RU2833842C1 - Ограничитель перенапряжений - Google Patents

Abstract

Изобретение относится к области электротехники, а именно к ограничителю перенапряжений, включающему разрядные модули, и может быть использовано для защиты от перенапряжений, например, грозовых электроустановок, высоковольтных линий электропередачи и электрических сетей. Повышение надежности работы ограничителя перенапряжений является техническим результатом, который достигается тем, что ограничитель перенапряжений содержит не менее двух разрядных модулей, причем разрядный модуль включает в себя изоляционное тел с по меньшей мере одним общим выходом из изоляционного тела и множество электродов, размещенных в изоляционном теле с разрядными зазорами между ними, причем, по меньшей мере, часть разрядных зазоров выполнены с возможностью направления продуктов разряда в общий выход из изоляционного тела, при этом разрядные модули последовательно электрически соединены путем соединения электродов разрядных модулей с помощью соединительных электродов, и/или искровых зазоров, и/или нелинейных сопротивлений, и размещены на стержне, проходящем через разрядные модули. 18 з.п. ф-лы, 4 ил.

Description

ОГРАНИЧИТЕЛЬ ПЕРЕНАПРЯЖЕНИЙ

Область техники, к которой относится изобретение

Изобретение относится к разрядникам и, в частности ограничителям перенапряжений для защиты от перенапряжений, например, грозовых электроустановок, высоковольтных линий электропередачи и электрических сетей. Изобретение также относится к высоковольтным линиям электропередачи, имеющим в своем составе элементы, снабженные такими ограничителями перенапряжений.

Уровень техники

Молниевые разряды являются одним из наиболее опасных явлений для эксплуатации высоковольтных линий электропередачи. При грозовом разряде в линии электропередачи проходит импульс перенапряжения, который может привести к аварийному отключению линии электропередачи из-за импульсного перекрытия линейной изоляции и возникновения короткого замыкания, а также к выходу из строя электрооборудования, соединенного с ней.

В качестве решения проблемы грозовых перенапряжений в патенте RU2319247 предложен ограничитель перенапряжений для защиты электрооборудования или линии электропередачи, содержащий корпус, два основных электрода, механически связанных с корпусом, и множество варисторов, расположенных между основными электродами с взаимным смещением, по меньшей мере, вдоль продольной оси корпуса.

Варисторы могут изготавливаться, например, путем литья расплавленного материала с нелинейными электрическими характеристиками в форму для изготовления варистора. Изготовленные таким образом варисторы размещают в корпусе между основными электродами.

При воздействии на такой ограничитель перенапряжения импульса грозового перенапряжения сопротивление варисторов резко падает и ток грозового перенапряжения отводится через опору в землю. Как только импульс грозового перенапряжения проходит, сопротивление варисторов восстанавливается и линия электропередачи продолжает бесперебойную работу. Такой способ защиты электрооборудования от перенапряжений является достаточно эффективным. В то же время вышеописанный ограничитель перенапряжений обладает такими недостатками, как недостаточная прочность, в том числе тепловая прочность из-за перегрева, при больших импульсах тока, протекающих через варисторы, например, при прямых ударах молнии в ЛЭП. Кроме того, варисторы весьма чувствительны к климатическим воздействиям окружающей среды, таким как температура, осадки, влажность и т.п., в связи с чем приходится прикладывать значительные усилия по их изоляции от окружающей среды. Также необходимо отметить недолговечность ограничителей перенапряжений в связи с быстрой деградацией варисторов даже в ходе штатной эксплуатации.

Раскрытие изобретения

Задачей настоящего изобретения является исключение вышеописанных недостатков.

Задача настоящего изобретения решается с помощью ограничителя перенапряжений, содержащего разрядные модули. Разрядный модуль содержит изоляционное тело, по меньшей мере один общий выход из изоляционного тела и множество электродов, размещенных в изоляционном теле с разрядными зазорами между ними. По меньшей мере, часть разрядных зазоров выполнены с возможностью направления продуктов разряда в общий выход из изоляционного тела. Например, выходы, по меньшей мере, части разрядных зазоров могут быть объединены в общий выход из изоляционного тела или могут быть соединены проходами в изоляционном теле с общим выходом из него. Разрядные модули последовательно электрически соединены.

Изоляционное тело преимущественно содержит несколько общих выходов от различающихся разрядных зазоров. Общий выход из изоляционного тела может представлять собой канал в изоляционном теле, проходящий от разрядных зазоров на поверхность изоляционного тела, или щель в изоляционном теле, проходящую от разрядных зазоров или выходов разрядных зазоров к поверхности изоляционного тела. Разрядный модуль может содержать один или несколько армирующих элементов. В предпочтительном варианте разрядный модуль может иметь зазор между армирующим элементом (или несколькими элементами) и электродами.

