Молниезащитный роговой искровой разрядник с деионной камерой
Разрядник содержит деионную камеру (6) для гашения дуги в корпусе (1) и средства для управления внутренним потоком газа для регулировки характеристик электрической дуги, возникающей при нагрузке импульсным током, и электрической дуги, обусловленной током последействия сети. Расстояние между противоположными поверхностями электродов разрядника в области зажигания поддерживается очень малым. Имеется лишь незначительное расширение расстояния между ними в направлении конца разрядника, что препятствует нежелательному движению электрической дуги при импульсных токах. Циркуляция газа предусмотрена так, что ударная волна от дуги, обусловленной импульсным током молнии, отражается от деионной камеры (6) и/или от препятствий на пути потока, что противодействует движению электрической дуги. Поток газа проходит сквозь деионную камеру (6) с временной задержкой, отводится назад к области зажигания и приводится к имеющимся в электродах отверстиям для потока, способствуя движению дуги при токах последействия сети в направлении деионной камеры (6). Технический результат - обеспечение оптимального ограничения тока последействия сети с исключением поступления в деионную камеру импульсов тока с высокой амплитудой, что повышает срок службы разрядника. 12 з.п. ф-лы, 6 ил.
Область техники
Изобретение относится к молниезащитному роговому искровому разряднику с деионной камерой для гашения дуги в корпусе, в том числе и с незадувающей конструкцией, и средствами для регулировки отличающихся характеристик электрической дуги, возникающей при нагрузке импульсным током, с одной стороны, и электрической дуги, обусловленной током последействия сети, с другой стороны.
Уровень техники
Из патентного документа DE 4435968 C2 известен элемент защиты от перенапряжения для отвода переходных перенапряжений, основанный на роговом искровом разряднике. В нем каждый электрод рогового искрового разрядника имеет элемент для подключения и искровой рог, причем искровые рога электродов, расположенных на расстоянии друг от друга, образуют пробиваемый воздушный искровой промежуток. Кроме того, внутри корпуса элемента защиты от перенапряжения предусмотрено плоско-электродное гасительное устройство, имеющее несколько плоских гасительных электродов, которые расположены напротив концов электродов искрового разрядника, удаленных от элементов для подключения, на расстоянии от этих концов электродов.
Известный искровой разрядник выполнен с задуванием дуги и поэтому требует обширных и дорогостоящих мер по его защите. Для реализации достаточного ограничения тока, а также для долговечности при сопротивлении появляющимся тепловым и механическим нагрузкам искровой разрядник по патентному документу DE 4435968 C2 имеет разделение электрической дуги, а именно разделение с использованием двух деионных камер, что также приводит к дополнительным издержкам.
Для современных молниезащитных разрядников, монтируемых в секционных корпусах и используемых в области низкого напряжения, существует требование выполнять их капсулированными. Такие молниезащитные разрядники должны иметь высокую эффективность гашения тока последействия сети, а также высокую степень ограничения тока последействия сети.
В патентных документах EP 1535378 B1 или EP 0860918 B1 показаны молниезащитные искровые разрядники с деионными камерами для секционных встраиваемых устройств, которые выполнены задувающими, но в которых, однако, выходящие газы по меньшей мере частично деионизованы. Эти искровые разрядники не дают возможности функционального разделения между возникающими импульсными токами и потокам последействия сети.
Вообще применение распространенного в области низких напряжений принципа ограничения тока последействия сети посредством деионных камер в молниеотводах проблематично. Эффективное ограничение тока последействия сети с применением деионных камер основано на быстром вхождении электрической дуги в соответствующую дугогасительную камеру. Время до поступления в дугогасительную камеру мало, если реализуются малое расстояние между местом зажигания и деионной камерой и высокая скорость движения электрической дуги. Однако скорость движения электрической дуги зависит от многих параметров, а именно, помимо прочего, от материала электродов, от аэродинамического сопротивления, от конструкции и от соответствующих сил, которые действуют на электрическую дугу.
Поскольку, когда целью является сильное ограничение тока последействия сети, мгновенное значение тока последействия сети должно быть всегда меньше величины подводимых импульсных токов, возникает противоречие, так как силы, поддерживающие движение электрической дуги, увеличиваются с увеличением электрического тока, в соответствии с правилом Лоренца.
