Устройство для ограничения перенапряжений

 

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано для более надежной защиты от перенапряжений различных электрических аппаратов и линий электропередач. Устройство содержит электроизоляционный корпус, выполненный с кольцевыми выемками на своих верхних и нижних частях, верхнюю крышку, установленную в верхней части электроизоляционного корпуса, при этом крышки выполнены с цилиндрической боковой поверхностью, имеющей на нижней части внутренний кольцевой выступ и дно, выполненное в виде усеченного конуса, с острым углом между образующими цилиндра и усеченного конуса, как минимум один нелинейный резистор, расположенный внутри электроизоляционного корпуса и подсоединенный своей верхней частью к первому электрическому выводу и своей нижней частью к второму электрическому выводу, и герметик, расположенный внутри электроизоляционного корпуса. 3 ил.

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано для более надежной защиты от перенапряжений различных электрических аппаратов и линий электропередач.

Аналогичные технические решения известны, см., например, авторское свидетельство СССР 1721636, которое содержит - электроизоляционный корпус; - верхнюю крышку, установленную в верхней части электроизоляционного корпуса; - первый электрический вывод, закрепленный на поверхности верхней крышки; - нижнюю крышку, установленную в нижней части электроизоляционного корпуса; - второй электрический вывод, закрепленный на поверхности нижней крышки; - как минимум один нелинейный резистор, расположенный внутри электроизоляционного корпуса и подсоединенный своей верхней частью через корпус верхней крышки к первому электрическому выводу и своей нижней частью через корпус нижней крышки к второму электрическому выводу; - заполненную герметеком свободную внутреннюю полость электроизоляционного корпуса.

Общими признаками этого аналога и предлагаемого технического решения являются: - электроизоляционный корпус; - верхняя крышка, установленная в верхней части электроизоляционного корпуса;
- нижняя крышка, установленная в нижней части электроизоляционного корпуса;
- первый и второй электрические выводы;
- как минимум один нелинейный резистор, расположенный внутри электроизоляционного корпуса и подсоединенный своей верхней частью к первому электрическому выводу и своей нижней частью к второму электрическому выводу;
- заполненная герметиком свободная внутренняя полость электроизоляционного корпуса.

Технический результат, который невозможно достичь вышеописанным аналогом, заключается в
- получении максимально возможной защитной характеристики, обеспеченной характеристикой нелинейных резисторов,
- устранении воздушных пузырей и полостей внутри электроизоляционного корпуса, снижающих надежность.

Причиной указанного является ухудшение защитной характеристики, что связано с тем, что в устройстве отсутствует механизм прижатия нелинейных резисторов к токоотводящим дискам и нижнему (верхнему) электрическому выводу, что при заливке компаундом внутренней полости приводит к прониканию его в стыкуемые поверхности и возрастанию падения напряжения на переходах.

Падения напряжения на переходах увеличивается при повышенных температурах окружающей среды за счет того, что материал электроизоляционного корпуса имеет высокий температурный коэффициент линейного расширения (ТКЛ), значительно превосходящий ТКЛ нелинейных резисторов. Соответственно увеличивается расстояние между нелинейными резисторами и соединяющими с электрическими выводами элементами.

Наличие воздушных пузырей и пустот объясняется тем, что заливка компаунда (герметика) происходит в глухую полость электроизоляционного корпуса.

Известно также техническое решение, которое взято в качестве прототипа (см. авторское свидетельство СССР 1739391) и которое содержит
- электроизоляционный корпус;
- верхнюю крышку, установленную в верхней части электроизоляционного корпуса;
- нижнюю крышку, установленную в нижней части электроизоляционного корпуса;
- первый электрический вывод, закрепленный на поверхности верхней крышки;
- второй электрический вывод, закрепленный на поверхности нижней крышки;
- как минимум один нелинейный резистор, расположенный внутри электроизоляционного корпуса и подсоединенный своей верхней частью через корпус верхней крышки к первому электрическому выводу и своей нижней частью через корпус нижней крышки к второму электрическому выводу;
- герметик, охватывающий поверхность как минимум одного нелинейного резистора и расположенный внутри электроизоляционного корпуса.

