Узел разрядника для защиты перенапряжений

 

Изобретение относится к разрядникам для защиты от перенапряжений и, в частности, к узлам, содержащим разрядник, выполненный с возможностью обеспечения индикации в случае его отказа. Узел разрядника для защиты от перенапряжений содержит разрядник для защиты от перенапряжений, имеющий первую клемму для соединения с отстоящей от нее второй клеммой при первом электрическом потенциале, и третью клемму для соединения с отстоящей от нее четвертой клеммой при втором электрическом потенциале, первая клемма находится ниже в вертикальном направлении указанной третьей клеммы; соединительное средство, предназначенное для электрического соединения первой клеммы разрядника с указанной второй клеммой и выполненное с возможностью физического отсоединения от первой клеммы в ответ на возникновение короткого замыкания разрядника; и средство для восстановления электрического соединения, выполненное с возможностью обеспечения после указанного отсоединения непрерывного электропроводного пути от указанной первой клеммы разрядника к указанной второй клемме. Техническим результатом является повышение уровня безопасности. 7 з.п. ф-лы, 7 ил.

Изобретение относится к разрядникам для защиты от перенапряжений и, в частности, к узлам, содержащим разрядник для защиты от перенапряжений, который выполнен с возможностью обеспечения индикации в случае его отказа.

Разрядники для защиты от перенапряжений, иногда называемые молниеотводами, являются устройствами, выполненными с возможностью защиты другой электрической аппаратуры, как правило, при распределении или подаче электрической мощности от чрезмерно высокого и, таким образом, как правило, разрушительного электрического напряжения, вызванного, например, разрядом молнии. Разрядник для защиты от перенапряжений электрически соединен между аппаратурой, находящейся под высоким электрическим напряжением, например 5 кВ или выше, и электрическим потенциалом земли, и является электрически изолирующим при отсутствии перенапряжения, то есть при избытке электрического напряжения, которое может выдержать соответствующая аппаратура. При наличии перенапряжения разрядник для защиты от перенапряжений становится проводящим, чтобы безопасно отводить последующий электрический ток к земле. Затем разрядник возвращается в свое изолирующее состояние.

Однако в некоторых случаях разряд молнии может иметь место столь близко от разрядника для защиты от перенапряжений, что электрическая мощность, которая попадает на разрядник, достаточно велика, чтобы в экстремальных случаях полностью его разрушить. В менее экстремальных случаях повреждение может иметь место в результате образования непрерывного пути электрического тока к земле. Неисправности, приводящие, например, к коротким замыканиям, могут возникать в распределительных электросетях, в которых через разрядник для защиты от перенапряжений в течение относительно короткого промежутка времени между высоким электрическим напряжением и землей течет относительно небольшой электрический ток короткого замыкания, например, величиной 10 А. В частности, это может иметь место в электрических сетях, в которых используются изолированные нейтральные провода и нейтральные провода с заземлением через активно-реактивное сопротивление, и в электрических сетях с заземленными нейтральными проводами, связанными с очень высоким сопротивлением заземления в отдаленном местоположении. В таких случаях разрядник для защиты от перенапряжений может иметь внутренний отказ, но без очевидного наружного повреждения, так что затруднена визуальная идентификация отказа разрядника обслуживающим техническим персоналом.

