Разрядник для защиты от перенапряжений

 

Изобретение относится к электротехнике и предназначено для защиты электрических цепей и оборудования от опасных перенапряжений. Разрядник содержит корпус с изолятором, внутренний и наружный электроды, разделенные промежутком. При этом внутренний электрод выполнен из двух сопряженных усеченных конусов, один из которых, высотой h1, имеет угол а при основании, а другой, высотой h2, - угол b, при этом h1/h2=1/3. В наружном электроде, который может быть изготовлен практически любой формы, расположенном соосно с внутренним, выполнена коническая выемка в виде усеченного конуса глубиной h>h1+h2+d с углом с при основании, при этом наружный электрод полностью охватывает внутренний, a d - величина рабочего разрядного промежутка, причем d<1,4(Uпp/3), где Uпp - напряжение пробоя, а разница углов с-b равна 5-20^o. Электроды разрядника могут быть изготовлены из любого токопроводящего материала. Разрядник предназначен для работы в высоковольтных или низковольтных цепях, что определяет прежде всего габаритные размеры разрядника. Технический результат - улучшение разрядных характеристик, снижение потерь передаваемой энергии. 3 ил., 1 табл.

Изобретение относится к области электротехники и предназначено для защиты электрических цепей и оборудования от опасных перенапряжений.

Бурное развитие электроники явилось причиной повышения требований к качеству электрической энергии, предоставляемой потребителю. Всякое электрическое оборудование, будь то бытовая техника или промышленное оборудование, а также элементы, составляющие собственно электрические сети, рассчитаны на рабочее напряжение, лежащее в заданных пределах. Однако существующие электросети не обеспечивают требуемое качество электрической энергии для питания электрических потребителей, в первую очередь электроники. По данным зарубежных источников аномалии в электропитании становятся в 75% случаев причиной сбоев в работе оборудования, а в 65% случаев приводят к разрушению его электронных составляющих.

Наиболее часто встречающимися источниками опасных импульсных перенапряжений, действие которых приводит к разрушению электронных приборов в системе, пробоям изоляции, повреждению токонесущих проводников и электромеханических узлов, являются разряды молний и помехи от мощных коммутационных устройств. Импульс перенапряжения в этом случае характеризуется длительностью в несколько сотен микросекунд, однако величина пикового тока при этом может составлять несколько тысяч ампер.

Для защиты от перенапряжений используются воздушные и газонаполненные разрядники, варисторы и полупроводниковые диоды-суппрессоры. Каждый защитный элемент характеризуется при этом отводимой мощностью, скоростью, точностью и надежностью срабатывания.

Наиболее лучшими параметрами обладают разрядники.

Известны устройства типа искровых разрядников, предназначенных для защиты электрических цепей от опасных перенапряжений (см. а. с. 120576 по кл. Н 01 Т 5/00 за 1985 г., а.с. 126157 по кл. H 01 R 3/00 за 1959 г., а.с. 120577 по кл. Н 01 Т 1/14 за 1958 г. и др.), вращающиеся разрядники, в которых с целью повышения частоты коммутации и коммутируемой мощности используются неподвижный и вращающийся электрические диски с отверстиями (см. а.с. 687510 по кл. Н 01 T 7/00 за 1979 г., а.с. 714550 по кл. Н 01 Т 7/00 за 1980 г., а. с. 828284 по кл. Н 01 Т 7/00 за 1981 г., а.с. 961017 по кл. Н 01 Т 7/00 за 1982 г., а.с. 1046816 А по кл. Н 01 Т 7/00 за 1983г. и др.), устройства для генерирования однополярных электрических импульсов (см. а.с. 604066 по кл. Н 01 Т 15/00 за 1978 г.), вакуумные управляемые разрядники с шестизазорной стержневой электронной системой (см. журнал "Приборы и техника эксперимента" 3, май-июнь 1986 г., стр.8-86), разрядники без искровых промежутков ОПН/TEL ("Вакуумная коммутационная техника" фирмы "Таврида Электрик", Москва, ул. Маршала Бирюзова, 1, тел. [phone], разрядники типа Р-35, Р-97 и др. (см. "руководящие указания по защите от перенапряжений устройств СБЦ", МПС СССР, Транспорт, 1990 г.) и др.