Общими признаками прототипа и предлагаемого решения являются:
- электроизоляционный корпус;
- верхняя крышка, закрепленная в верхней части электроизоляционного корпуса;
- нижняя крышка, закрепленная в нижней части электроизоляционного корпуса;
- первый электрический вывод;
- второй электрический вывод;
- как минимум один нелинейный резистор, расположенный внутри электроизоляционного корпуса и подсоединенный своей верхней частью к первому электрическому выводу и своей нижней частью к второму электрическому выводу,
- герметик, расположенный внутри электроизоляционного корпуса.

Технический результат, который невозможно достичь прототипом, заключается в получении предельно возможной защитной характеристики, обеспечиваемой характеристикой нелинейных резисторов в условиях колебаний температуры окружающей среды, и устранении воздушных пузырей внутри электроизоляционного корпуса.

Ухудшение защитной характеристики в условиях колебаний температуры окружающей среды объясняется жестким креплением нелинейных резисторов в электроизоляционном корпусе, т. к. при повышении температуры окружающей среды электроизоляционный корпус удлиняется больше, чем нелинейные резисторы и элементы крепления, т. к. температурный коэффициент линейного расширения (ТКЛ) любого полимерного материала, из которого может быть изготовлен электроизоляционный корпус более чем в 10 раз больше ТКЛ нелинейных резисторов, что приводит к ухудшению (вплоть до полного разрыва) контакта между нелинейным резистором, электрическими выводами и крышками. Это вызывает дополнительное падение на контактных переходах и ухудшение защитной характеристики.

Наличие воздушных пузырей и пустот объясняется загрузкой герметика в глухую полость электроизоляционного корпуса, что не исключает их возникновение приводящее к местному возрастанию утечки и возможному электрическому пробою.

Также наличие воздушного пространства (каналы) в корпусе в условиях перепада температур приводит к выпадению влаги, что также вызывает возрастание боковых утечек и пробой.

Учитывая характеристику и анализ аналогичных технических решений можно сделать вывод, что задача создания устройств для ограничения перенапряжений с предельно возможной защитной характеристикой, высокой надежностью и конструктивно-технологической простотой является актуальной на сегодняшний день.

Технический результат, указанный выше, достигается тем, что в устройстве для ограничения перенапряжений, содержащем электроизоляционный корпус, верхнюю крышку, установленную в верхней части электроизоляционного корпуса, нижнюю крышку, установленную в нижней части электроизоляционного корпуса, первый и второй электрические выводы, как минимум один нелинейный резистор, расположенный внутри электроизоляционного корпуса и подсоединенный своей верхней частью к первому электрическому выводу и своей нижней частью к второму электрическому выводу, и герметик, расположенный внутри электроизоляционного корпуса,
верхняя и нижняя крышки выполнены с цилиндрической боковой поверхностью, имеющей на нижней части внутренний кольцевой выступ и дно, выполненное в виде усеченного конуса с острым углом между образующими цилиндра и усеченного конуса, электроизоляционный корпус выполнен с кольцевой выемкой на своих верхней и нижней частях, а первый и второй электрические выводы выполнены в виде цилиндрического основания с диаметральным сквозным отверстием и центральным осевым каналом, сообщающимся своей полостью с полостью диаметрального сквозного отверстия и стержневого выступа с центральным осевым отверстием, соединенного одним концом с цилиндрическим основанием и сообщающимся полостью своего центрального осевого отверстия с полостью центрального осевого канала цилиндрического основания, при этом стержневые выступы установлены в отверстиях усеченных конусов верхней и нижней крышек.