Иногда для изоляции отказавшего разрядника от электрического напряжения, приложенного к нему, или от земли используют разъединители. Разъединитель выполнен с возможностью физического отделения от разрядника для защиты от перенапряжений при предварительном обнаружении определенного состояния отказа, как правило, минимального электрического тока в течение минимального промежутка времени, прерывая, таким образом, путь электрического тока к земле. Электрическая дуга, которая возбуждается сначала, прекращается по мере дальнейшего движения разъединителя в направлении от разрядника. Однако, если после каждого кратковременного однофазного короткого замыкания не будет производиться визуальный контроль, то электрическая сеть будет продолжать работать с отказавшим и отсоединенным разрядником и, таким образом, при пониженном уровне безопасности. Это может иметь место, поскольку короткие замыкания воздушной линии электроснабжения на землю являются довольно обычными. Короткое замыкание на землю, то есть работа разъединителя, обнаруживается в помещении системы управления, и автоматический выключатель отключает источник электропитания и через короткий промежуток времени вновь его подключает. Если короткое замыкание было кратковременным, то система будет продолжать обеспечивать электроснабжение. Повреждение может возникнуть в любой части системы и совсем необязательно в связи с разрядником для защиты от перенапряжений. Таким образом, обнаружение короткого замыкания не дает мотивации для посылки линейного монтера для проверки состояния всех разрядников для защиты от перенапряжений.

В заявке WO-A-93/01641 (Joslyn Corporation) описан высоковольтный разрядник для защиты от перенапряжений с устройством для подачи аварийного сигнала об отказе разрядника. В этом устройстве, если разрядник отказал, то разъединитель отсоединяется и обеспечивает видимую индикацию того, что разрядник отказал, и, в то же самое время, посредством дополнительного проводника восстанавливается соединение с разрядником для защиты от перенапряжений, сохраняя, благодаря этому, путь электрического тока между разрядником для защиты от перенапряжений и электрическим потенциалом земли. При взрывном отделении разъединителя от разрядника, разъединитель остается присоединенным к устройству только посредством гибкого проводника и не образует части восстановительной цепи. Дополнительный проводник, который восстанавливает соединение с разрядником для защиты от перенапряжений, образован из упругого элемента, который освобождается благодаря растягивающему усилию, создаваемому отклоняющимся разъединителем и который восстанавливает соединение с разрядником для защиты от перенапряжений посредством его упругости. В некоторых условиях, например при прохождении большого электрического тока, который может генерировать большие отталкивающие механические силы, такого упругого усилия недостаточно для сохранения хорошего электрического соединения.

Одной из задач, которую решает настоящее изобретение, является создание узла разрядника для защиты от перенапряжений, который не имеет или, по меньшей мере, уменьшает недостатки известных устройств.

Таким образом, в соответствии с одним аспектом настоящего изобретения предлагается узел разрядника для защиты от перенапряжений, содержащий (а) разрядник для защиты от перенапряжений, имеющий (1) первую клемму для соединения при использовании с отстоящей от нее второй клеммой при первом электрическом потенциале, и (2) третью клемму для соединения при использовании с отстоящей от нее четвертой клеммой при втором электрическом потенциале, который отличается от указанного первого потенциала, причем при использовании первая клемма находится в местоположении, которое в вертикальном направлении ниже местоположения указанной третьей клеммы; (б) соединительное средство, предназначенное для электрического соединения в процессе работы первой клеммы разрядника для защиты от перенапряжений с указанной второй клеммой, причем указанное соединительное средство выполнено с возможностью физического отсоединения от первой клеммы в ответ на возникновение предварительно определенного состояния повреждения, например короткого замыкания, разрядника для защиты от перенапряжений; и (в) средство для восстановления электрического соединения, выполненное с возможностью установления после указанного отсоединения непрерывного электропроводного пути от указанной первой клеммы разрядника для защиты от перенапряжений к указанной второй клемме; при этом указанное средство для восстановления электрического соединения выполнено с возможностью направления соединительного средства при отсоединении от разрядника для защиты от перенапряжений и для поддержания соединительного средства в местоположении, которое находится в вертикальном направлении ниже местоположения указанной первой клеммы.

Предварительно определенное состояние повреждения, вызывающего, например, короткое замыкание, может быть охарактеризовано, например, наличием избыточного электрического тока 15 А в течение времени более 0,5 секунд.