В известных роговых искровых разрядниках это приводит к тому, что при быстром поступлении электрической дуги тока последействия сети в дугогасительную камеру и при хорошем ограничении тока последействия сети в деионную камеру поступают также и наиболее продолжительные импульсные токи, и, таким образом, также и обладающие высокой энергией импульсные токи молний. Значит, используемая деионная камера должна быть рассчитана термически и динамически на подводимые импульсные токи.
Напряжение электрической дуги и вместе с ним преобразование мощности в соответствующем роговом искровом разряднике существенно повышается при разделении дуги на несколько частичных электрических дуг, так как при подводимых импульсных токах не происходит ограничения тока. Поэтому нагрузка на все части разрядника существенно увеличивается. Это особенно критично для капсулированных устройств, так как преобразование мощности происходит полностью в пределах разрядника. В противоположность им разрядники с задуванием дуги отдают до 90% оборота преобразуемой мощности в окружающее пространство.
Альтернативой необходимости противостоять этой сильной нагрузке внутри разрядника является временная задержка поступления электрической дуги в камеру путем увеличения интервалов или расстояний. В результате этого предотвращается поступление электрической дуги импульсного тока в камеру электрической дуги, однако получающееся при этом ограничение тока последействия сети неприемлемо. Относительно этого можно сослаться на патентный документ DE 2419731 B2.
Раскрытие изобретения
Из вышеизложенного следует задача изобретения - создать усовершенствованный молниезащитный роговой искровой разрядник с деионной камерой, который, с одной стороны, имеет оптимальное ограничение тока последействия сети и, с другой стороны, позволяет избегать поступления в деионную камеру подводимых импульсных токов с высокой амплитудой, что обеспечивает высокий срок службы и износоустойчивость.
Решение задачи изобретения достигается благодаря комбинации признаков технического решения по пункту 1, причем зависимые пункты формулы изобретения представляют по меньшей мере целесообразные варианты осуществления и усовершенствования изобретения.
В молниезащитном роговом искровом разряднике согласно изобретению, в том числе и с незадувающей конструкцией, вызывается различное поведение электрической дуги при токах последействия сети и при импульсных токах. В результате этого достигается экономически целесообразная и компактная конструкция деионной камеры, а также расходящихся электродов, сокращается тепловая и механическая нагрузка на разрядник, становится возможным уменьшение затрат на предотвращение явлений задувания, а также достигается повышение срока службы. Реализуется также простое, недорогое и компактное приспособление для зажигания в форме пускового электрода.
При помощи решения согласно изобретению удается сокращать нагрузку на деионную камеру, создаваемую вследствие подводимых импульсных токов молний, вплоть до полного ее исключения. В первом варианте исполнения изобретения при незадувающей, т.е. капсулированной конструкции рогового искрового разрядника электрическая дуга импульсного тока как бы фиксируется внутри области зажигания расходящихся электродов вследствие особой формы области зажигания и целенаправленного управления отражениями волн давления в пределах искрового разрядника, в то время как электрическая дуга тока последействия сети за значительно более короткий промежуток времени поступает в дуговую камеру и ограничивается.
Идея согласно изобретению исходит из молниезащитного рогового искрового разрядника с деионной камерой для гашения дуги в корпусе с незадувающей конструкцией и управлением внутренним потоком газа для регулировки отличающихся характеристик электрической дуги, возникающей при нагрузке импульсным током, с одной стороны, и электрической дуги, обусловленной током последействия сети, с другой стороны.
Для этого расстояние между противоположными поверхностями электродов рогового искрового разрядника в области зажигания поддерживается очень малым, чтобы предотвращать нежелательное перемещение электрической дуги при импульсных токах молний. Кроме того, противоположные поверхности электродов в области зажигания проходят по существу параллельно друг другу или имеют только очень незначительное расширение расстояния между ними в направлении конца рогового искрового разрядника. В результате этих геометрических мер в области зажигания действие сил на электрическую дугу импульсного тока минимизируется. В дополнение к этому ударные волны, производимые электрической дугой, которая возникает при разряде импульсного тока молнии в области зажигания искрового разрядника, образуют определенные отражения на препятствиях, с которыми поток встречается перед деионной камерой, на ней или также за ней. Силовое воздействие отраженной ударной волны или ударных волн используется для дальнейшего сокращения или компенсации тех сил электрического тока, которые могли бы вызывать нежелательное смещение электрической дуги импульсного тока молнии в направлении деионной камеры. Эффективность этих отражений для фиксации электрической дуги ограничивается, в частности, импульсными токами, обусловленными молнией, и ограничена также по времени. При применяемых мерах интенсивность и продолжительность действия эффективных сил фронта отражения зависит от величины, продолжительности и энергетического содержания импульсного тока, обусловленного молнией, таким образом, что это заставляет, в частности, критичные высокоэнергетические импульсные токи молний очень эффективно фиксироваться в месте зажигания дуги.