Выполнение крышек, электроизоляционного корпуса с выемками, электрических выводов и их размещение, как указано выше, позволяет в процессе сборки обеспечить необходимое усилие прижатия электрических выводов к плоскостям как минимум одного нелинейного резистора и заполнить все свободное внутреннее пространство герметиком без воздушных пузырей и пустот. При совмещении в процессе сборки кольцевого выступа крышек с кольцевыми выемками корпуса конусная часть крышек деформируется в пределах упругости за счет отжима меньшего раструба усеченного конуса.

При этом острый угол между образующими цилиндра и усеченного конуса увеличивается и может достичь прямого (90^o).

Поверхность дна крышки в этом случае от конической превращается в плоскую.

Таким образом, дно крышки выполняет функцию надежного прижатия. Усилие такого прижатия определяется сечением крышки в зоне перехода конической поверхности в цилиндрическую и длиной образующей усеченного конуса крышки. Обеспечение необходимого прижатия электрических выводов непосредственно к контактным поверхностям нелинейных резисторов и их друг к другу в случае, если их несколько, обеспечивает минимальное переходное сопротивление и соответственно минимальное падение напряжения на переходах при перенапряжениях, что определяет улучшенную защитную характеристику. Так как поджатие электрических выводов к нелинейным резисторам обеспечивается при изменении длины электроизоляционного корпуса, то улучшенная защитная характеристика сохраняется при колебаниях температуры окружающей среды в широком диапазоне.

Заполнение полости электроизоляционного корпуса через центральное осевое отверстие нижнего электрического вывода до появления его в центральном осевом отверстии верхнего электрического вывода обеспечивает надежную герметизацию без наличия воздушных пузырей и полостей, т.к. в процессе герметизации воздух выдавливается через отверстие в верхнем электрическом выводе. Это обеспечивает более высокую надежность устройства при эксплуатации.

Сущность предлагаемого решения поясняется нижеследующим описанием и чертежами, где на фиг. 1 представлена конструкция устройства для ограничения перенапряжений; на фиг.2 - конструкция верхней и нижней крышек; на фиг.3 - конструкция электрических выводов.

Устройство для ограничения перенапряжений содержит
- электроизоляционный корпус 1, выполненный из прочного полимерного материала, например, самозатухающего полипропилена или стеклопластика в виде пустотелого цилиндра с наружными ребрами (ребра могут быть оформлены из кремнийорганической резины в виде покрытия на стеклопластик);
- кольцевые канавки 2, выполненные в верхней и нижней частях пустотелого электроизоляционного корпуса;
- верхнюю крышку 3, выполненную из прочного полимерного материала, например, полипропилена с боковой цилиндрической поверхностью 4, имеющей на нижней части с внутренней стороны кольцевой выступ 5, и дном 6, выполненным с поверхностью усеченного конуса, угол между образующими цилиндра и усеченного конуса α-острый;
- нижнюю крышку 7, выполненную из прочного полимерного материала, например, полипропилена с боковой цилиндрической поверхностью 4, имеющей на нижней части с внутренней стороны кольцевой выступ 5, и дном 6, выполненным с поверхностью усеченного конуса, угол между образующими цилиндра и усеченного конуса α-острый;
- первый электрический вывод 8, выполненный из электропроводного металла, например, алюминия или его сплавов с основанием 9 в виде цилиндра с диаметральным сквозным отверстием 10 и центральным осевым каналом 11, сообщающимся своей внутренней полостью с внутренней полостью сквозного отверстия 10 и стержневого выступа 12, соединенного с цилиндрическим основанием 9 с центральным осевым сквозным отверстием 13, сообщающимся с осевым отверстием 11 основания 9;
- второй электрический вывод 14, выполненный из электропроводного металла, например, алюминия или его сплавов с основанием 9 в виде цилиндра с диаметральным сквозным отверстием 10 и центральным осевым каналом 11, сообщающимся своей внутренней полостью с внутренней полостью сквозного отверстия 10 и стержневого выступа 12 с центральным осевым отверстием 13 основания 9. Электрические выводы 8 и 14 устанавливаются в отверстия дна крышек 3 и 7 соответственно;
- для подсоединения электрических выводов 8 и 14 к, например, линии электропередачи или к защищаемым электрическим устройствам в отверстиях 13 выполнена внутренняя резьба; между электрическими выводами 8 и 14 внутри электроизоляционного корпуса 1 установлен как минимум один нелинейный резистор 15;
- все пустоты внутри электроизоляционного корпуса 1 заполнены герметиком 16.