Предпочтительно, чтобы соединительное средство содержало изолированный удлиненный проводящий элемент, который находится в прямом электрическом контакте с первой клеммой разрядника для защиты от перенапряжений до тех пор, пока не имеет место отсоединение, и который после отсоединения обеспечивает электрический контакт с указанным средством для восстановления электрического соединения. Предпочтительно, чтобы при отсоединении соединительное средство связывалось с пятой клеммой, которая образует часть несущей конструкции средства для восстановления электрического соединения и которая электрически соединена с первой клеммой разрядника для защиты от перенапряжений, так что когда соединительное средство поддерживается средством для восстановления электрического соединения, его электрический элемент находится в электрическом контакте с пятой клеммой.

Предпочтительно, чтобы, по меньшей мере, часть соединительного средства, которая проходит через пятую клемму, до отсоединения была жесткой.

Предпочтительно, чтобы соединительное средство имело коническую наружную периферийную поверхность и после отсоединения поддерживалось в коническом отверстии средства для восстановления электрического соединения, причем соответствующие углы конусности конической наружной поверхности соединительного средства и конического отверстия средства для восстановления электрического соединения отличались друг от друга. При такой конструкции в противоположность конструкции, в которой указанные углы конусности по существу равны, когда короткое замыкание устранено, соединительное средство может быть просто удалено из опорного элемента средства для восстановления электрического соединения.

Как правило, первая нижняя клемма разрядника для защиты от перенапряжений будет находиться по существу при электрическом потенциале земли, а вторая клемма будет по существу точкой заземления, тогда как третья верхняя клемма будет находиться при высоком электрическом напряжении (например, 1 кВ или более) четвертой клеммы, которое может иметь часть электрической аппаратуры, например, будучи воздушным силовым распределительным проводом. В соответствии с этим, для удобства описания и без всякого ограничения, ниже будет делаться ссылка на соединение с электрическим потенциалом земли.

Таким образом, узел, соответствующий настоящему изобретению, обеспечивает функцию отсоединения в случае отказа разрядника для защиты от перенапряжений. Отсоединение соединительного средства с землей от разрядника для защиты от перенапряжений ведет к образованию электрической дуги. Последующее обеспечение непрерывного, то есть не газового, и постоянного проводящего пути к земле от клеммы заставляет дугу погаснуть, а ток короткого замыкания течь к земле вдоль указанного пути. Особым преимуществом является то, что соединительное с землей средство само не только реагирует на короткое замыкание путем физического отсоединения от клеммы разрядника для защиты от перенапряжений, но после этого образует часть непрерывного пути к земле. То, что электрический ток короткого замыкания сохраняется даже при погашенной электрической дуге, зажженной благодаря отсоединению соединительного с землей средства, будет предотвращать постоянную коммутацию связанным с ним автоматическим переключателем источника электропитания с аппаратурой. Таким образом, после этого линейный монтер должен быть послан для идентификации и замены отказавшего разрядника прежде, чем мощность может быть восстановлена, гарантируя безопасность электрической системы.

Предпочтительно, чтобы соединительное средство было выполнено с возможностью движения в ответ на указанное состояние короткого замыкания между первым положением, в котором оно физически присоединено к разряднику для защиты от перенапряжений, и вторым положением, в котором оно поддерживается на элементе, отстоящем от указанной клеммы разрядника. Как правило, при использовании обычного разъединителя он свободно свисает вниз из разрядника для защиты от перенапряжения после его работы, как описано в заявке WO-A-93/01641. Благодаря отсоединению от нижней клеммы разрядника для защиты от перенапряжений сила тяжести будет гарантировать эффективность отделяющего движения. Кроме того, благодаря направлению соединительного средства к специальному опорному элементу, когда оно отсоединяется, можно гарантировать то, что электрическая дуга, зажженная между первой клеммой разрядника для защиты от перенапряжений и удаляющимся разъединителем потухнет должным образом. Последующее поддержание и удержание разъединителя увеличивает целостность восстановленного непрерывного проводящего пути и минимизирует опасность того, что свободно движущийся разъединитель случайно восстановит электрическую дугу между ним и клеммой разрядника для защиты от перенапряжений.