Применение мер, разъясненных выше, возможно также в полностью капсулированном роговом искровом разряднике с деионной камерой для ограничения тока электрической дуги, обусловленной током последействия, без дрейфа импульсного тока молнии в деионную камеру, вызванного внутренней циркуляцией газа, которая способствует также и подвижности тока последействия. Проходящий сквозь деионную камеру поток газа, в таком искровом разряднике идущий с временной задержкой, по меньшей мере частично возвращается к области движения электрической дуги искрового разрядника при помощи отклоняющих средств.
Как уже представлено, возможно расположение в области зажигания пускового электрода.
Пусковой электрод включает в себя электропроводный элемент, который окружен искровым промежутком поверхностного разряда или имеет соседние с ним искровые промежутки поверхностного разряда из изолирующего либо полупроводящего материала.
Пусковой электрод вставлен либо в одном из двух электродов в области зажигания, либо между обоими электродами рогового искрового разрядника, причем предпочтительно расположен в нижней части области зажигания.
Искровые промежутки поверхностного разряда могут выполняться асимметричными или располагаться асимметрично.
Решение согласно изобретению позволяет достигать минимизации сил, возникающих вследствие амплитуды электрического тока, до уровня импульсного тока молнии благодаря специальному оформлению области зажигания и использованию отражения ударных волн внутри молниеотвода.
Электрическая дуга импульсного тока в начале своего возникновения стремится к диффузной форме. Эта форма благоприятствует существованию нескольких оснований электрической дуги и еще не сильно сфокусированной дуги. В результате слишком сильного сужения электрической дуги или ее охлаждения смежными элементами, такими как антифрикционные элементы стенок корпуса, керамические пластины и т.п., на начальной стадии электрической дуги повышается преобразование мощности в плазме, и электрическая дуга быстрее переходит в состояние термической плазмы. В этом состоянии сжатие электрической дуги выражено значительно сильнее, и электрическая дуга больше подвержена действующим на нее силам, которые способствуют нежелательному смещению во время нагрузки подаваемыми импульсными токами молнии.
Вышеназванному эффекту противодействуют путем уменьшения расстояния между электродами в области зажигания до значений менее 1,2 мм, предпочтительно 0,8 мм. Сверх того, активные поверхности электродов в пределах области зажигания расположены приблизительно на таком же расстоянии. Это приблизительно одинаковое расстояние имеет место, в частности, в области выше места зажигания в направлении движения электрической дуги. Благодаря незначительному начальному расширению, т.е. благодаря минимальному изменению расстояния между расходящимися электродами, предотвращается или ограничивается "выбегание" электрической дуги. Степень начального расширения расстояния между расходящимися электродами должна составлять максимально 50%.
Ширина активной поверхности электродов при предпочтительном варианте исполнения составляет по меньшей мере 2 мм. При импульсных токах до 50 кА предпочтительна и достаточна активная ширина электрода от 2 мм до 6 мм.
Было установлено, что необходимо реализовать плотность тока менее 2 кА/мм2, предпочтительно 1 кА/мм2, по отношению к амплитуде подведенного импульсного тока в нормальных атмосферных условиях, чтобы конструктивно предотвращать отшнуровывание электрической дуги в области ее начала.
Достаточно большая поверхность электродов, незначительное отшнуровывание и незначительная длина электрической дуги позволяют уменьшить - в частности, в фазе дуги перед достижением теплового равновесия - действие сил, которое приводит к нежелательному перемещению электрической дуги в деионные камеры. Таким образом, тепловая постоянная времени электрической дуги в воздухе может составлять примерно 10 мкс до 100 мкс.