Ограничитель перенапряжений может содержать не менее 2, или 3, или 5, или 10, или 15, или 20, или 30, или 50, или 75, или 100, или 150, или 200, или 300, или 500, разрядных модулей и/или не более 10, или 15, или 20, или 30, или 50, или 75, или 100, или 150, или 200, или 300, или 500, или 1000, или 1500, или 2000, или 3000 разрядных модулей. Разрядные модули могут быть последовательно электрически соединены путем соединения электродов разрядных модулей с помощью соединительных электродов и/или искровых зазоров и/или нелинейных сопротивлений. Между разрядными модулями могут быть расположены изоляционные прокладки. Разрядные модули предпочтительно расположены рядом друг с другом. В предпочтительном варианте разрядные модули являются плоскими и расположены параллельно друг другу. Разрядные модули размещены на стержне, проходящем через разрядные модули.

Разрядные модули также могут быть размещены в корпусе (с использованием стержня или без него). Механическая прочность корпуса в таком варианте преимущественно выше механической прочности разрядных модулей.

Разрядные зазоры преимущественно могут быть изолированы (герметично или негерметично) корпусом от внешнего пространства. Разрядные зазоры могут быть изолированы (герметично или негерметично) в отдельные моменты времени в разрядных модулях. В предпочтительном варианте между разрядными модулями и корпусом может быть предусмотрен зазор. Величина зазора может составлять не менее 0,1 мм, или 0,2 мм, или 0,3 мм, или 0,5 мм, или 1 мм, или 1,5 мм, или 2 мм, или 3 мм, или 5 мм. В то же время величина зазора преимущественно составляет не более 1 мм, или 1,5 мм, или 2 мм, или 3 мм, или 5 мм, или 7 мм, или 10 мм.

Электроды ограничителя перенапряжений предпочтительно формируют множество последовательных разрядных зазоров, общее количество которых (т.е. последовательных разрядных зазоров между электродами ограничителя перенапряжений) составляет не менее величины напряжения эксплуатации ограничителя перенапряжений, поделенной на приэлектродное падение напряжения. Кроме того, электроды ограничителя перенапряжений преимущественно формируют множество последовательных разрядных зазоров, общее количество которых (т.е. последовательных разрядных зазоров между электродами ограничителя перенапряжений) составляет не более величины напряжения эксплуатации ограничителя перенапряжений, поделенной на 10, или 50, или 100, или 500, или 1000, или 2000, или 3000, или 4000, или 5000 величин приэлектродного падения напряжения.

В частности, электроды ограничителя перенапряжений могут формировать множество последовательных разрядных зазоров, общее количество которых (т.е. последовательных разрядных зазоров между электродами ограничителя перенапряжений) составляет не менее величины напряжения эксплуатации ограничителя перенапряжений, поделенной на 500 В, или на 300 В, или на 200 В, или на 100 В, или на 50 В, или на 30 В, или на 20 В, или на 15 В, или на 10 В и/или не более величины напряжения эксплуатации ограничителя перенапряжений, поделенной на 30 В, или на 20 В, или на 15 В, или на 10 В, или на 5 В, или на 1 В, или на 0,5 В.

Разрядный модуль может содержать не менее 5, или 10, или 15, или 20, или 30, или 50, или 100, или 150, или 200, или 300, или 500 электродов и/или не более 20, или 30, или 50, или 100, или 150, или 200, или 300, или 500, или 1000, или 1500, или 2000, или 3000, или 5000 электродов.

Электроды предпочтительно расположены с образованием разрядных зазоров (т.е., по сути, с разрядными зазорами) величиной не более 0,1 мм, или 0,2 мм, или 0,3 мм, или 0,5 мм, или 0,7 мм, или 1 мм, или 1,2 мм, или 1,5 мм. Кроме того, электроды преимущественно расположены с образованием разрядных зазоров (т.е., по сути, с разрядными зазорами) величиной не менее 0,01 мм, или 0,02 мм, или 0,03 мм, или 0,05 мм, или 0,07 мм, или 0,1 мм, или 0,2 мм, или 0,3 мм, или 0,5 мм, или 0,7 мм, или 1 мм.

Электрическое соединение разрядных модулей может осуществляться, в том числе, непосредственным соединением их электродов или через разрядные зазоры. Изоляционные тела разрядных модулей могут быть выполнены с использованием полимерного материала или, например, силиконовой резины, или других электроизоляционных материалов, известных из уровня техники. Корпус может быть выполнен с использованием полимерного материала и/или металла и/или композитной структуры и/или арматурной оплетки. Корпус может включать в себя трубу, которая может быть выполнена с возможностью размещения и/или закрепления внутри нее разрядных модулей. Разрядные модули могут быть выполнены в виде дисков, а корпус может включать в себя цилиндрическую трубу, внутренний диаметр которой больше внешнего диаметра разрядных модулей. Ограничитель перенапряжения может содержать, по меньшей мере один или более варисторов, включенных последовательно и/или параллельно с разрядными модулями.

Техническим результатом изобретения является повышение надежности ограничителя перенапряжений по сравнению с ограничителями перенапряжений, содержащих в качестве нелинейных или ограничительных элементов только варисторы. Рост надежности заключается в большем сроке эксплуатации и большей устойчивости ко внешним воздействиям, таким как сильные токи вследствие молниевых ударов повышенной мощности и неблагоприятные климатические воздействия (влажности, температура и т.п.).