Очевидно, что первая клемма разрядника для защиты от перенапряжений, расположенная в вертикальном направлении ниже третьей клеммы, не обязательно находится непосредственно ниже ее в вертикальном направлении. То есть, ориентация разрядника для защиты от перенапряжений не обязательно должна быть по существу вертикальной, хотя это может быть его обычной ориентацией, но она может составлять некоторый угол с вертикалью, причем отсоединение должно иметь место от нижней из этих двух клемм. В том случае, когда разрядник смонтирован по существу горизонтально, отсоединение может иметь место от любой из клемм или от той, которую посчитают расположенной ниже в вертикальном направлении, чем другая.

Предпочтительно, чтобы опорный элемент был электрически соединен с клеммой разрядника так, чтобы обеспечивать непрерывный электропроводный путь.

Предпочтительно, чтобы, по меньшей мере, часть соединительного с землей средства была жесткой и направлялась опорным элементом при движении средства между указанными двумя положениями. Предпочтительно, чтобы жесткая часть соединяющего с землей средства содержала изолированный проводящий удлиненный элемент, который проходит через отверстие в опорном элементе.

Сам разрядник для защиты от перенапряжений может быть любой пригодной конструкции. Например, элементы разрядника для защиты от перенапряжений могут содержать множество блоков варистора, содержащих, например, оксид цинка. Элементы разрядника для защиты от перенапряжений смонтированы в наружном изолирующем корпусе, который предпочтительно формуют из полимерного материала, который может быть подвергнут тепловой усадке по месту. Корпус может быть предусмотрен с одной или более юбками с тем, чтобы увеличить длину пути утечки на землю между клеммами разрядника и создать укрытие от попадания жидкого загрязнения.

Теперь на примере предпочтительного варианта осуществления настоящего изобретения со ссылкой на сопроводительные чертежи будут подробно описаны узлы разрядников для защиты от перенапряжений. На чертежах фиг. 1 - вертикальный вид спереди узла в его нормальной пассивной конфигурации; фиг. 2 - узел, показанный на фиг. 1, сразу после того, как имело место короткое замыкание; фиг. 3 - узел, показанный на фиг. 1, в его конечной конфигурации после короткого замыкания;
фиг. 4A и фиг. 4B - схематические увеличенные изображения дополнительного варианта узла, имеющего модифицированный разъединитель, показанный перед и после срабатывания, соответственно;
фиг. 5A и фиг. 5B - схематические увеличенные изображения другого варианта узла, имеющего иначе модифицированный разъединитель;
фиг. 6A и фиг. 6B - схематические увеличенные изображения еще одного варианта узла, имеющего иначе модифицированный разъединитель; и
фиг. 7 - увеличенный элемент другой модификации узла, показанного на фиг. 1-3.

Как показано на чертежах, имеющий юбки полимерный разрядник 2 для защиты от перенапряжений имеет верхнюю (третью) клемму 4, соединенную с высоковольтной аппаратурой (не показана). Своим нижним концом разрядник 2 связан посредством изолятора 8 с заземленным блоком 6 (вторая клемма), будучи разнесенным относительно него посредством изолятора 8. Разъединитель 10 смонтирован на нижнем конце разрядника 2 в электрическом соединении с первой нижней заземленной клеммой 12 разрядника (фиг. 2 и фиг. З). Жесткий изолированный проводящий стержень 14 проходит вниз от четвертой клеммы 15 разъединителя 10, которая соединена с клеммой 12 и посредством гибкого проводника 16 соединена с заземленным блоком 6, обеспечивая в соответствии с этим заземление клеммы 12 разрядника.

Изолированный проводящий кронштейн 18 смонтирован на нижнем конце разрядника 2 для защиты от перенапряжений в электрическом соединении с заземленной клеммой 12. Кронштейн 18 имеет L-образную форму и проходит вниз от разрядника 2 так, чтобы расположить электрод 20 непосредственно под разъединителем 10. Изолированный стержень 14 проходит через отверстие в электроде 20 (пятая клемма).