Поскольку при помощи упомянутых мер невозможно бесконечно задерживать сжатие электрической дуги, обусловленной импульсным током, самое позднее на участке заднего фронта импульса молнии после достижения теплового равновесия электрическая дуга сожмется и подвергнется повышенному силовому воздействию. В этой критической фазе согласно изобретению подействует отражение ударной волны, создаваемое представленной описанной конструкцией препятствий на пути потока циркуляции газа.
Наряду с сокращением воздействия сил электрического тока в конструкции с расходящимися электродами для электрической дуги импульсного тока, в представленном разряднике с внутренней циркуляцией газа поперечное сечение потока и сопротивление потоку формируются таким образом, что отражение ударной волны, произведенной самим импульсным током, противодействует движению электрической дуги.
Для этого в качестве фронта отражения может служить повышение сопротивления потоку в зоне впуска деионной камеры, но также и сопротивление потоку при выпуске воздуха из деионной камеры.
Чтобы оптимизировать воздействие отражения давления, нужно учитывать скорость распространения ударной волны в соответствующей среде. При этом первая отраженная ударная волна не обязательно должна встречать электрическую дугу до достижения "собственного времени выдержки", зависящего помимо прочего от материала и составляющего несколько десятков микросекунд. Считается, что временных промежутков, значительно больших, чем 100 мкс, или превышающих время половинного уменьшения амплитуды на участке заднего фронта импульса, нужно избегать.
Вследствие геометрических характеристик искрового промежутка в области зажигания разрядника на электрическую дугу импульсного тока молнии действуют, как уже разъяснялось, только минимальные силы, которые могли бы вызывать движение дуги в направлении деионной камеры. Отражения, создаваемые препятствием или препятствиями на пути потока, приводят к ударным волнам, которые достигают электрической дуги импульсного тока молнии самое позднее после "собственного времени выдержки" и по возможности действуют также до достижения времени половинного уменьшения амплитуды на участке заднего фронта токового импульса, а также в достаточной степени компенсируют силы, приводящие в движение электрическую дугу, своим противоположно направленным силовым воздействием. Для достижения этой цели намеренно создаются ударные волны отражения от одного или нескольких препятствий, расположенных последовательно на пути потока. Посредством этих мер создаются отраженные волны давления разной продолжительности или частоты, и их распределенные по времени отдельные силы или также наложение этих сил используются в течение критического периода.
Краткое описание графических материалов
Ниже изобретение более подробно разъясняется на основе варианта осуществления, а также с привлечением фигур чертежей.
Показаны:
фиг.1a - принципиальное изображение молниезащитного рогового искрового разрядника согласно изобретению, с изображением конструкции расходящихся электродов и принципиальной схемой деионной камеры;
фиг.1b - детальное изображение области зажигания электродов рогового искрового разрядника;
фиг.2 - вид сбоку согласно изображению на фиг.1a с показанным направлением течения газа назад к отверстиям для потока в электродах рогового искрового разрядника;
фиг.3 - совмещение графиков электрического тока и напряжения обычного закрытого рогового искрового разрядника с деионной камерой при импульсе E и нагрузке F от токов последействия сети;
фиг.4 - изображение, аналогичное представленному на фиг.3, однако, с характеристиками электрического тока и напряжения рогового искрового разрядника согласно изобретению;
фиг.5 - изображение области зажигания рогового искрового разрядника с пусковым электродом, который встроен в один из электродов искрового рога разрядника, и
фиг.6 - изображение области зажигания в конструкции молниезащитного рогового искрового разрядника согласно изобретению с пусковым электродом между обоими слегка расходящимися основными электродами.
Осуществление изобретения
На основании фиг.1a понятен принципиальный вариант исполнения конструкции молниезащитного рогового искрового разрядника согласно изобретению.
При этом устройство искрового разрядника смонтировано в секционном корпусе 1 и имеет две соединительные клеммы 2.
Искровой разрядник имеет два незначительно расходящихся электрода 3 и 4 с выемками 5 для циркуляции газа и обтекания электрической дуги тока последействия.
Между сильно расходящимися участками электродов 3 и 4 в их конечной области находится деионная камера 6 с отверстиями для циркуляции газа.
Участок движения электрической дуги между областью зажигания (см. детальное изображение согласно фиг.1b) и деионной камерой 6 ограничивается по сторонам изолирующими пластинами (см. фиг.2, поз.8).