Технический результат достигается в основном за счет выполнения в изоляционном теле общих выходов для выпускания через них продуктов разряда из разрядных зазоров между электродами. Общие выходы не только снижают давление в разрядных зазорах, но и представляют собой пространство, в сторону которого могут сдвигаться электроды и части изоляционного тела, раздвигаемые давлением, создаваемым разрядами в разрядных зазорах в результате нагревания искровыми дугами газа в них. Это дополнительно снижает давление газов в разрядных зазорах, разрывающее изоляционное тело, и тем самым устраняет риски разрушения изоляционного тела разрядного модуля, что повышает надежность ограничителя перенапряжений в целом и устраняет риски его взрыва при гашении импульсов перенапряжений, которые имеются у ограничителей перенапряжений, известных из уровня техники.

Кроме того, технический результат может достигаться за счет дополнительных признаков, таких как возможное наличие в изоляционном теле армирующих элементов в некоторых вариантах. Такие армирующие элементы дополнительно снижают риски разрушения изоляционного тела разрядного модуля и повышают надежность, поскольку предотвращают излишнее расширение изоляционного тела, которое могло бы привести к его разрушению, из-за повышения давления в разрядных зазорах при прохождении разрядов. Также в предложенной конструкции имеются и другие факторы, повышающие надежность ограничителя перенапряжений. В частности, таким фактором является зазор между армирующим элементом и электродами, который обеспечивает пространство, в которое может расширяться изоляционное тело разрядного модуля под воздействием разрядов между электродами внутри него. При таком расширении изоляционного тела зазор сжимается, обеспечивая возможность деформироваться изоляционному телу до определенного предела без разрушения разрядного модуля, а далее от разрушения защищает армирующий элемента, как описано выше.

В частности, ограничитель перенапряжений может без перегрева и, значит, без деградации своих свойств или элементов (или при сохранении работоспособности) пропускать через себя более сильные токи, чем варисторные ограничители перенапряжений, которые сильно нагреваются при пропускании токов. Более сильные токи вызываются ударами молний, более близкими к линии электропередачи и защищаемым объектам, а также прямыми ударами молний (ПУМ) в провода и мощными ударами молний с большими токами. В результате сильных токов, протекающих через варисторы и вызванных более мощными перенапряжениями, появляющихся в линии электропередачи в результате близких и прямых ударов молний, варисторы разрушаются или ускоренно деградируют вследствие сильного нагрева и других сопутствующих факторов, и ограничители перенапряжений из уровня техники очень быстро выходят из эксплуатации, создавая угрозы поражения грозовыми перенапряжениями для электрооборудования.

Предложенный же ограничитель перенапряжения с мультиэлектродными многозазорными разрядными модулями сохраняют свои эксплуатационные свойства даже после прохождения токов, вызванных ПУМ. Даже в тех случаях, когда в составе предложенного ограничителя перенапряжений использованы варисторы и эти варисторы разрушились или их свойства деградировали, мультиэлектродные многозазорные разрядные модули лишь незначительно нагреваются и продолжают осуществлять свои функции защиты от перенапряжений – это и означает, что предложенный ограничитель перенапряжений является более надежным по сравнению с ограничителями из уровня техники. Даже если импульс перенапряжения слишком велик, ограничитель перенапряжений в соответствии с настоящим изобретением успевает пропустить через себя ток, необходимый для ограничения перенапряжения, и только затем могут начаться процессы разрушения – это связано с тем, что электрические процессы происходят значительно быстрее, чем механические.

Кроме того, надежность ограничителя перенапряжений повышена из-за того, что мультиэлектродные многозазорные разрядные модули не разрушаются или деградируют значительно медленнее, чем варисторы, даже при штатной работе ограничителя перенапряжений. Это значит, что ограничитель перенапряжений в соответствии с настоящим изобретением без использования варисторов будет дольше сохранять свои свойства по сравнению с ограничителем перенапряжений из уровня техники. Даже в тех вариантах, когда ограничитель перенапряжений в соответствии с настоящим изобретением использует в своем составе варисторы, он все равно будет сохранять свою работоспособность и защитные характеристики дольше, чем ограничитель перенапряжений из уровня техники только с варисторами. Это также говорит о повышенной надежности предложенного ограничителя перенапряжений.

Также необходимо отметить, что ограничитель перенапряжений в соответствии с настоящим изобретением менее чувствителен к разгерметизации корпуса, при его наличии, по сравнению с ограничителями из уровня техники. Мультиэлектродные многозазорные разрядные модули не разрушаются или не деградируют при отсутствии герметичности, что значительно увеличивает их надежность и срок службы по сравнению с варисторами. Даже в тех вариантах, когда ограничитель перенапряжений в соответствии с настоящим изобретением использует в своем составе варисторы, он все равно является более надежным, поскольку при разгерметизации корпуса и, в некоторых случаях, даже при отсутствии корпуса, он будет сохранять свою работоспособность и защитные характеристики в отличие от ограничителя перенапряжений из уровня техники только с варисторами, поскольку после разрушения варисторов защитную функцию продолжат выполнять мультиэлектродные многозазорные разрядные модули.

