РАЗРЯДНИК ГРОЗОЗАЩИТНЫЙ

Изобретение предназначено для защиты электрических линий, преимущественно низковольтных линий электропитания и линий связи, от токов и перенапряжений, вызванных разрядами молнии.

Известен разрядник, содержащий два аксиально расположенных электрода, между которыми размещены диэлектрические пластины (изоляционные диски), площадь которых меньше обращенной к ней площади каждого из электродов. Электроды, изоляционные диски и вспомогательный электрод образуют многозазорный искровой промежуток, в котором при перенапряжении в нескольких местах возникает разряд. Электроды состоят из двух частей. Внешние части имеют диаметр, больший, чем внутренние части. За счет разницы диаметров разряд в процессе его развития переходит на участки электродов с большим диаметром и большей электроэрозионной стойкостью и занимает положение. За счет этого сохраняется геометрия основных разрядных промежутков (US №4366523).

Недостатками разрядника являются сложность конструкции, короткий срок службы и наличие нестабильности в работе, обусловленной значительным разбросом значений статического и динамического напряжения пробоя.

Известен также разрядник, содержащий два аксиально расположенных электрода, между которыми размещены диэлектрические диски или пластины (изоляционные диски), площадь которых меньше обращенной к ней площади каждого из электродов. В этом разряднике зона контакта дисков из диэлектрика и дисков из металла, находящаяся на торцевой поверхности дисков, защищена от попадания продуктов эрозии электродов благодаря выбору оптимального соотношения радиусов диэлектрических дисков и дисков из металла (SU №1330682, прототип).

Недостатками этого разрядника также являются сложность конструкции, короткий срок службы и наличие нестабильности в работе, обусловленной значительным разбросом значений статического и динамического напряжения пробоя. Эти недостатки обусловлены тем, что наружная поверхность диэлектрических дисков, расположенная на образующей дисков, не защищена от попадания продуктов эрозии. Материал диэлектрических дисков - керамика, которая имеет хорошую адгезию к металлам. В результате адгезии металлические продукты эрозии электродов могут оседать на внешней поверхности дисков, образовывая проводящую металлическую пленку. При последующих воздействиях импульсных напряжений часть импульсного тока может протекать по металлической пленке, в результате чего металлическая пленка разрушается электрическим взрывом. Вместе с металлической пленкой разрушается прилегающая к ней поверхность диэлектрического диска. Постепенное разрушение диэлектрического диска приводит к тому, что металлическая пленка на нем приближается к металлическим дискам, в результате чего изменяется статическое и динамическое напряжения пробоя разрядника, искровой разряд развивается по поверхности изоляции из диэлектрика, расположенного в зазоре между электродами. При сильноточном разряде испаряется материал электродов разрядников и образуется насыщенная парами металла плазма. Пары металла, охлаждаясь, оседают на поверхностях холодных элементов конструкции разрядника, в том числе на поверхности диэлектрика изолятора. При последующих разрядах часть тока протекает по металлической пленке на поверхности диэлектрика изолятора, происходит электрический взрыв металлической пленки, что может привести к локальному разрушению поверхности диэлектрика изолятора. Наличие металлической пленки на поверхности диэлектрика снижает стабильность работы разрядника, так как металлические фрагменты в межэлектродном промежутке изменяют напряжение срабатывания разрядника. Электрический взрыв металлической пленки и последующие локальные повреждения поверхности диэлектрика изолятора приводят к постепенному разрушению изолятора. На микронеровностях поврежденной поверхности задерживается все большее количество осажденного металла из металлической плазмы, что ведет к снижению ресурса работы разрядника.

Технической задачей изобретения является создание эффективного разрядника грозозащитного и расширение арсенала разрядников грозозащитных.

Технический результат, обеспечивающий решение поставленной задачи, заключается в упрощении конструкции, увеличении срока службы (ресурса) и повышении стабильности в работе за счет сокращения разброса значений статического и динамического напряжения пробоя.

