проводящих и упругой шайб ввиду высокой проводимости и теплостойкости. Также шайбы могут быть выполнены из других хорошо проводящих материалов, например, алюминия, некоторых видов латуни, пружинистой стали и других сплавов. Разрядник 104 является основным рабочим элементом ограничителя напряжения. В качестве разрядника 104 может выступать, например, газовый разрядник, вакуумный разрядник или варистор. Характеристики разрядника, такие как напряжения пробоя и число срабатываний, непосредственно определяют характеристики ограничителя напряжения. Проводящие шайбы 101 разделены между собой изоляционным кольцом 103. Изоляционное кольцо 103 может быть выполнено из листового стеклотекстолита. Это вещество представляет собой слоистый листовой материал, состоящий из множества слоев стеклоткани, пропитанных полимерной термореактивной смолой и спрессованных под высоким давлением. Данный композитный материал отличается хорошей термостойкостью и высоким удельным сопротивлением, что вместе с долговечностью обеспечивает надежную изоляцию шайб на протяжении всего использования ограничителя напряжения. Также в качестве электроизоляционного материала могут выступать различные виды резины и керамики. Изоляционное кольцо 103 также может быть выполнено из другого материала с аналогичными характеристиками термостойкости, ударостойкости и электрического сопротивления и необходимо для изоляции проводящих шайб между собой, что обеспечивает работу ограничителя напряжения. В проводящих шайбах могут быть выполнены канавки достаточной глубины, сделанные вдоль середины всей боковой поверхности шайб и необходимые для фиксации уплотнителей 106, обеспечивающих герметичность объёма, в котором находится ограничитель напряжения, препятствующих проскальзыванию проводящих шайб внутри обоймы и защищающих от внешнего атмосферного воздействия, способствуя тем самым надежности срабатывания разрядника. Уплотнители 106 могут быть изготовлены из резины или силикона, обладающих высоким коэффициентом трения и являющихся дешевым материалом. В предпочтительном варианте осуществления обойма 102 изготовлена из пластмассы, уплотнители 106 выполнены из силикона, проводящие шайбы 101 и упругая шайба выполнены из меди, а изоляционное кольцо 103 выполнено из листового стеклотекстолита. В предпочтительном варианте осуществления в качестве разрядника 104 использован газоплазменный разрядник, имеющий напряжение пробоя свыше 1.6 кВ, а также срабатывающий до 10 раз при волне импульса 8/20 мкс с номинальным разрядным током 10 кА и срабатывающий как минимум 1 раз при волне импульса 8/20 мкс с номинальным разрядным током 15 кА.
[30] Коммутирующее устройство представляет собой прибор, включающий ограничитель напряжения и обеспечивающий его защиту от воздействия внешних факторов, таких как влажность и механические воздействия, на электрические характеристики ограничителя. Защитные функции выполняют крышка и корпус устройства. Кроме того, данный прибор осуществляет подключение ограничителя к электросети и заземление посредством контактных стержней. Преимущества коммутирующего устройства состоят в легкой разборке с возможностью замены отработавшего ограничителя и простоты самой конструкции.
[31] На Фиг. 2 изображен чертеж одного из выполнения заявляемого коммутирующего устройства, состоящего из двух контактных стержней 201 и 202, являющихся одновременно токовводами, помещаемых в корпус 208 и разделенных ограничителем 203. Контактные стержни 201 и 202 служат токовводами, обеспечивая течение тока к проводящим шайбам 101, и, как следствие, к разряднику, и потому являются необходимыми элементами. Контактные стержни могут быть выполнены из любого достаточно прочного и хорошо проводящего материала, наиболее удобным является металл, например, сталь или другие сплавы с хорошей проводимостью и устойчивые к действию высокого электрического напряжения и связанного с ним нагрева. Для лучшей надежности и большего срока службы стержни могут быть покрыты коррозионностойким покрытием, например, краской по металлу, а также оцинкованы. Стержень 201 проходит сквозь отверстие в корпусе 208 и удерживает ограничитель 203 с одной стороны, а стержень 202 проходит сквозь отверстие в крышке 204 и удерживает ограничитель 203 с другой стороны. Крышка 204 плотно закрывает корпус 208. Стержень 201 может крепиться к корпусу 208 с помощью резьбы, нарезанной на стержне 201 и в корпусе 208, и закрепляться гайкой 301, а стержень 202 может ввинчиваться в корпус 208 через крышку 204 с помощью вставленной в отверстие втулки 205, фиксируемой шайбой 207 и гайкой 206. Крепление стержней 201 и 202 к корпусу 208 также может быть осуществлено с помощью сварки или клея, но в этом случае разборка коммутирующего устройства будет затруднена, в отличие от предложенного варианта. Крепление стержня 202 к крышке также может быть реализовано посредством склеивания или сварки, однако и эти решения будут препятствовать замене ограничителя напряжения. Предложенные варианты крепления стержней к корпусу посредством резьбы или ввинчивания просты и вместе с тем эффективно обеспечивают надежный контакт между элементами устройства. В предпочтительном варианте осуществления стержни 201 и 202 выполнены из металла, на них также может быть нанесено коррозионностойкое покрытие.
[32] На Фиг. 3 изображен общий вид коммутирующего устройства со вставленным в него ограничителем напряжения. Гайка 301, как и было сказано выше, может закреплять стержень 201 к корпусу 208, обеспечивая надежную фиксацию. В целом гайка может быть заменена на соединения корпуса со стержнем посредством сварки или склеивания, но это затрудняет демонтаж устройства.
[33] Устройство работает следующим образом.
[34] Собранное и готовое к эксплуатации коммутирующее устройство, с подключенным к нему ограничителем напряжения, располагают на участке сети таким образом, что контактный стержень 202 подключается в сеть, а контактный стержень 201 заземляется. При достижении на контактных стержнях определенного значения напряжения (например, 2 кВ) ток течет через стержень 202, плотно контактирующий с ограничителем 203. Далее по ближайшей к стержню 202 проводящей шайбе 101 течет ток, перетекая тем самым к разряднику 104. При этом уплотнители 106 не препятствуют движению тока, а изоляционное кольцо 103 не позволяет замкнуть цепь посредством контакта шайб. Разрядник 104 срабатывает, приводя к последующему течению тока по упругой шайбе 105 на другую проводящую шайбу 101. Оттуда ток бежит по стержню 101 и заземляется. При этом изолирующая обойма 102 не позволяет току перетечь на корпус 208, закрепленный к стержню 201 резьбой и гайкой 301, или крышку 204, соединенную со стержнем 202 втулкой 205, шайбой 207 и гайкой 206. Разрядник, а, следовательно, и ограничитель напряжения в предпочтительном варианте осуществления срабатывают до 10 раз, после чего отработавшие элементы подлежат замене путем разборки коммутирующего устройства и ограничителя напряжения снятием крышки 204 с корпуса 208 и развинчивания гайки 206 с последующим выниманием шайбы 207, втулки 205, стержня 202 и самого ограничителя напряжения 203. Указанная конструкция обеспечивает улучшенную ремонтопригодность и является несложной в своей реализации.
[35] В настоящих материалах заявки представлено предпочтительное раскрытие осуществления заявленного технического решения, которое не должно использоваться как ограничивающее иные, частные воплощения его реализации, которые не выходят за рамки запрашиваемого объема правовой охраны и являются очевидными для специалистов соответствующей области техники.