Все вышеприведенные факторы свидетельствуют о повышенной надежности ограничителя перенапряжений в соответствии с настоящим изобретением.

Краткое описание чертежей

На фиг. 1 показано размещение электродов в разрядном модуле в частичном разрезе.

На фиг. 2 показано расположение каналов в разрядном модуле в частичном разрезе.

На фиг. 3 показано совместное расположение электродов и канала в разрядном модуле в частичном разрезе.

На фиг. 4 представлена корпусированная конструкция ограничителя перенапряжений в частичном разрезе.

Осуществление изобретения

Далее настоящее изобретение будет описано со ссылкой на сопровождающие чертежи и частные варианты осуществления. Такое описание дается с целью пояснения изобретения на частных примерах и не предназначено для ограничения объема охраны настоящего изобретения, определяемого формулой изобретения. В то же время при необходимости в формуле изобретения могут быть приведены признаки из описания с целью более точного определения объема охраны.

На фиг. 1 в частичном разрезе показано размещение электродов в разрядном модуле, выполненном в виде диска. Форма диска является лишь одним из возможных вариантов реализации разрядного модуля и ее выбор для иллюстрации изобретения основан на более простой реализации ограничителя перенапряжений в виде цилиндра, что обеспечивает повышенную прочность. В других вариантах реализации возможны другие формы разрядных модулей и ограничителя перенапряжений в целом, которые входят в объем охраны изобретения.

Изоляционное тело 1 показано лишь частично для большей ясности расположения электродов 2-4. В более полном виде разрядный модуль можно увидеть на последующих фигурах. На фиг. 1 электроды 3, выступающие из изоляционного тела 1, показанного частично, на самом деле полностью закрыты диэлектрическим материалом, из которого выполнено изоляционное тело, и, таким образом, находятся полностью в изоляционном теле. Электроды 2 и 4 частично выступают из изоляционного тела 1 или выходят на его поверхность, как это описано далее.

Разрядный модуль состоит из изоляционного тела 1 и множества электродов 2, 3 и 4, размещенных в изоляционном теле и образующих разрядные зазоры между собой. Изоляционные тела разрядных модулей предпочтительно выполнены с использованием таких диэлектрических материалов, как полимерные материалы, например, силиконовая резина. Благодаря использованию таких материалов упрощается и становится более технологичным изготовление разрядных модулей, а также сборка ограничителя перенапряжений с использованием этих модулей. Кроме того, пластичные и упругие свойства изоляционных тел разрядных модулей, выполненных с использованием таких материалов, позволяют дополнительно повысить прочность ограничителя перенапряжений в целом, как это будет показано далее.

Также с помощью таких разрядных модулей достигается основной технический результат настоящего изобретения, а именно повышение надежности ограничителей перенапряжений по сравнению с ограничителями перенапряжений, включающих в свой состав исключительно варисторы. Это происходит благодаря тому, что материалы, используемые при изготовлении изоляционного тела разрядного модуля – например, полимерные материалы, в том числе силиконовая резина, более устойчивы к электрическим воздействиям и неблагоприятным климатическим воздействиям, чем металл-оксидные материалы варисторов.

Электроды 2 и 4 представляют собой крайние электроды, обеспечивающие возможность соединения между собой разрядных модулей, и поэтому могут называться соединительными или переходными электродами. Они предназначены для подачи в разрядный модуль напряжения (в т.ч. перенапряжения) и с этой целью могут выступать из изоляционного тела, выходить на его поверхность (т.е. электроды не выступают, но в то же время открыты, т.е. не покрыты изоляционным слоем) или же может предусматриваться возможность подключения к ним через изоляционное теле, если расположены полностью в нем, с помощью соединительных электродов, пропускаемых через мягкое изоляционное тело (например, выполненное из силикона) или через отверстие в изоляционном теле. Например, на фиг. 1 электрод 2 выступает на одну (нижнюю) сторону разрядного модуля, выполненного в форме диска, а электрод 4 выступает на другую (верхнюю) сторону разрядного модуля.

Электроды 3 являются промежуточными электродами, расположенными между соединительными электродами 2 и 4 не обязательно геометрически, а в том смысле, что разряд начинается между одним соединительным электродом и ближним к нему (например, выходящим в ту же разрядную камеру, что и основной электрод) промежуточным электродом, далее – разряды последовательно развиваются в разрядных камерах между промежуточными электродами и заканчиваются в разрядном зазоре между последним промежуточным электродом и вторым соединительными электродом. Соединительные электроды могут быть соединены с соседними промежуточными электродами непосредственно или, предпочтительно, через разрядные зазоры в разрядных камерах – то есть расположены с разрядными зазорами между собой в разрядных камерах. При непосредственном соединении с соседними промежуточными электродами первый и последний разряд развиваются между промежуточными электродами.