Деионная камера 6 предпочтительно имеет выпуски воздуха из отдельных участков деионной камеры, расположенные попеременно на разных сторонах. Эти отверстия размещены как на боковых сторонах, так и на торцевой стороне деионной камеры 6.
В области движения дуги искрового разрядника газы отводятся через упомянутые боковые выемки 5 в электродах 3 и 4. При этом эти боковые отверстия для потока или выемки 5 находятся выше области, в которой электрическая дуга стагнирует во время нагрузки импульсным электрическим током молнии (см. фиг.1b).
Для целенаправленного разделения устремляющихся назад газов по отдельным выемкам или отверстиям 5 для потока с целью лучшего поддержания движения электрической дуги при токе последействия сети вытекающее из деионной камеры количество газа разделяется сплиттером 7 на несколько отдельных потоков газа.
Кроме того, этот сплиттер 7 предотвращает непосредственное течение газа из деионной камеры 6 в боковые выемки 5, вследствие чего даже при очень сильных нагрузках электрической дуги еще нагретые и/или ионизированные газы не возвращаются в область движения. Кроме того, предотвращается подвод продуктов сгорания или соответствующих твердых частиц.
Сплиттер 7 выполняется, например, в форме маленькой разделительной стенки, расположенной под углом, и находится в области уменьшения давления газа, т.е. в области, в которую попадают газы из области движения и из камеры электрической дуги. Сплиттер 7 служит в этой области в качестве разделительной или отклоняющей стенки для газов, которые подводятся из камеры электрической дуги еще с высокой температурой и которые снова подводятся к области движения электрической дуги через пазы в электродах с двух сторон. Относительно прямой сфокусированный поток газа из камеры электрической дуги наталкивается на сплиттер и разделяется на два потока с более длинными путями, - помимо прочего для снижения температуры и для распределения в виде диффузного потока, - которые оба попадают в отверстия подвода газа в области электродов. Таким образом, еще нагретый газ разделяется на два потока с двух сторон, охлаждается и дополнительно предотвращает попадание свободных проводящих частиц в область электродов. Имеющиеся сплиттеры способствуют равномерному распределению охлажденного газа между всеми отверстиями для обратного потока в области движения электрической дуги. Это равномерное разделение имеет большое значение для оптимального поддержания характеристик движения электрической дуги тока последействия. Например, при использовании только одного отверстия рециркуляции относительно тонкая электрическая дуга электрического тока последействия легко могла бы остаться без воздействия целенаправленной внутренней циркуляции газа, поддерживающего движение. Это привело бы контрпродуктивным образом к слишком продолжительному прохождению электрической дуги от места зажигания до камеры электрической дуги или даже к застою электрической дуги, вследствие чего был бы возможен отказ искрового разрядника. Таким образом, сплиттер поддерживает первоначальную основную функцию капсулирования рогового искрового разрядника, а именно целенаправленную внутреннюю циркуляцию газа для обеспечения характеристики движения электрической дуги тока последействия и тем самым для ограничения и погашения тока последействия.
Поперечное сечение выемок 5 в электродах выбрано очень незначительным по сравнению с выпускными отверстиями деионной камеры 6 и составляет в примере осуществления не менее 10% от поперечного сечения отверстия выпусков воздуха.
На фиг.1b детально показана область зажигания электрической дуги, которая образуется между электродами 3 и 4 ниже выемок 5 для циркуляции газа.
Зажигание электрической дуги может происходить активно или пассивно.
При этом электрическая дуга возникает между обоими электродами 3 и 4 в области A.
Расстояние между электродами в области A при варианте осуществления - от 0,8 мм до 1,2 мм.
Поверхность, на которой остается электрическая дуга во время нагрузки электрическим импульсным током молнии, проходит самое большее до области B. Максимальное расширение расстояния между расходящимися электродами по отношению к области A на месте B составляет 50%.
Результирующая поверхность электродов между областями A и B соответствует в минимальном случае той поверхности, которая получается как частное от деления максимальной амплитуды подведенного электрического импульсного тока на предпочтительное значение плотности тока 1 кА/мм2.
На фиг.2 показано поперечное сечение деионной камеры, а также размещение предпочтительных областей отражения.
Здесь также в свою очередь надо исходить из секционного монтажного корпуса 1 с искровым промежутком и видимым электродом 4, а также боковыми выемками 5 для циркуляции газа между деионной камерой 6 и областью движения электрической дуги.