Из известных разрядников наиболее близким по технической сущности является описанный в патенте СССР 1364191 от 01.07.1991 г. и разрядник фирмы "Phoenix Contact". Однако разрядник по патенту СССР 1364191 предназначается для работы в высоковольтных цепях. В низковольтных цепях данный разрядник имеет большую нестабильность разряда.

Разрядник фирмы "Phoenix Contact" имеет два электрода специальной формы, между которыми находится разрядный промежуток. Форма электродов рассчитана так, что разряд при развитии смещается вниз, пока не разрушается на нижней пластине на множество частичных разрядов.

Недостаток данного разрядника является низкое быстродействие, недостаточная величина энергии импульса гасимой помехи, а также тот факт, что при работе разрядника внутри него генерируется ударная волна, выбрасывающая наружу раскаленные газы и пары неиспарившегося металла. Форма электродов разрядника способствует кумуляции ударной волны. Вследствие этого разрядник не может устанавливаться вблизи от неизолированных проводов или каких-либо горячих предметов. Кроме того, подобный разрядник имеет большие габаритные размеры.

Основными недостатками известных устройств являются: - значительные энергетические потери, особенно на этапе зарождения разряда, что приводит к увеличенной энергии импульса перенапряжения срабатывания и запаздыванию времени пробоя, с одной стороны, и переразряду, с другой (запаздывание гашения разряда вплоть до введения специальных схем гашения); - низкая стабильность разряда в результате разброса времени от начала разряда в зависимости от изменения разрядного промежутка и изменяющейся электрической прочности окружающей среды; - низкие габаритно-энергетические характеристики; - недостаточная надежность, которая заключается в том, что трудно согласовать разряд на нагрузку во времени из-за значительного разброса начала разряда и др.

Однако известные конструкции разрядников не позволяют существенно уменьшить потери электрической энергии на начальном этапе зарождения разряда. Кроме того, известные конструктивные решения разрядных промежутков разрядников выполнены таким образом, что пробой возникает в различных местах межэлектродного промежутка в зависимости от того, в каком месте будут созданы для этого условия (минимальные активное и индуктивное сопротивления).

Целью настоящего изобретения является улучшение разрядных характеристик, снижение потерь передаваемой электрической энергии и улучшение условий передачи энергии за счет уменьшения индуктивности и активного сопротивления разрядного промежутка (межэлектродного пространства) путем коаксиального охвата разрядного пространства около внутреннего электрода наружным по большой поверхности соприкосновения, а также уменьшение габаритов и массы разрядника.

Указанная цель достигается путем оптимального сочетания известных физических эффектов: эффекта "полого катода" и эффекта концентрации зарядов на острие электрода (эффект "плоскость - острие"). Электроды разрядника выполнены конической формы и размещены соосно, при этом один электрод имеет форму конуса, а другой - форму конической выемки.

Разряд с катодом, рабочая поверхность которого охватывает часть разрядного пространства, широко известен (см., например, Москалев Б.И. Разряд с полым катодом. М., 1969). Он характеризуется в несколько раз большей концентрацией заряженных и возбужденных частиц по сравнению с их концентрацией при обычной форме катода. Это обусловлено специфической конфигурацией электрического поля внутри катода. Электроны, эмиттируемые внутренней поверхностью цилиндра, ускоряются в области катодного падения потенциала и, попадая в поле противоположного направления, отражаются назад и т.д. В результате время жизни электрона внутри полого катода оказывается большим, что приводит к более эффективным возбуждению и ионизации атомов. Кроме того, известно, что у заряженного проводника поверхностная плотность заряда тем выше, чем меньше радиус кривизны поверхности (см., например, Р. Фейман и др. Феймоновские лекции по физике, 5 т., М., "Мир", 1977 г.), в результате этого наблюдается так называемое "стекание" зарядов на острие. Причина в общих чертах состоит в том, что заряды стремятся как можно шире растечься по поверхности проводника, а кончик острия всегда отстоит дальше всего от остальной поверхности.

Многолетние исследования, проводимые авторами по улучшению характеристик разрядников, позволили найти рациональную форму электродов для высоковольтных разрядников, что позволило одновременно использовать эффекты, наблюдаемые на разрядниках с полым катодом и заостренным анодом, и при этом повысить их ресурс. Таким образом, разрядник с электродами такой формы позволяет повысить стабильность разряда, снизить потери энергии, передаваемой от источника в нагрузку. Кроме того, в таком разряднике при развитии разряда происходит изменение направления распространения разряда и возникающих при этом ударных волн, которые направлены навстречу друг другу, что способствует их самогашению. Самогашение ударных волн и большая поверхность разряда позволяют значительно повысить величину пропускаемой разрядником электрической энергии при возникновении перенапряжений и снизить габаритно-массовые показатели разрядника. При этом отсутствуют какие-либо выбросы из разрядного промежутка.