Соединение разрядных модулей может быть обеспечено и без выступания соединительных электродов из изоляционных тел модулей. Например, внешняя поверхность соединительных электродов может быть продолжением поверхности изоляционного тела или быть близкой к ней, например, с незначительным углублением. Тогда соединительные электрода соседних разрядных модулей могут соединяться непосредственно путем контакта между собой при соприкосновении модулей друг с другом или с помощью дополнительных электродов. Кроме того, разрядные модули могут устанавливаться с обеспечением разрядных (искровых) зазоров между их электродами (имеются ввиду соединительные электроды). В таком случае может говориться о том, что разрядные модули соединены с помощью разрядного зазора при расположении соединительных электродов соседних модулей друг напротив друга. Разрядные модули также могут быть электрически соединены путем соединения электродов разрядных модулей с помощью нелинейных сопротивлений, таких как варисторы или т.п. Применение соединительных разрядных (искровых) зазоров или нелинейных сопротивлений для соединения разрядных модулей может дополнительно улучшить защитные свойства ограничителя перенапряжения ввиду дополнительного рассеяния энергии перенапряжения в них.

Кроме того, соединительные электроды могут быть заглублены в изоляционных телах открытым или закрытым образом (в последнем случае они покрыты материалом изоляционного тела) и соединяться с помощью дополнительных электродов, устанавливаемых между соединительными электродами при сборке ограничителя перенапряжений. Дополнительные электроды могут проходить через изоляционное тело к соединительным электродам через отверстия (углубления) в изоляционном теле, формируемые при их изготовлении или при прохождении через изоляционное тело дополнительных электродов. В том случае, если соединительные электроды содержат отверстия, дополнительные электроды могут проходить в том числе в эти отверстия.

Соединительные и промежуточные электроды совместно могут называться просто электродами. Электроды могут быть выполнены с использованием токопроводящих материалов, в том числе графита и металлов, например, стальных, алюминиевых, медных, вольфрамовых и других известных сплавов. Форма электродов может быть любой, обеспечивающей возможность осуществления разрядов между электродами. Например, электроды могут быть выполнены в виде шариков, цилиндров, колец, трубочек, эллипсоидов, дисков, призм и т.п.

Изготовление электродов из указанных токопроводящих материалов обеспечивает повышение надежности разрядных модулей и предложенного ограничителя перенапряжений в целом, т.к. указанные токопроводящие материалы имеют большую устойчивость к электрическим воздействиям и неблагоприятным климатическим воздействиям, чем металл-оксидные материалы варисторов. В то же время ни материалы изоляционного тела, ни электродов разрядных модулей не обладают нелинейностью электрических свойств, характерной для металл-оксидных материалов, используемых для изготовления варисторов. Нелинейность свойств разрядных модулей, в частности, их сопротивление, обеспечивается наличием разрядных зазоров между электродами.

Благодаря применению множества электродов с образованием множества разрядных зазоров между ними снижается разрядное напряжение в каждом разрядном зазоре, поскольку общее разрядное напряжение, подаваемое на ограничитель перенапряжений в целом и каждый из его разрядных модулей в частности, делится на общее количество разрядных зазоров. Таким образом, в каждом разрядном зазоре действует напряжение, меньшее поданного на ограничитель перенапряжений напряжения или перенапряжения в общее количество разрядных зазоров в ограничителе перенапряжений. Это позволяет снизить требования к электрическим и механическим свойствам (в частности, прочности) материалов, применяемых для изготовления разрядных модулей, в результате чего становится возможным реализация изоляционных тел разрядных модулей с использованием полимерных материалов, в том числе силиконовой резины. Кроме того, снижение разрядных напряжений в каждом разрядном зазоре позволяет уменьшить их размеры, что открывает возможность выполнения ограничителя перенапряжений в соответствии с настоящим изобретением более компактным, например, в тех же размерах, что ограничители перенапряжений из уровня техники, использующие варисторы.

На фиг. 2 показано расположение каналов 5 и 6 в изоляционном теле 1 разрядного модуля в частичном разрезе (электроды не показаны для большей ясности расположения каналов). Канал 5 представляет собой общий выход для продуктов разрядов, происходящих в разрядных зазорах между электродами. В канал 5 продукты разрядов могут попадать через каналы 6, которые проходят от разрядных зазоров между электродами до канала 5. В канале 5 продукты разряда выносятся наружу изоляционного тела 1 благодаря давлению, формируемому продуктами разрядов от отдельных разрядных зазоров и выталкивающему газ, находящийся в канале 5 и содержащий продукты разряда, от начала канала 5 в центре изоляционного тела 1 по спирали канала 5 наружу изоляционного тела 1.