Сущность изобретения состоит в том, что разрядник содержит два аксиально расположенных электрода, между которыми размещена диэлектрическая пластина, площадь которой меньше обращенной к ней площади, по меньшей мере, одного из электродов, причем электроды оперты непосредственно на поверхности диэлектрической пластины, которая выполнена из материала, обладающего плазмогенерирующими свойствами при воздействии высоких температур искрового разряда, а расстояние от внешнего края диэлектрической пластины до края, по меньшей мере, одного из электродов находится в пределах 0,2-5 толщины диэлектрической пластины.

Предпочтительно диэлектрическая пластина выполнена из фторопласта в качестве материала, обладающего плазмогенерирующими свойствами, а электроды выступают за края диэлектрической пластины по всему ее периметру.

В частных случаях реализации электроды в части, опертой на диэлектрическую пластину, выполнены в форме усеченного конуса, а диэлектрическая пластина - в форме диска, при этом разность сопрягаемых диаметров электродов и диэлектрической пластины составляет 0,2-5 толщины последней, или один электрод в части, опертой на диэлектрическую пластину, выполнен в форме усеченного конуса, а второй - в виде пластины. Кроме того, электроды скреплены между собою шпилькой из изоляционного материала, которая расположена вдоль их геометрической оси и зафиксирована с помощью вдавливающихся металлических шариков, а в иных случаях реализации электроды скреплены между собою втулкой из изоляционного материала, которая расположена вдоль их геометрической оси и зафиксирована с помощью резьбового соединения.

На фиг.1 изображен разрядник грозозащитный, в котором электроды в части, опертой на диэлектрическую пластину, выполнены в форме усеченного конуса, на фиг.2 - промежуток между электродами, на фиг.3 - разрядник грозозащитный, в котором один электрод в части, опертой на диэлектрическую пластину, выполнен в форме усеченного конуса, а второй - в виде пластины, на фиг.4 - схема образования ядра и направления распространения плазмы.

Разрядник содержит два аксиально расположенных электрода 1, 2, между которыми размещена диэлектрическая пластина 3, площадь которой меньше обращенной к ней площади, по меньшей мере, одного из электродов 1, 2. Электроды 1, 2 оперты непосредственно на поверхности диэлектрической пластины 3, которая выполнена из материала, обладающего плазмогенерирующими свойствами при воздействии высоких температур искрового разряда, а расстояние от внешнего края пластины 3 до края, по меньшей мере, одного из электродов 1,2 находится в пределах 0,2-5 толщины диэлектрической пластины 3 (фиг.2).

Диэлектрическая пластина 3 выполнена, например, из фторопласта-4 (ГОСТ 1007-80) в качестве материала, обладающего плазмогенерирующими свойствами.

Электроды 1, 2 (фиг.1) выступают за края диэлектрической пластины 3 по всему ее периметру.

Электроды 1, 2 в части, опертой на диэлектрическую пластину, выполнены в форме усеченного конуса, а диэлектрическая пластина 3 - в форме диска, при этом разность В сопрягаемых диаметров электродов 1, 2 и диэлектрической пластины 3 составляет 0,2-5 толщины А последней (фиг.2), т.е. А:В=1:(0,2-5).

В исполнении по фиг.3 электрод 1 в части, опертой на диэлектрическую пластину 3, выполнен в форме усеченного конуса, а второй электрод 2 - в виде электропроводной (металлической) пластины.

Электроды 1, 2 могут быть скреплены между собой шпилькой 4 из изоляционного материала, которая расположена вдоль их геометрической оси и зафиксирована с помощью вдавливающихся металлических шариков 5, поджатых толкателями 6, выполняющими функцию электрических выводов (фиг.1).

Электроды 1, 2 могут быть скреплены между собой втулкой 7 из изоляционного материала, которая расположена вдоль их геометрической оси и зафиксирована с помощью резьбового соединения в виде болта 8 и гайки 9 с шайбами 10. К электродам 1, 2 подключены электрические выводы 11, 12 (фиг.3).