На фиг. 1 показано нормальное функционирование высоковольтной аппаратуры (не показана), соединенной с высоковольтной клеммой 4 разрядника 2 для защиты от перенапряжений, и самого разрядника 2, то есть разрядник 2 действует как изолятор и электрический ток не проходит к земле через блок 6.

В случае повреждения, вызывающего, например, короткое замыкание в разряднике 2, ток короткого замыкания проходит через разрядник 2 для защиты от перенапряжений, воспринимается разъединителем 10, когда он проходит через него, и затем ток идет к земле в блоке 6 через стержень 14 и гибкий проводник 16. Разъединитель 10 при срабатывании выталкивается из разрядника для защиты от перенапряжений (как показано на фиг.2). Между заземленной клеммой 12 разрядника для защиты от перенапряжений и удаляющимся разъединителем 10 возникает электрическая дуга 22. Разъединитель 10 в своем движении скользит по направляющему каналу в жестком изолированном стержне 14 к электроду 20 на поддерживающем кронштейне 18.

Движение разъединителя 10 останавливается в результате контактного взаимодействия с кронштейном 18 (фиг. 3). В этом положении между электродом 20 и нижней клеммой 15 разъединителя 10, которая плотно прилегает к электроду 20 кронштейна, устанавливается хороший электрический контакт. Таким образом, от заземленной клеммы 12 разрядника для защиты от перенапряжений через поддерживающий кронштейн 18 к его электроду 20 устанавливается непрерывный и постоянный электропроводный путь, который посредством клеммы 15 разъединителя, изолированного стержня 14 и гибкого проводника 16 проходит к заземленному блоку 6. Поскольку полное сопротивление этого пути меньше сопротивления через электрическую дугу 22, дуга затухает и весь электрический ток короткого замыкания проходит по указанному непрерывному пути.

Непрерывное течение электрического тока через разрядник для защиты от перенапряжений к земле теперь будет препятствовать автоматическому выключателю, связанному с высоковольтной аппаратурой и источником электропитания, восстанавливать подачу электроэнергии. Таким образом, разрядник для защиты от перенапряжений придется заменить, сохраняя в результате этого электрическую безопасность системы.

На фиг. 4A и фиг. 4B показан немного модифицированный разъединитель 10', в котором нижняя клемма 15' имеет форму усеченного конуса для обеспечения устойчивого контактного сопряжения с электродом 20 кронштейна. На фиг. 4B показан разъединитель 10' после того, как он сработал, причем верхняя часть 24 еще присоединена к разряднику 2 для защиты от перенапряжений, а нижняя часть 26 отстоит от него и поддерживается на кронштейне 18. Изоляция стержня 14 на приведенном чертеже показана с частичным вырывом для иллюстрации расположенного в нем проводящего элемента.

На фиг. 5A и фиг. 5B показана модификация разъединителя 10', изображенного на фиг. 4A и фиг. 4B, в котором изолирующая или изолированная винтовая спираль 28, показанная схематически, расположена между разрядником 2 для защиты от перенапряжений и нижним плечом кронштейна 18 так, чтобы действовать в качестве направляющей движения стержня 14 и нижней части 26, когда она отделяется от своей верхней части 24. Открытая конструкция направляющей 28 позволяет проходить через нее любым элементам отделяющегося разъединителя 10'.

На фиг. 6A и фиг. 6B показана еще одна модификация разъединителя, в котором изолирующая вентиляционная трубка 40 подвешена к разряднику 2 для защиты от перенапряжений и поддерживает электрод 20. Изолированный стержень 14 проходит вверх из электрода 20 кронштейна, как можно видеть в вырыве, сделанном на черт. трубки 40, и размещается в канале 42 трубки 40. Канал 42 и другие каналы 44 сообщаются с наружной частью разрядника для обеспечения возможности выхода взрывных газов из трубки 40, когда имеет место разъединение.