В другом варианте общий выход в виде канал 5 может проходить непосредственно около разрядных зазоров между электродами, тогда каналы 6 могут не понадобиться. Кроме того, в некоторых случаях путь от разрядного зазора между электродами к общему выходу может проходить через небольшое отверстие в слое изоляционного материала, с использованием которого выполнен изоляционное тело. Указанное отверстие может быть пробито, например, при первом разряде благодаря тому, что между разрядным зазором и общим каналом находится ослабленный слой изоляционного материала, который может быть легко пробит повышенным давлением разряда перенапряжения между электродами в разрядном зазоре ввиду того, что в канале, являющимся общим выходом, будет пониженное по сравнению с разрядной камерой (например, атмосферное) давление. Такое отделение тонким изоляционным слоем разрядного зазора от общего выхода входит в объем охраны настоящего изобретения, поскольку является эквивалентом того, что выход из разрядного зазора соединен с общим выходом, поскольку при срабатывании разрядного модуля указанный тонкий изоляционный слой легко пробивается.

В еще одном варианте общий выход из изоляционного тела может представлять собой щель в изоляционном теле, проходящую от разрядных зазоров или выходов разрядных зазоров к поверхности изоляционного тела. Щель в таком случае представляет собой общий выход из изоляционного тела. В предпочтительном варианте разрядные зазоры имеют выходы в щель для направления через них продуктов разряда в общий выход (щель) из изоляционного тела, или же разрядные зазоры могут быть открыты непосредственно в щель и, таким образом, направлять в нее продуктов разряда. В другом возможном варианте путь от разрядного зазора между электродами к общему выходу может быть перекрыт тонким изоляционным слоем, в котором есть небольшое отверстие или которое может быть может быть пробито, например, при первом разряде благодаря тому, что между разрядным зазором и щелью находится ослабленный слой изоляционного материала, который может быть легко пробит повышенным давлением разряда перенапряжения между электродами в разрядном зазоре ввиду того, что в щели, являющейся общим выходом, будет пониженное по сравнению с разрядной камерой (например, атмосферное) давление. Такое отделение тонким изоляционным слоем разрядного зазора от общего выхода (в данном случае, щели) входит в объем охраны настоящего изобретения, поскольку является эквивалентом того, что выход из разрядного зазора соединен с общим выходом, поскольку при срабатывании разрядного модуля указанный тонкий изоляционный слой легко пробивается.

Наличие выхода для продуктов разрядов из разрядных камер повышает надежность ограничителя перенапряжений в соответствии с настоящим изобретением, поскольку снижает разрывающее воздействие на материал изоляционного тела в месте расположения разрядных камер из-за распределения этого воздействия по большей площади изоляционного тела (например, по поверхности общего канала или щели) вне разрядных камер. То, что продукты разрядов из разрядных камер направляются в общий выход (общий канал или щель), позволяет сформировать суммарное давление, достаточное для выброса всех продуктов разрядов из общего выхода во вне изоляционного тела, например, атмосферу, что дополнительно повышает надежность разрядных модулей и ограничителя перенапряжений в целом, поскольку газ, содержащий продукты разрядов, выбрасывается наружу и давление внутри изоляционного тела быстро снижается до безопасного или, точнее говоря, не повышается до опасного разрушающего уровня. Кроме того, удаление из изоляционного тела продуктов разрядов оставляет чистыми внутренние поверхности изоляционных тел разрядных модулей, что дополнительное повышает надежность и срок службы ограничителя перенапряжения ввиду предотвращения ненужных пробоев и сохранения достаточных размеров отверстий, каналов, щелей и т.п. проходов для продуктов разрядов. То, что общий выход (например, щель или общий канал) открыты наружу изоляционного тела разрядного модуля, также обеспечивает реализацию указанных технических результатов, поскольку обеспечивает возможность выброса продуктов разрядов наружу из изоляционного тела.

Кроме того, общие выходы дополнительно повышают надежность разрядных модулей и ограничителя перенапряжений, поскольку они выполнены в виде каналов или щелей, представляющих собой полости в изоляционном теле, которые могут сжиматься (преимущественно частично), обеспечивая тем самым пространство для смещения электродов и расширения разрядных зазоров в результате воздействия давления, появляющегося в разрядном зазоре в ходе протекания искрового разряда из-за нагрева и теплового расширения газов (в т.ч. воздуха), находящихся в разрядном зазоре. Поскольку общие выходы представляют собой, например, каналы или щели значительно большего размера, чем какие-либо разрядные зазоры и отдельные выходы, они позволяют скомпенсировать большие величины роста давления, чем отдельные выходы и непосредственно разрядные зазоры. Также следует отметить, что общие выходы представляю собой места концентрирования деформаций в безопасных местах внутри изоляционного тела, что направляет воздействие искрового давления в разрядных камерах не на разрушение изоляционных тел разрядных модулей, а на их сжатие, что дополнительно повышает надежность разрядных модулей и ограничителя перенапряжений в целом.