Область движения электрической дуги ограничивается изолирующими защитными пластинами 8.
Электрическая дуга 9 тока последействия сети проходит вдоль расходящихся электродов 3, 4 до области C впуска деионной камеры 6 и после этого разделяется на отдельные участки камеры. Деионная камера 6 имеет на боковых сторонах и на торцевой стороне выпускные отверстия (изображены стрелками), с помощью которых удаляют воздух из областей между отдельными плоскими гасительными электродами с V-образным вырезом деионной камеры. Отдельные плоские гасительные электроды с V-образными вырезами внутри деионной камеры 6 представлены пунктиром.
На торцевой стороне деионной камеры выпуск воздуха разделяется также в направлении оси камеры, изоляционной перемычкой 10.
На аэродинамическое сопротивление в области C впуска деионной камеры 6, наряду с выбором расстояния между отдельными плоскими электродами, формой V-образного выреза и расстоянием от первого отдельного плоского гасителя деионной камеры до соответствующих электродов или направляющих пластин 3, 4, влияют также следующие меры.
V-образные вырезы деионной камеры дополнительно могут забиваться изоляцией.
В боковых изоляционных пластинах 8 области движения электрической дуги ниже деионной камеры 6 могут располагаться дополнительные сужения в качестве препятствий для потока.
Количество, размер и форма выпускных отверстий могут влиять на аэродинамическое сопротивление в области D выпуска воздуха деионной камеры 6 и задавать его.
Описанная возможность располагать препятствие для потока ниже деионной камеры служит для создания фронта отражения вблизи области фиксации электрической дуги импульсного тока молнии. Одновременно благодаря этой мере происходит ускорение поступления электрической дуги тока последействия в деионную камеру. Упомянутое клиновидное сужение, расположенное с обеих сторон в области движения электрической дуги, может использоваться очень гибко для управления аэродинамическим сопротивлением путем варьирования клиновидной формы вплоть до массивного клина и соответственно остаточной ширины канала.
Однако возможно также изменение аэродинамического сопротивления за счет объема и геометрии каналов возвратного потока рядом с деионной камерой 6 и над ней. В принципе для содействия фиксации электрической дуги импульсного тока в непосредственной близости от области зажигания (см. фиг.1b) электродов 3, 4 подходят отражения ударной волны как в диапазоне впуска C, так и в области выпуска D воздуха. Решающими для выбора наиболее благоприятной области отражения являются, в соответствии с формой исполнения искрового разрядника, требования в отношении предельной допускаемой импульсной нагрузки и гасящей способности при электрическом токе последействия сети.
Представленные согласно изобретению меры вызывают надежную фиксацию импульсных токов молнии с временем выдержки порядка нескольких миллисекунд в области зажигания между участком A и участком B искрового разрядника.
При ожидаемом токе последействия сети, например, 50 кА поступление в деионную камеру 6 и ее ограничение, напротив, происходит в течение максимум одной миллисекунды. При этом мгновенное значение токов последействия ограничивается немногими кА. Эффективность мер согласно изобретению прослеживается посредством сравнения изображений по фиг.3 и 4.
На фиг.3 показано совмещение характеристик электрического тока (внизу) и напряжения (вверху) в обычном закрытом роговом искровом разряднике с деионной камерой при импульсе (E) и нагрузке токами последействия сети (F).
Видно, что при импульсном токе вследствие высокой крутизны графика электрического тока и высокой амплитуды электрическая дуга поступает в деионную камеру очень скоро. Энергетическая нагрузка деионной камеры за счет подведенного импульсного тока, который практически не может быть ограничен при поступлении в камеру, очень высока. Детали всего искрового разрядника чрезвычайно сильно нагружаются в результате воздействия давления и тепловой нагрузки. Оборот энергии в деионной камере при 25 кА 10/350 мкс находится в пределах до 7 кДж.
За счет реализованного ограничения тока последействия сети удельная энергия при ожидаемом электрическом токе последействия сети 25 кА составляет только 2 кА2с. При нагрузке импульсным током 25 кА 10/350 мкс это значение составляет, напротив, примерно в 100 раз больше. Однако при исполнении искрового разрядника согласно изобретению имеется возможность рассчитывать параметры деталей камеры для электрической дуги или всего искрового разрядника на значительно более низкую энергетическую нагрузку. Материал, подвергаемый сильным энергетическим нагрузкам, и соответственно дорогой, требуется исключительно в области зажигания рогового искрового разрядника между участками A и B.