В качестве герметика может быть применен СКТН (Виксинт), обладающий высокими электроизоляционными свойствами и изготовленный на основе низкомолекулярного каучука с наполнителем из кварцевого стекла.

Сборку устройства для ограничения перенапряжений осуществляют следующим образом.

В нижнюю крышку 7 устанавливают электрический вывод 14 и электроизоляционный корпус 1, при этом нижняя крышка 7 своим кольцевым выступом 5 защелкивается в кольцевой канавке 2 электроизоляционного корпуса 1, обеспечивая тем самым надежное закрепление нижней крышки 7 на нижней части электроизоляционного корпуса 1. После этого на поверхность электрического вывода 14 устанавливают как минимум один нелинейный резистор 15, на верхнюю поверхность которого устанавливают электрический вывод 8, а на него верхнюю крышку 3, которая своим кольцевым выступом 5 защелкивается в кольцевой канавке 2 электроизоляционного корпуса 1.

При соединении крышек 3 и 7 с установленными в них электрическими выводами 8 и 14 с электроизоляционным корпусом 1 с размещенным в нем нелинейным резистором (нелинейными резисторами) 15 происходит упругая деформация конической части дна 6 крышек 3 и 7. При этом острый угол α между образующей цилиндра боковой поверхности 4 и образующей усеченного конуса дна 6 крышек 3 и 7 увеличивается и может достигнуть 90^o. В этом случае усеченные конические поверхности дна 6 крышек 3 и 7 превращаются в плоскости. Упругая деформация дна 6 крышек 3 и 7 при этом максимальна, а соответственно усилие прижатия электрических выводов 8 и 14 к контактным поверхностям нелинейного резистора 15 максимально. Величина усилия прижатия зависит от длины образующей усеченного конуса дна 6 крышек 3 и 7 и сечения в зоне пересечения конической и цилиндрической частей и коэффициента упругости материала дна 6 крышек 3 и 7. Таким образом, дно 6 крышек 3 и 7 выполняет функцию надежного прижатия, обеспечивающего непосредственное плотное прилегание контактных поверхностей электрических выводов 8 и 14 к контактным поверхностям нелинейного резистора (нелинейных резисторов) 15.

Величина деформации дна 6 крышек 3 и 7 зависит от высот: основания 9 электрических выводов 8 и 14, нелинейного резистора (нелинейных резисторов) 15, электроизоляционного корпуса 1, цилиндрической части 4 крышек 3 и 7 и острого угла α, между образующими боковой цилиндрической поверхностью 4 и дном 6 с конической поверхностью крышек 3 и 7 и обеспечивает необходимое усилие прижатия. фиксация крышек 3 и 7 кольцевым выступом 5 в кольцевых выемках 2 электроизоляционного корпуса 1 обеспечивает надежное соединение крышек 3 и 7 с электроизоляционным корпусом 1.

Рассмотрим взаимодействие элементов устройства при изменении температуры окружающей среды. При росте плюсовой температуры высота электроизоляционного корпуса I увеличивается. Температурный коэффициент линейного расширения ТКЛ полимерного материала электроизоляционного корпуса +10^-5-10^-4С^o (полипропилен, стеклопластик, стеклотекстолит).