На фиг. 3 показано совместное расположение электродов 2,3,4 и канала 5 в изоляционном теле 1 разрядном модуле в частичном разрезе. Видно, что общий канал 5 проходит вдоль электродов 2 и 3 и выходит наружу изоляционного тела 1. В изоляционном теле 1 разрядного модуля может быть предусмотрено несколько общих выходов (щелей или каналов) для групп разрядных зазоров между электродами 3. Например, на разных сторонах разрядного модуля могут быть выполнены отдельные друг от друга общие выходы (каналы или щели), в которые могут направлять продукты разрядов из различных разрядных зазоров. Например, в случае выполнения изоляционного тела в виде диска, на каждой стороне может быть выполнено по одному общему каналу или щели, в которые выходят разрядные камеры через одну. Такое чередование направления продуктов разряда из разрядных зазоров в один или другой канал при проходе вдоль канала предотвращает слияние соседних разрядов, поскольку они оказываются отделены друг от друга – это дополнительно повышает надежность ограничителя перенапряжения и обеспечивает стабильность его эксплуатационных характеристик.

На фиг. 3 видно кольцо 7, предназначенное для повышения механической прочности изоляционного тела 1 и представляющее собой армирующий элемент. Механическая прочность кольца предпочтительно выше механической прочности разрядного модуля. При проходе в разрядном модуле импульса перенапряжения в разрядных зазорах происходят электрические разряды, давление повышается и до того, как оно снизится вследствие выхода газов с продуктами разрядов наружу из изоляционного тела, изоляционное тело будет испытывать разрушающее воздействие этого повышенного давления, старающегося разорвать его. Для повышения надежности ограничителя перенапряжений и снижения риска разрушения разрядного модуля в него по периметру может быть введено кольцо 7, выполненное преимущественно с использованием диэлектрических материалов, таких как стеклопластик, гетинакс и другие.

Также может быть предусмотрена щель (зазор) между основным изоляционным телом 1, где расположены электроды, и той его частью, в которой размещено кольцо 7 (т.е. армирующий элемент) для того, чтобы изоляционному телу было куда расширяться при воздействии импульсов повышенной величины.

Зазор между той частью изоляционного тела, в которой находятся электроды, и той частью изоляционного тела, в которой находится армирующий элемент (т.е. между электродами и армирующим элементом) может быть частичным или сплошным на протяжении всего армирующего элемента или нескольких таких элементов. В том случае, когда зазор является протяженным, для сохранения требуемого расположения частей изоляционного тела с электродами и армирующими элементами между собой могут быть предусмотрены перемычки – в таком случае зазор может оказаться разделенным на части.

Пластины по плоским поверхностям диска разрядного модуля в данном случае не требуются, поскольку в ограничителе перенапряжения разрядные модули прижимаются друг к другу этими плоским поверхностями и не дают избыточно расширяться и разрушаться друг другу, тем самым также повышая надежность ограничителя перенапряжений. Помимо кольца могут предусмотрены и другие (например, плоские, стержневые или продольные) армирующие элементы, обладающие большей механической прочностью, чем изоляционное тело, и расположенные радиально, периферийно, секторно или другими способами, и обеспечивающими повышение надежности разрядного модуля и ограничителя перенапряжений.

В центре изоляционного тела 1, показанного на фиг. 3, расположено отверстие 8, через которое может проходить стержень, например, стеклопластиковый или из другого изоляционного материала. Это позволяет собрать ограничитель перенапряжений из множества разрядных модулей, которые надеваются стержень, располагаются рядом друг с другом и соединяются друг с другом электрически (посредством соединительных электродов и/или разрядных зазоров и/или нелинейных сопротивлений, таких как варисторы). Механическое соединение модулей осуществляется с помощью стержня, при этом модули могут касаться друг друга или быть отделены небольшими зазорами, а также быть прижаты друг к другу или даже приклеены или соединены другими способами механического соединения.

Для повышения количества разрядных модулей, которые можно собрать в ограничитель перенапряжений и тем самым повысить его надежность и эксплуатационные характеристики, разрядные модули предпочтительно выполнены плоским, что позволяет размещать их рядом друг с другом параллельно. Однако в некоторых вариантах разрядные модули могут иметь объемную структуру, при которой их толщина может быть сравнима с другими размерами, такими как длина и ширина или диаметр.

На фиг. 4 показана другая конструкция ограничителя перенапряжений, использующая для объединения разрядных модулей в ограничитель перенапряжений вместо стержня корпус. Разрядные модули 10, устройство которых детально показано на фиг. 1-3, а также частично на фиг. 4 для верхнего модуля (в частности, видны электроды 3, установленные в изоляционном теле 1), размещены в корпусе 11 и последовательно электрически соединены. Электрическое соединение модулей выполняется путем соединения между собой соединительных электродов соседних разрядных модулей. В частности, могут быть соединены соединительный электрод, выступающий вверх из нижнего разрядного модуля, с соединительным электродом, выступающим вниз из верхнего разрядного модуля. Соединение предпочтительно является непосредственным (прямым) электрическим соединением, однако может применяться и соединение с помощью разрядных зазоров между соединительными электродами соседних разрядных модулей – в таком случае электрический разряд будет переходить на соседние модули через пробой разрядных зазоров, через которые начинает течь электрический ток в виде искры. Также возможно соединение нелинейными сопротивлениями, такими как варисторы.