На фиг.4. показана характеристика закрытого рогового искрового разрядника согласно изобретению. Изменение напряжения электрической дуги и ограничение тока при нагрузке током последействия сети (F) соответствуют тем же характеристикам (F) с фиг.3. При нагрузке импульсным электрическим током (E) электрическая дуга, согласно изобретению, фиксируется в области зажигания обоих электродов, так что тепловая и динамичная нагрузка всего искрового разрядника сокращается до малой доли нагрузки искрового разрядника, соответствующей графику на фиг.3, вследствие значительно меньшего напряжения электрической дуги.
При варианте исполнения искрового разрядника согласно изобретению оборот энергии при импульсной нагрузке с 25 кА в форме импульса 10/350 мкс сокращается по меньшей мере десятикратно по сравнению с искровым разрядником без соответствующего функционального разделения в отношении тока последействия сети и импульсного тока молнии.
Благодаря исполнению искрового разрядника, возможно, незадувающего, согласно изобретению имеется возможность резко сокращать оборот энергии, который вследствие капсулирования нагружает все детали искрового разрядника на 100%. В результате этого в свою очередь становится возможным сокращение конструктивных размеров, и это уменьшает конструктивные затраты. В конце концов, находят применение более простые и соответственно менее дорогие материалы.
В дальнейшем варианте исполнения оформление области зажигания производится с использованием пускового электрода.
При этом возможно обращение к исполнению в форме воздушного искрового разрядника в соответствии с фиг.5 и/или в форме искрового промежутка поверхностного разряда в соответствии с фиг.6.
На фиг.5 показан вариант исполнения с пусковым электродом 11 в области зажигания. Пусковой электрод 11 и искровой промежуток 12 поверхностного разряда проводятся сквозь выемку внутри одного из двух основных электродов 3, 4 или на его поверхности. Этот вариант подходит, в частности, для исполнения искрового промежутка между обоими основными электродами 3, 4 без искрового промежутка для поверхностного разряда.
Кроме того, показанное устройство зажигания по фиг.5 очень хорошо защищено термически и механически благодаря жаростойкому материалу соответствующего основного электрода и таким образом особенно долговечно. Это является особенным преимуществом представленного варианта исполнения рогового искрового разрядника, так как фиксация электрической дуги импульсного тока в области зажигания более сильно нагружает также пусковой электрод. К тому же в представленном варианте расположения пускового электрода особенно просто реализуется необходимый для показанных вариантов исполнения малый интервал между двумя основными электродами 3, 4 при очень хороших значениях сопротивления изоляции.
В качестве альтернативы расположению пускового электрода 11 между обоими расходящимися основными электродами представляется допустимым также боковое расположение пускового электрода.
Согласно фиг.6 пусковой электрод 11 находится между обоими основными электродами 3 и 4. При этом пусковой электрод 11 расположен внутри двух искровых промежутков 13, 14 поверхностного разряда. При предпочтительном асимметричном оформлении искровых промежутков 13, 14 поверхностного разряда возможен также выбор более высокого, в вертикальном направлении, расположения искрового промежутка 14 поверхностного разряда и/или выполнение его более толстым. В результате этого также повышается сопротивление изоляции. Исполнение одного или обоих искровых промежутков поверхностного разряда в форме воздушных промежутков также в рамках изобретения.
Искровые промежутки 12, 13 поверхностного разряда, которые пробиваются при зажигании искрового разрядника, могут быть выполнены в соответствии с уровнем техники как чисто изоляционные промежутки или же в виде сочетания изоляционного промежутка, имеющего пренебрежимо малое напряжение пробоя, с продолжением из электротехнического материала, который пробивается электрической дугой.
В случае чистого изоляционного промежутка применением импульсного трансформатора обеспечивается повышенное напряжение зажигания. При варианте исполнения с электропроводным материалом в качестве вспомогательного элемента для пробоя в принципе требуется только переключатель напряжения.
