Разрядная камера и разрядник с такой камерой
Изобретение относится к электрическим устройствам для защиты от перенапряжений, например, грозовых, принцип действия которых основан на электрическом разряде. Представлен разрядник с разрядной камерой, состоящей из электродов (3,4), между которыми размещен диэлектрический элемент (2) с отверстием (8), причем, по меньшей мере, один из электродов снабжен отверстием, у которого размещен клапан (7), выполненный с возможностью выпускания продуктов разряда из разрядной камеры. По меньшей мере, один электрод имеет углубление в поверхности, обращенное к диэлектрическому элементу, а также к другому электроду через отверстие в диэлектрическом элементе, причем диэлектрический элемент прилегает к электроду по периметру углубления. Изобретение обеспечивает уменьшение длительности протекания разряда и снижение порога срабатывания разрядной, т.е величины перенапряжения. 2 н. и 6 з.п. ф-лы, 1 ил.
Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение относится к электрическим устройствам для коммутации тока и защиты от избыточных перенапряжений, например, грозовых, принцип действия которых основан на электрическом разряде.
Уровень техники
Из авторского свидетельства SU 1461361 известна разрядная камера, содержащая два электрода, между которыми размещен диэлектрический элемент с отверстием по его оси. Каждый электрод снабжен соосной отверстию цилиндрической диэлектрической вставкой с напыленным на нее слоем металла, обращенным к изолятору.
Импульсная разрядная камера используется следующим образом. После подачи импульса напряжения (или перенапряжения) пробивается разрядный промежуток в отверстии диэлектрического элемента и по последовательной цепи из электродов, напыленного слоя металла и разрядного промежутка, образованного отверстием в диэлектрическом элементе, начинает течь ток. При протекании тока напыленный слой металла взрывается и образуется токопроводящий плазменный слой. Этот слой соединяет электроды с разрядным промежутком, образованным в отверстии, к которому и передается энергия от источника питания.
Преимуществом такого разрядника является то, что вследствие ионизации паров сопротивление такого слоя становится значительно меньше сопротивления паров металла, благодаря чему снижаются потери на нагрев и увеличивается КПД передачи энергии. Кроме того, вследствие увеличения плотности тока увеличивается плотность энергии в разряде.
Недостатком такого разрядника является то, что гашение разряда происходит через весьма длительный промежуток времени, поскольку токопроводящий плазменный слой находится внутри разрядной камеры все время и поддерживает разряд даже при невысоких напряжениях. Кроме того, такая разрядная камер имеет высокое напряжение инициации разряда. Эти недостатки отрицательно сказываются на оборудовании, для защиты которого от перенапряжений может использоваться разрядная камера.
Раскрытие изобретения
Задачей изобретения является уменьшение длительности протекания разряда (другими словами, повышение напряжения окончания разряда), а также снижение порога срабатывания (пробоя) разрядной, т.е. величины перенапряжения, при котором происходит развитие (инициация) электрического разряда.
Задача изобретения решается с помощью разрядной камеры, состоящей из электродов, между которыми размещен диэлектрический элемент с отверстием, причем, по меньшей мере, один из электродов снабжен отверстием, у которого размещен клапан, выполненный с возможностью выпускания продуктов разряда из разрядной камеры.
Отличительным признаком изобретения является то, что, по меньшей мере, один электрод имеет углубление в поверхности, обращенное к диэлектрическому элементу, а также к другому электроду через отверстие в диэлектрическом элементе, причем диэлектрический элемент прилегает к электроду по периметру углубления.
В предпочтительном варианте осуществления изобретения углубление выполнено в центральной части электрода. В преимущественном варианте та часть диэлектрического элемента, которая не прилегает к электроду с углублением, расположена по всему периметру углубления.
Форма углубления может быть ступенчатой или любой другой, образующая которой представляет собой одну или несколько прямых линий, например, конусообразной. Конусообразное углубление предпочтительно имеет угол от 140° до 170° в развороте (например, в сечении через ось конуса). В некоторых вариантах выполнения углубление является лункообразным, образующая которой может полностью или частью представлять собой кривую второго или большего порядка.