Разрядник грозозащитный работает следующим образом.

При воздействии грозового разряда в данном разряднике искровой разряд возникает между электродами 1, 2 и развивается по поверхности диэлектрической пластины 3 (изоляции из диэлектрика), расположенной в зазоре между электродами 1, 2. Металлическая плазма - частично или полностью ионизованный газ, образованный из нейтральных атомов (или молекул) и заряженных частиц (ионов и электронов) материала электродов. При воздействии высоких температур, возникающих при сильноточном искровом разряде, на поверхности диэлектрика, обладающего плазмогенерирующими свойствами, например фторопласта, возникает неметаллическая плазма (например, фтороводородная). В процессе разряда происходит испарение и абляция фторопласта (унос вещества с поверхности твердого тела потоком горячего газа) и ионизация образовавшегося газообразного вещества, т.е. генерирование плазмы в зоне воздействия высоких температур искрового разряда.

Ограниченный за счет смещения края пластины 3 (в глубину межэлектродного промежутка) объем в зоне начального формирования сильноточного разряда приводит к повышению давления и, соответственно, температуры металлической плазмы в зоне разряда. Образовавшаяся в разряде фтороводородная плазма ускоряется под действием газодинамических сил, обусловленных омическим нагревом газа и взаимодействием протекающего разрядного тока с собственным магнитным полем плазмы. В результате горячая металлическая плазма воздействует на поверхность диэлектрика диэлектрической пластины 3 (изоляции из диэлектрика) не значительно, так как слой фтороводородной плазмы отделяет металлическую плазму от поверхности пластины 3 и с высокой скоростью вытесняет ее из щелевого зазора, образованного по периферии пластины 3 между электродами 1, 2. При этом в зоне разряда из ядра формирования плазменного разряда возникает фтороводородный плазменный сгусток (фиг.4) между поверхностью изолятора пластины 3 и дугой с металлической плазмой, выталкивающий последнюю из зазора в радиальном направлении от торцевой поверхности диэлектрической пластины 3 (изоляции из диэлектрика), а также две струи фтороводородной плазмы, распространяющиеся из области высокого давления в зоне формирования плазменного сгустка в зоны низкого давления вдоль зазора между электродами 1, 2 и вдоль поверхности диэлектрической пластины (изоляции из диэлектрика). Эти две струи плазмы защищают и механически очищают поверхность диэлектрической пластины 3 (изоляции из диэлектрика), примыкающую к зоне разряда. Таким образом, высокотемпературная изоляция поверхности пластины 3 с помощью фторводородной плазмы от дуги с металлической плазмой исключает осаждение металла на пластину 3 и обеспечивает самоочистку ее поверхности.

Одновременно фтороводородная плазма, распространяющаяся из области высокого давления, выносит из зазора расплавленный металл электродов (металлическую плазму), не позволяя развиваться микронеровностям на поверхности электродов 1, 2 в зазоре. Отсутствие развития микронеровностей в зазоре позволяет стабилизировать напряжение срабатывания разрядника, определяемое величиной зазора.

Описанные процессы самоочистки поверхности диэлектрической пластины 3 позволяют повысить стабильность работы разрядника и увеличить ресурс.

Процесс разряда развивается, как в обычных разрядниках: под действием механической силы, обусловленной взаимодействием тока и созданного им магнитного поля, дуга разряда растягивается по поверхности электрода 1 (2) и при растяжении гасится самостоятельно (за счет охлаждения) или с помощью любой из известных систем гашения дуги (например, Борн О.Б. "Электрическая дуга в аппаратах управления", Госэнергоиздат, М.-Л., 1954, с.274-312).

Таким образом, создан эффективный разрядник грозозащитный и расширен арсенал разрядников грозозащитных.

При этом упрощена конструкция, увеличен срок службы (ресурс) и повышена стабильности в работе за счет сокращения разброса значений статического и динамического напряжения пробоя.