Высота нелинейного резистора 15, высота основания 9 электрических выводов 8 и 14 увеличивается на меньшую величину, чем высота электроизоляционного корпуса 1, т.к. ТКЛ материала нелинейных резисторов и металлических выводов меньше на порядок ТКЛ полимерных материалов электроизоляционного корпуса 1.

Величина упругой деформации дна 6 крышек 3 и 7 уменьшается и усилие прижатия электрических выводов 8 и 14 к контактным поверхностям нелинейного резистора 15 также уменьшается. Исходя из необходимого усилия прижатия при предельно допустимой положительной температуре рассчитывается минимальная величина деформации дна 6 крышек 3 и 7, обеспечивающая минимальное переходное электрическое сопротивление на контактируемых поверхностях, соответственно рассчитывается высота основания 9 электрических выводов 8 и 14, высота электроизоляционного корпуса 1, высота цилиндрической части 4 крышек 3 и 7 и угол α между цилиндрической и конической частями крышек 3 и 7.

При нормальной и пониженной температуре окружающей среды деформация дна 6 крышек 3 и 7 увеличивается, усилие прижатия электрических выводов 8 и 14 к контактным поверхностям нелинейного резистора 15 также увеличивается, что гарантирует обеспечение минимального значения переходного сопротивления.

Таким образом, обеспечивается улучшенная защитная характеристика устройства в широком диапазоне температур окружающей среды.

Заполнение свободных полостей внутри электроизоляционного корпуса 1 герметиком 16 проводится через полость центрального осевого канала 11 и радиальное сквозное отверстие 10 основания 9 нижнего электрического вывода 7. Герметик 16 под давлением подается через штуцер, установленный в отверстии 13 стержневого выступа 12 нижнего электрического вывода 14. При поступлении герметика 16 воздух из свободных полостей внутри электроизоляционного корпуса 1 выдавливается через радиальное сквозное отверстие 10, центральный осевой канал 11 основания 9 и сквозное осевое отверстие 13 выступа 12 верхнего электрического вывода 8. Заполнение герметиком 16 производится до его появления в центральном осевом канале 11 основания 9 верхнего электрического вывода 8. Таким образом, все полости внутри электроизоляционного корпуса 1, включая радиальные отверстия 10 и центральные осевые каналы 11 основания 9 электрических выводов 8 и 14, заполняются герметиком, гарантируя отсутствие воздушных пузырей и пустот внутри электроизоляционного корпуса 1. После отверждения герметика 16 устройство для ограничения перенапряжений готово к эксплуатации.

В качестве герметика 16 используется СКТН (Виксинт) с наполнителем из кварцевого стекла, т.к. он обладает высокими электроизоляционными свойствами и большим значением упругой деформации до ≈100% (линейные размеры могут изменяться в пределах упругой деформации примерно до двух раз).

Это свойство его позволяет практически не изменять усилие прижатия электрических выводов 8 и 14 к контактным поверхностям нелинейного резистора 15 при заполнении внутренней полости электроизоляционного корпуса 1 герметиком 16.

Предлагаемое устройство для ограничения перенапряжений работает следующим образом.

Электрический вывод 8 подсоединяют к высоковольтному (потенциальному) проводу, а электрический вывод 14 подсоединяют к заземляющему (нулевому) проводу, например, линии электропередач. Подсоединение производят от линии электропередач с помощью выходных клемм, которые с помощью болтов фиксируются на выступах 12 электрических выводов 8 и 14.

Таким образом, устройство постоянно подключено к клеммам линии передачи, осуществляющей электропитание электрического устройства (трансформатора, электродвигателя и т. д.). При номинальном напряжении электропитания через устройство для ограничения перенапряжений практически электрический ток не протекает, так как нелинейный резистор 15, подсоединенный через электрические выводы 8 и 14 к линии электропередачи, представляет собой пороговое устройство, имеющее при номинальном уровне напряжения бесконечно большое сопротивление. При превышении напряжения в линии электропередачи порога срабатывания нелинейного резистора 15 его динамическое сопротивление резко уменьшается, достигая значения менее одного Ома, при этом, чем выше перенапряжения, тем динамическое сопротивление нелинейного резистора 15 меньше.