Из-за наличия в электроде углубления в соответствии с вышеописанными вариантами достигаются такие технические результаты, как то, что разряд между электродами инициируется при меньшем напряжении ввиду развития по поверхности диэлектрического элемента поверхностного скользящего разряда. Более того, развитие разряда ускоряется за счет магнитного раздувания скользящего разряда, поскольку поверхностные токи на электроде и диэлектрическом элементе противоположно направлены. Благодаря этому также достигается такой технический результат, как снижение порога и уменьшение длительности срабатывания (пробоя) разрядной камеры, т.е. величины перенапряжения, при котором происходит срабатывание разрядной камеры (развитие в нем электрического разряда), и времени, за которое происходит срабатывание разрядной камеры при сохранении других параметров разрядной камеры.
В то же время напряжение окончания разряда повышается из-за того, что расстояние между электродами по прямой в месте наличия отверстия в диэлектрическом элемента увеличено вследствие наличия углубления (лунки). Это приводит к тому, что уменьшается длительность протекания разряда по причине повышения напряжения окончания разряда. Настоящим изобретением обеспечена многоразовость использования разрядника благодаря тому, что разряд происходит без напыления.
Указанные технические результаты настоящего изобретения также достигаются с помощью разрядника, содержащего корпус, разрядную камеру по одному или нескольким вышеописанным вариантам, и выводы, частично расположенные в корпусе и имеющие электрическое соединение с электродами, и частично расположенные снаружи корпуса. Клапан преимущественно размещен между корпусом и электродом разрядника.
Краткое описание чертежей
На фиг. 1 показан разрядник, содержащий разрядную камеру по изобретению, в разрезе.
Осуществление изобретения
Далее изобретение поясняется со ссылкой на фиг. 1, на которой в разрезе показан разрядник, содержащий в своем составе разрядную камеру в соответствии с настоящим изобретением. Описывается предпочтительная форма реализации разрядника и, соответственно, разрядной камеры, в которой многие элементы имеют осевую симметрию и представляют собой или содержат круги или кольца. Однако необходимо учитывать, что разрядник и разрядная камера в соответствии с настоящим изобретением могут быть реализованы и в других форм-факторах.
Разрядник на фиг. 1 содержит корпус 1, в котором размещены электроды 3 и 4, разделенные между собой по краям диэлектрическим элементом 2, который также может называться диэлектрическим разделителем. Электроды преимущественно выполнены в виде дисков или колец, например, из графита, медно-вольфрамового сплава или других видов тугоплавких проводящих материалов, а диэлектрический разделитель предпочтительно выполнен в виде кольца из изоляционных материалов с высокой электрической прочностью, например, из термостойкого полимерного материала (полиэтилена, полипропилена, фторопласта или других), слюды, целлюлозно-бумажного или других материалов. Форма поверхности разделителя предпочтительно плоская.
Диэлектрический разделитель расположен между электродами с прилеганием к ним и образованием между ними разрядной камеры. Прилегание необходимо для ограничения объема разрядной камеры, а также для обеспечения возможности формирования скользящего вдоль диэлектрического разделителя разряда, что возможно только в случае прилегания. Корпус 1 в предпочтительном варианте имеет углубление, в которое вставляется диэлектрический разделитель 2 для предотвращения развития разряда по стенке корпуса вместо разрядной камеры.
Разрядник и разрядная камера в соответствии с изобретением содержат один или более клапанов, выполненных с возможностью выпускания продуктов разряда из корпуса. Пример разрядника, показанный на фиг. 1, содержит два клапана 7, размещенных между электродами 3 и 4 и корпусом 1. На фиг. 1 между клапанами 7 и электродами 3 и 4 дополнительно установлены выводы (их части 5, находящиеся в корпусе), которые в общем варианте могут располагаться и других местах. При наличии между клапанами и электродами выводов клапаны в целом также располагаются между электродами и стенкой корпуса.
В корпусе 1 около клапана выполнены отверстия 8, предназначенные для выхода продуктов разряда из корпуса разрядника. Из разрядной камеры между электродами 3 и 4 в пространства между электродами 3 и 4 и корпусом 1 продукты разряда проходят через отверстия, выполненные в электродах 3 и 4, а также выводах (в частях 5 в корпусе). В варианте, показанном на фиг. 1, отверстия являются центральными и закрываются клапанами 7. При прохождении разряда между электродами 3 и 4 образуются продукты разряда и повышенное давление, от которого клапаны 7 открываются и продукты разряда попадают к стенке корпуса 1 и далее через отверстия 8 выходят из корпуса. Кроме того, клапана препятствуют попаданию влаги из наружного воздуха внутрь разрядной камеры, чем обеспечивается неизменность напряжения пробоя разрядного промежутка.