На фиг. 7 показан увеличенный элемент модификации узла 2 в его разъединенном состоянии (фиг. З), установленный на несущей конструкции, причем нижний конец разъединителя 10a, его клемма и проводящая часть 50, имеющая форму усеченного конуса с углом конусности β, проходят в нем, при этом часть 50 направлена к жесткому изолированному проводящему стержню 14a. Поддерживающий кронштейн предусмотрен с электродом 20a, имеющим коническое отверстие 52 с углом конусности α. Как показано α ≠ β и, в частности, α > β, благодаря чему между элементами 50, 52 существует только линейный контакт, а не поверхностный, который бы имел место, если бы α = β. Таким образом облегчается последующее отделение разъединителя 10a от поддерживающего кронштейна,

Формула изобретения

1. Узел разрядника для защиты от перенапряжений, содержащий разрядник для защиты от перенапряжений, имеющий первую клемму для соединения при использовании с отстоящей от нее второй клеммой при первом электрическом потенциале и соединительное средство, предназначенное для электрического соединения в процессе работы первой клеммы разрядника с указанной второй клеммой и выполненное с возможностью физического отсоединения от первой клеммы в ответ на возникновение предварительно определенного состояния повреждения разрядника для защиты от перенапряжений, отличающийся тем, что он включает в себя также третью клемму для соединения при использовании с отстоящей от нее четвертой клеммой при втором электрическом потенциале, отличающемся от указанного первого потенциала, причем первая клемма находится в местоположении, которое в вертикальном направлении находится ниже местоположения указанной третьей клеммы, и средство для восстановления электрического соединения, выполненное с возможностью установления после указанного отсоединения непрерывного электропроводного пути от указанной первой клеммы разрядника к указанной второй клемме и с возможностью направления соединительного средства при отсоединении от разрядника и поддержания соединительного средства в местоположении находящемся в вертикальном направлении ниже местоположения указанной первой клеммы.

2. Узел по п.1, отличающийся тем, что соединительное средство содержит изолированный удлиненный проводящий элемент, находящийся до отсоединения в прямом электрическом контакте с первой клеммой разрядника для защиты от перенапряжений, а после которого обеспечивающий электрический контакт с указанным средством для восстановления электрического соединения.

3. Узел по п.2, отличающийся тем, что при отсоединении соединительное средство связывается с пятой клеммой, образующей часть несущей конструкции средства для восстановления электрического соединения и электрически соединенной с первой клеммой разрядника для защиты от перенапряжений так, что при поддержке соединительного средства средством для восстановления электрического соединения его проводящий элемент находится в электрическом контакте с пятой клеммой.

4. Узел по п.3, отличающийся тем, что, по меньшей мере, часть соединительного средства, проходящая через пятую клемму, до отсоединения является жесткой.

5. Узел по любому из предыдущих пунктов, отличающийся тем, что соединительное средство имеет коническую наружную периферийную поверхность, размещенную после отсоединения в коническом отверстии средства для восстановления электрического соединения, причем соответствующие углы конусности отличаются друг от друга.

6. Узел по любому из предыдущих пунктов, отличающийся тем, что указанная вторая клемма имеет электрический потенциал, равный по существу электрическому потенциалу земли, а указанная четвертая клемма образует часть электрической аппаратуры, находящейся под высоким электрическим напряжением, при этом соединительное средство выполнено с возможностью соединения первой клеммы разрядника для защиты от перенапряжений с электрическим потенциалом земли.

7. Узел по любому из предыдущих пунктов, отличающийся тем, что указанный разрядник содержит множество блоков варистора, расположенных в изолирующем корпусе разрядника.

8. Узел по п.7, отличающийся тем, что корпус разрядника для защиты от перенапряжений выполнен с одной или более юбками.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6, Рисунок 7