На фиг.1, 2 представлена конструкция устройства; на фиг.3 - принцип его работы.

Разрядник состоит из соосно размещенных внутреннего электрода (анода) 1, наружного электрода (катода) 2, изготовленных из токопроводящего материала, изолятора 3, изготовленного из любого токонепроводящего материала, например керамики или поперечно-сшитого полипропилена и силиконовой резины, соединенных между собой любым известным способом, например пайкой. Электроды 1, 2 имеют концевые контакты для включения в электрическую цепь любым способом, например путем резьбового соединения.

Предлагаемый разрядник содержит корпус с изолятором, внутренний и наружный электроды, разделенные промежутком. При этом внутренний электрод выполнен из двух сопряженных усеченных конусов, один из которых, высотой h1, имеет угол а при основании, а другой, высотой h2, - угол b, при этом h1/h2=1/3. В наружном электроде 2, который может быть изготовлен практически любой формы, расположенном соосно с внутренним, выполнена коническая выемка в виде усеченного конуса глубиной h>h1+h2+d с углом с при основании, при этом наружный электрод полностью охватывает внутренний, a d - величина рабочего разрядного промежутка, причем d<1,4(Uпр/3), где Unp - напряжение пробоя, а разница углов с-b равна 5-20 градусов.

Электроды разрядника могут быть изготовлены из любого токопроводящего материала. Разрядник рассчитывается на работу в высоковольтных или низковольтных цепях, что определяет прежде всего габаритные размеры разрядника.

Работа предлагаемого разрядника заключается в следующем.

Электрическая энергия, подлежащая передаче в нагрузку, приложена к внутреннему электроду 1. Специфическая форма электродов разрядника обуславливает сильную неоднородность электрического поля в разрядном промежутке. Эта неоднородность особенно сильно выражена в области сопряжения конусов внутреннего электрода, а также вершины этого электрода. Разрядный промежуток не позволяет передать электрическую энергию с внутреннего электрода 1 на наружный электрод 2 до тех пор, пока рабочее напряжение Uр не превысит напряжение пробоя Uпp. В месте сопряжения конусов внутреннего электрода (у кромки) плотность заряда в несколько раз больше, чем на остальной поверхности, что способствует сильной неоднородности создаваемого на этом участке электрического поля и создает благоприятные условия для начала разряда. При повышении напряжения на электродах разрядника Up происходит резкое увеличение числа электронов в сильно неоднородном электрическом поле вблизи кромки внутреннего электрода в результате последовательных актов ионизации, начинаемых немногими случайно возникшими свободными электронами. Когда напряжение на электродах разрядника Uр превысит напряжение пробоя Uпр в каком-либо месте разрядного промежутка в области кромки внутреннего электрода наступит пробой: из электронных лавин образуются стримеры - тонкие разветвленные каналы, наполненные ионизированным газом; стримеры, быстро удлиняясь, перекрывают разрядный промежуток и соединяют электроды непрерывными каналами. Электрическая энергия начнет передаваться с наружной поверхности внутреннего электрода 1 через внутреннюю поверхность наружного электрода, при этом сила тока резко нарастает, каждый из каналов быстро расширяется, увеличивая поверхность разряда и захватывая все больший промежуток.

Форма электродов подобрана так, что начало разряда и передача электрической энергии происходит в области кромки внутреннего электрода, т.е. там, где поверхность электрода наибольшая, что уже в начальной стадии разряда приводит к значительному уменьшению индуктивности и активного сопротивления разрядного промежутка.

В дальнейшем при развитии разряда происходит его смещение как вверх, так и вниз от кромки внутреннего электрода. Благодаря разным углам сопряженных конусов внутреннего электрода, разряд, смещающийся вниз от кромки, гасится быстрее и основной разряд происходит при смещении вверх. Относительная поверхность внутреннего электрода, по которой проходит разряд, уменьшается по сравнению с поверхностью у кромки. В результате наблюдается относительное увеличение активного сопротивления и индуктивности разрядного промежутка, что способствует поглощению энергии и гашению разряда.