В показанном на фиг. 1 варианте выполнения изобретения клапан выполнен состоящим из двух частей - центральной части, упирающейся в стенку корпуса, и периферийной части, соединенной с центральной частью и частично прилегающей к периферии отверстий так, что при повышении давления в разрядной камере периферийная часть клапана может отгибаться и выпускать из разрядной камеры газ через образовавшееся отверстие между клапаном и периферийной частью отверстия.
Для этого периферийная часть клапана может быть выполнена гибкой, эластичной или упругой или, в другом варианте, шарнирно соединенной с центральной частью клапана. Кроме того, клапаны могут быть одноразовыми, то есть периферийная часть клапана может необратимо отходить от периферийной части отверстия. В других вариантах реализации изобретения клапаны могут быть выполнены и в другом виде и установлены поверх отверстия или в отверстии электрода.
Выводы состоят из двух частей 5 и 6, одна из которых, часть 5, расположена в корпусе 1 с прилеганием к электроду 3 или 4 соответственно, чем обеспечивается электрическое соединение выводов с электродами, а другая, часть 6, находится снаружи корпуса и предназначена для включения разрядника в электрическую цепь. Так как части 5 и 6 образуют единый вывод, они электрически соединены друг с другом и могут подводить перенапряжение извне корпуса к разрядным электродам 3 и 4. Так как в предпочтительном варианте электроды имеют дисковую или кольцевую форму, то части 5 выводов преимущественно имеют такую же форму для обеспечения максимальной площади прилегания и электрического контакта.
Отличительным признаком разрядника по изобретению является то, что один или оба электрода имеют углубления в поверхности, обращенной к другому электроду в пределах разрядной камеры. В разряднике на фиг. 1 оба электрода 3 и 4 имеют углубления. Поскольку электроды разделены диэлектрическим элементом, поверхности, в которых выполнены углубления, также обращены и к диэлектрическому элементу. В то же время в некоторых вариантах осуществления подобное углубление может иметь только один из электродов.
Указанное углубление выполнено таким образом, что углубление в одном электроде обращено к другому электроду как через отверстие в диэлектрическом элементе, так и через диэлектрический элемент. Отверстие в диэлектрическом элементе имеет меньшую площадь, чем площадь углубления. Углубление на краях обращено к диэлектрическому элементу, то есть диэлектрический элемент прилегает к электроду по периметру углубления.
Другими словами, диэлектрический элемент (разделитель) 2 прилегает к электродам 3 и 4 с углублениями частично. Благодаря прилеганию электродов 3 и 4 и разделителя 2 обеспечивается герметичность разрядной камеры, а наличие углубления обеспечивает наличие между электродами 3 и 4 и разделителем 2 выемок 9, соединенных с одной стороны с местами прилегания электродов 3 и 4 и диэлектрического разделителя 2.
При поступлении на электроды разрядника перенапряжения, по поверхности разделителя 2 в области выемки 9 начинает развиваться скользящий разряд от места соединения выемки 9 с областью прилегания электрода 4 и диэлектрического разделителя 2 в сторону внутреннего края разделителя 2, обращенного в разрядную камеру. Такой же процесс происходит в области выемки 9 около электрода 3. При достижении этого внутреннего края разделителя скользящие разряды объединяются или, в том случае, когда углубление выполнено только в одном из электродов, канал скользящего разряда попадает на электрод, в котором нет углубления. Далее разряд переходит в дуговой. Переход скользящего разряда в дуговой ускоряется за счет того, что токи, скользящие по электроду и диэлектрическому разделителю, протекают в противоположных направлениях и разряд испытывает магнитное раздувание, вследствие чего он быстрее переходит в прямую разрядную дугу.
Благодаря тому, что скользящий разряд по поверхности диэлектрического разделителя начинает развиваться при напряжениях меньших, чем может начаться дуговой разряд (сам по себе), величина перенапряжения, при котором происходит срабатывание разрядника (т.е. в нем развивается электрический разряд), снижается и, как следствие, уменьшается порог срабатывания (пробоя) разрядника.