Таким образом, при перенапряжениях устройство для ограничения перенапряжений ограничивает их величину. Отношение остающегося напряжения между электрическими выводами 8 и 14 устройства для ограничения перенапряжений к величине перенапряжения определяет защитную характеристику устройства.

Остающееся напряжение между электрическими выводами 8 и 14 устройства равно сумме остающегося напряжения на нелинейном резисторе 15 и падения напряжения на контактных переходах от электрических выводов 8 и 14 к нелинейному резистору 15. Чем меньше остающееся напряжение между электрическими выводами 8 и 14 устройства для ограничения перенапряжений, тем лучше защитная характеристика. Соответственно, чем меньше будет количество контактных переходов между элементами устройства для ограничения перенапряжений и меньше переходное контактное электрическое сопротивление, тем лучше его защитная характеристика. При увеличенном переходном сопротивлении падение напряжения на переходах возрастает и при больших значениях перенапряжений, определяющих ток, протекающий через устройство для ограничения перенапряжений, могут подгорать контактные поверхности, что при увеличении количества воздействующих перенапряжений усугубится, защитная характеристика будет постоянно ухудшаться до выхода устройства для ограничения перенапряжений из строя.

Благодаря надлежащему непосредственному прижатию электрических выводов 8 и 14 к контактным поверхностям нелинейного резистора 15, исключению неприжатых друг к другу участков указанных поверхностей достигается хороший электрический контакт между поверхностями, минимальное электрическое сопротивление на переходах, в чем и проявляется достижение основного технического результата - улучшение защитной характеристики и повышение надежности в эксплуатации.

Таким образом, предлагаемое устройство для ограничения перенапряжений позволяет обеспечить:
- улучшенную защитную характеристику, практически определяемую характеристикой нелинейного резистора, и ее поддержание в широком диапазоне температур окружающей среды;
- высокую надежность в процессе эксплуатации;
- высокую технологичность сборки устройства и возможность механизировать и автоматизировать процесс сборки, а выполнение взаимозаменяющими друг друга верхней и нижней крышек и электрических выводов позволяет выполнить конструкцию устройства для ограничения перенапряжений более простой, технологичной и унифицированной.

Формула изобретения

Устройство для ограничения перенапряжений, содержащее электроизоляционный корпус, верхнюю крышку, установленную в верхней части электроизоляционного корпуса, нижнюю крышку, установленную в нижней части электроизоляционного корпуса, первый электрический вывод, второй электрический вывод, как минимум один нелинейный резистор, расположенный внутри электроизоляционного корпуса и подсоединенный своей верхней частью к первому электрическому выводу и своей нижней частью к второму электрическому выводу, и герметик, расположенный внутри электроизоляционного корпуса, отличающееся тем, что верхняя и нижняя крышки выполнены с цилиндрической боковой поверхностью, имеющей на нижней части внутренний кольцевой выступ и дно, выполненное в виде усеченного конуса, с острым углом между образующими цилиндра и усеченного конуса, электроизоляционный корпус выполнен с кольцевыми выемками на своих верхней и нижней частях, а первый и второй электрические выводы выполнены в виде цилиндрического основания с диаметральным сквозным отверстием и центральным осевым каналом, сообщающимся своей полостью с полостью диаметрального сквозного отверстия и стержневого выступа с центральным осевым отверстием, соединенного своим одним концом с цилиндрическим основанием и сообщающимся полостью своего центрального осевого отверстия с полостью центрального осевого канала цилиндрического основания, при этом стержневые выступы установлены соответственно в отверстиях усеченных конусов верхней и нижней крышек.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3