Возникающие ударные волны в процессе разряда не куммулируются, а, проходя вдоль поверхности внутреннего электрода, меняют направление своего движения таким образом, что у вершины электрода ударные волны, идущие с разных направлений, встречаются друг с другом и происходит их самогашение. Процесс самогашения ударных волн схематически показан на фиг.2.

Быстрое гашение разряда и самогашение возникающих ударных волн практически исключает нагрузки на питающую сеть, возникающие в результате действия остаточных токов.

Факт уменьшения активного сопротивления и индуктивности в процессе разряда подтвержден в ходе лабораторных исследований, которые проводились на стенде, выполненном на основе батареи высоковольтных конденсаторов напряжением 6 кВ и емкостью 300 мкФ. Разряд батареи конденсаторов проводился при наличии в цепи предлагаемого разрядника и разрядника стандартной конструкции. Испытания проводились при атмосферном давлении. В процессе исследований контролировалось напряжение пробоя межэлектродного промежутка с помощью киловольтметра С-196, изменение напряжения и силы тока в цепи при помощи датчиков напряжения и тока на осциллографе С8-17.

В ходе исследований получены вольт-амперные характеристики процесса разряда. Зависимости изменения тока в разрядном промежутке при включении в электрическую цепь предлагаемого разрядника и стандартного разрядника имеют некоторые отличия. По сравнению с цепью со стандартным разрядником в цепи с предлагаемым разрядником фронт импульса тока имеет большую крутизну и амплитуду при одинаковом периоде и напряжении разряда (см. фиг.3). Данный факт объясняется тем, что предлагаемый разрядник позволяет уменьшить активное сопротивление и индуктивность разрядного промежутка, а значит и электрической цепи в целом.

Предлагаемый разрядник имеет широкую область использования, определяемую возникающими в настоящее время потребностями и желанием заказчика. В зависимости от конструктивного исполнения устройство может быть использовано для защиты: - цепей электропитания компьютеров и другой оргтехники, аудио-видео и бытовой техники; - цепей электропитания электродвигателей всех типов, электробройлеров, электропечей и др. от грозовых разрядов, коротких замыканий в электрических цепях, помех и перенапряжений внутреннего характера, вызываемых коммутациями реактивных элементов сети низких напряжений; - высоковольтных электрических цепей от несанкционированных перенапряжений и передачи мощных импульсов энергии от источника в нагрузку; - нагрузочных потребителей в цепях линий электропередач, железнодорожного транспорта, трамвая, троллейбуса, метрополитена и др.

Параметры устройства зависят от напряжения питания, величины допустимого перенапряжения и шунтируемой мощности.

Предлагаемое устройство обладает по сравнению с существующими аналогами большей надежностью и долговечностью (число разрядов более 10000 раз), простотой конструкции и технологичностью, функциональной универсальностью, малыми весом и габаритами при большой величине поглощаемой энергии (наилучшие показатели по критерию энергия/габариты и вес).

Предлагаемое устройство и технология его изготовления отработаны в опытном производстве, прошли испытания как на специально созданном стенде, так и на специализированных предприятиях. Некоторые характеристики испытанных и отработанных устройств приведены в таблице.

Наибольшее распространение данное устройство может получить для защиты электроцепей жилых квартир и офисов, производственных помещений, напичканных различной электронной орг- и бытовой техникой. В этом случае устройство устанавливается на входе данной квартиры или офиса, а его параметры рассчитываются исходя из потребной мощности защищаемых потребителей. В другом случае устройством может комплектоваться каждый образец орг - и бытовой техники. В последнем случае устройство будет наиболее простым и дешевым.

Формула изобретения

Разрядник, содержащий корпус с изолятором и расположенные соосно разделенные промежутком внутренний и наружный электроды, при этом наружный электрод охватывает внутренний электрод, выполненный из двух сопряженных усеченных конусов, отличающийся тем, что внутренний электрод является анодом, а наружный - катодом, сопряженные конуса анода имеют высоты h1 и h2, углы при основании а и b, соответственно, причем а и b отличаются друг от друга, h1/h2= 1/3, а в катоде выполнена коническая выемка в виде усеченного конуса глубиной h>h1+h2+d с углом с при основании, d - величина рабочего разрядного промежутка, причем d<1,4(Uпp/3), где Uпp - напряжение пробоя, а разность углов с-b равна 5÷20^o.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4