Необходимо отметить, что остальные параметры разрядника, за исключением напряжения окончания разряда, сохраняют свои прежние значения, так как после инициации дугового разряда с помощью скользящего разряда остальные процессы проходят в режиме дугового разряда. Что касается напряжения окончания разряда, то оно повышается, поскольку расстояние между электродами, через которое проходит дуговой разряд, больше, чем если бы электроды прилегали к диэлектрическому элементу в виде разделителя и на краях отверстия в разделителе, поскольку при наличии углубления расстояние между электродами увеличено на величину углубления, например, около края отверстия в диэлектрическом элементе.
В показанном на фиг. 1 разряднике углубление выполнено в центральной части электрода 4. Та часть диэлектрического разделителя, которая не прилегает к электроду с углублением, то есть разделитель 2 в области выемки 9, расположена по периметру углубления.
Форма углубления может быть ступенчатой или любой другой, образующая которой представляет собой одну или несколько прямых линий, например, углубление может быть выполнено конусообразным. В разряднике на фиг. 1 углубление показано лункообразным, образующая которой в некоторых вариантах осуществления может содержать или представлять собой кривую второго или большего порядка. Благодаря такой форме упрощается развитие скользящего разряда по поверхности диэлектрического элемента. В то же время необходимо учитывать производственный аспект, в соответствии с которым более простые формы, например, конусообразная, могут оказаться более предпочтительными ввиду их более простого выполнения в электроде (сложные формы углубления с образующими кривыми второго или более высоких порядков требует более сложного оборудования и технологии).
Конусообразное углубление предпочтительно имеет угол от 140° до 170° в развороте (например, в сечении через ось конуса). При таких углах обеспечивается, с одной стороны, достаточная величина диаметра кромки, образуемой конусообразным углублением и плоскостью электрода, которая прилегает к диэлектрическому разделителю. С другой стороны, такие углы обеспечивают достаточное расстояние между электродом и диэлектрическим разделителем в области 9 инициации разряда (см. фиг. 1), необходимое для формирования скользящего разряда. Это обеспечивает возможность снижения напряжения зажигания разряда и повышение напряжения гашения дуги до оптимально соотносящихся величин.
Описание реализации изобретения дано в отношении разрядника, содержащего в своем составе разрядную камеру. Однако разрядная камера может использоваться и без элементов, входящих в состав разрядника помимо самой разрядной камеры - например, разрядные камеры могут быть соединены последовательно и/или параллельно без использования остальных элементов разрядника. Кроме того, корпус и выводы разрядника, соединенные с разрядной камерой, могут иметь форму, отличающуюся от показанной на фиг. 1. В частном варианте разрядная камера может быть использована в составе устройства защиты, имеющего внешний корпус различных конструктивных исполнений, например, имеющего исполнение для крепления на стандартную рейку ТН 35 (ГОСТ Р МЭК 60715-2003) (также может называться DIN-рейка).
1. Разрядная камера, состоящая из электродов, между которыми размещен диэлектрический элемент с отверстием, причем, по меньшей мере, один из электродов снабжен отверстием, у которого размещен клапан, выполненный с возможностью выпускания продуктов разряда из разрядной камеры, отличающаяся тем, что, по меньшей мере, один электрод имеет углубление в поверхности, обращенное к диэлектрическому элементу, а также к другому электроду через отверстие в диэлектрическом элементе, причем диэлектрический элемент прилегает к электроду по периметру углубления.
2. Камера по п. 1, отличающаяся тем, что углубление выполнено в центральной части электрода.
3. Камера по п. 1, отличающаяся тем, что часть диэлектрического элемента, не прилегающая к электроду с углублением, расположена по всему периметру углубления.
4. Камера по п. 1, отличающаяся тем, что углубление является конусообразным.
5. Камера по п. 1, отличающаяся тем, что конусообразное углубление имеет угол от 140° до 170° в развороте.
6. Камера по п. 1, отличающаяся тем, что углубление является лункообразным.
7. Разрядник, содержащий корпус, разрядную камеру по одному или нескольким пунктам 1-6, и выводы, частично расположенные в корпусе и имеющие электрическое соединение с электродами, и частично расположенные снаружи корпуса.
8. Разрядник по п. 7, отличающийся тем, что клапан размещен между корпусом и электродом разрядника.