В представленных вариантах с триггером принимается, что по причине небольших расстояний между обоими основными электродами 3, 4 при необходимости выбирается очень короткое время задержки зажигания искрового разрядника в целом, вследствие чего энергетическая нагрузка и соответственно также конструктивные размеры также очень незначительны. Кроме того, малое расстояние между основными электродами обеспечивает, например, при отказе пусковой схемы функционирование пассивного разрядника при уровне защиты максимум 4 кВ.
В варианте исполнения изобретения с электропроводным материалом, служащим в качестве вспомогательного элемента для пробоя, в принципе требуется только переключатель напряжения и/или элемент, ограничивающий электрический ток, такой как резистор, варистор, позистор или аналогичный.
1. Молниезащитный роговой искровой разрядник с деионной камерой для гашения дуги в корпусе и средствами для регулировки отличающихся характеристик электрической дуги, возникающей при нагрузке импульсным током, с одной стороны, и электрической дуги, обусловленной током последействия сети, с другой стороны, в котором обеспечено поддержание малого расстояния между противоположными поверхностями электродов рогового искрового разрядника в области зажигания, при этом противоположные поверхности электродов в области зажигания имеют незначительное расширение расстояния между ними в направлении конца рогового искрового разрядника, причем в электродах предусмотрены отверстия для потока, при этом данный молниезащитный роговой искровой разрядник незадувающей конструкции обеспечивает возможность циркуляции газа таким образом, что ударная волна, которую производит обусловленная импульсным током молнии электрическая дуга, отражается от деионной камеры и/или от препятствий на пути потока и противодействует движению электрической дуги, а также таким образом, что поток газа, который проходит сквозь деионную камеру, по меньшей мере частично отводится назад к области зажигания при помощи отклоняющих средств и приводится к имеющимся в электродах отверстиям для потока, чтобы способствовать движению электрической дуги при токах последействия сети в направлении деионной камеры, причем для этой цели отверстия для потока выполнены, в направлении деионной камеры, над областью зажигания и над областью, в которой электрическая дуга стагнирует во время нагрузки импульсным электрическим током молнии.
2. Разрядник по п. 1, отличающийся тем, что расстояние между противоположными поверхностями электродов в области зажигания составляет менее 1,5 мм, предпочтительно находится в диапазоне от 0,5 мм до 0,8 мм.
3. Разрядник по п. 1 или 2, отличающийся тем, что максимальное расширение расстояния между противоположными поверхностями электродов в области зажигания составляет 50%.
4. Разрядник по п. 1, отличающийся тем, что ширина поверхностей электродов в области зажигания составляет по существу от 2 мм до 6 мм.
5. Разрядник по п. 1, отличающийся тем, что устройство смонтировано в секционном корпусе, причем корпус имеет отверстия в форме щелей или прорезей для выравнивания давления.
6. Разрядник по п. 1, отличающийся тем, что участок движения электрической дуги ограничен по сторонам изолирующими пластинами, закрывающими электроды по бокам, причем пластины проходят от области зажигания до деионной камеры.
7. Разрядник по п. 1, отличающийся тем, что площадь сечения отверстий для потока в электродах существенно меньше, чем общая площадь отверстий для выхода потока деионной камеры.
8. Разрядник по п. 1, отличающийся тем, что деионная камера имеет множество отдельных плоских гасителей, расположенных на расстоянии друг от друга, каждый из которых имеет V-образный вырез, проем которого направлен к роговому искровому промежутку, чтобы путем выбора расстояния между отдельными гасителями и/или их дополнительного заполнения устанавливать или регулировать аэродинамическое сопротивление в области впуска деионной камеры.
9. Разрядник по п. 8, отличающийся тем, что деионная камера имеет отверстия для выхода воздуха, количество, размер и форма которых выбраны из условия регулировки или задания аэродинамического сопротивления в области впуска деионной камеры.
10. Разрядник по п. 1, отличающийся тем, что в области зажигания расположен пусковой электрод.
11. Разрядник по п. 10, отличающийся тем, что пусковой электрод включает в себя электропроводный элемент, который окружен искровым промежутком поверхностного разряда или рядом с которым имеются искровые промежутки поверхностного разряда.
12. Разрядник по п. 10 или 11, отличающийся тем, что пусковой электрод встроен в один из двух электродов в области зажигания или расположен между двумя электродами рогового искрового разрядника.
13. Разрядник по п. 11, отличающийся тем, что искровые промежутки поверхностного разряда выполнены асимметричными или асимметрично расположены.