Таким образом, при установке разрядных модулей с разрядным зазором между соединительными электродами соседних модулей сам разрядный зазор или нелинейное сопротивление представляет собой электрическое соединение соединительных электродов соседних разрядных модулей при пробое разрядного зазора импульсом перенапряжения с формированием разрядной дуги (тока), несмотря на то что разрядный зазор фактически разделяет эти соединительные электроды при отсутствии перенапряжения и разрядной дуги. Однако благодаря такому расположению соединительных электродов соседних разрядных модулей, при котором они формируют разрядные зазоры между собой (предпочтительно по одному между каждой парой), соединительные электроды могут считаться электрически соединенными между собой. Такой способ электрического соединения соединительных электродов соседних разрядных модулей – через разрядных зазоры – обеспечивает дополнительное преимущество настоящему изобретению, заключающееся в том, что так в ограничителе перенапряжений организованы дополнительные разрядные зазоры, что дополнительно снижает разрядное напряжение на каждом из них и, следовательно, дополнительно повышает надежность ограничителя перенапряжений.

Корпус предпочтительно содержит трубу, внутри которой могут размещаться и/или закрепляться разрядные модули. Размещение разрядных модулей в корпусе, в том числе в трубе, представляет собой помещение внутрь корпуса (например, трубы), разрядных модулей. Например, они могут вводиться внутрь через отверстие в корпусе или размещаться в одной из частей корпуса, а потом закрываться другой частью корпуса. Для того, чтобы разрядные модули могли быть размещены в корпусе (трубе), они предпочтительно имеют размеры меньше, чем внутренние размеры корпуса (трубы). Однако в некоторых вариантах разрядные модули могут иметь такие же размеры, как внутренние размеры корпуса (трубы), или даже больше – в последнем случае они могут сжиматься, сворачиваться или другим образом менять форму для того, чтобы разместиться в корпусе (трубе).

В предпочтительном варианте между разрядными модулями и корпусом предусмотрен зазор. Благодаря наличию зазора газы с продуктами разряда выходят из разрядных модулей в зазор и, далее, они могут выйти из корпуса – это также повышает надежность в случае использования корпуса. Зазор, также как и общие выходы, также дает возможность модулям (их дискам, например) расширяться, а электродам внутри модулей смещаться, что предотвращает неразъемное соединение электродов, например, приваривание их друг к другу. Величина зазора преимущественно составляет не менее 0,1 мм или 0,2 мм или 0,3 мм или 0,5 мм или 1 мм или 1,5 мм или 2 мм или 3 мм или 5 мм для того, чтобы газ мог выходить из разрядных модулей. Кроме того, величина зазора также преимущественно составляет не более 1 мм или 1,5 мм или 2 мм или 3 мм или 5 мм или 7 мм или 10 мм для того, чтобы надежно закреплять разрядные модули в корпусе так, чтобы они не болтались и сохраняли соединение между собой.

Разрядные модули предпочтительно закреплены внутри корпуса (например, внутри трубы). Закрепление может осуществляться механическими, тепловыми, химическими или другими способами. Например, разрядные модули могут быть закреплены внутри корпуса (трубы) за счет механических креплений (резьбовых, защелочных, обмоточных, прижимных и т.п.), за счет посадки с натягом, когда модули зажаты внутри корпуса (трубы) за счет сжатия модулей, размер которых незначительно превышает внутренний размер корпуса (трубы), и других механических способов крепления, или путем охвата разрядных модулей корпусом (трубой с торцевыми элементами) со всех сторон. В других вариантах разрядные модули могут быть закреплены внутри корпуса (трубы) за счет тепловых способов соединений, таких как пайка, сварка, тепловое сжатие/расширение материалов (эти способы используют или могут быть использованы для реализации, в том числе, механических способов крепления). Кроме того, разрядные модули могут быть закреплены внутри корпуса (трубы) с помощью химических методов, таких как приклеивание, частичное растворение, сплавление и т.п.

Благодаря протяженности трубы в продольном направлении в ней можно размещать разное количество разрядных модулей в соответствии с тем напряжением, на которое рассчитан ограничитель перенапряжений, а длина трубы может быть технологично изменена в соответствии с количеством разрядных модулей путем резания или пиления. В частности, как показано на фиг. 4, корпус может включать в себя цилиндрическую трубу, применение которой упрощает изготовление или подбор трубы необходимого размера, а также повышает прочность корпуса, так как цилиндрическое тело равномерно распределяет напряжение без концентраций. В цилиндрической трубе преимущественно используются дисковые разрядные модули. В других вариантах труба может иметь не круглое сечение, а овальное, эллиптическое, многоугольное и т.п. Форма разрядных модулей должна соответствовать внутренней форме корпуса и также может быть не только круглой (дисковой), но и овальной, эллиптической, многоугольной, призматической и т.п.

В показанном на фиг. 4 варианте реализации корпус 11 ограничителя перенапряжений снабжен электродами 12, обеспечивающими подачу напряжения на разрядные модули, для чего электроды 12 могут быть соединены с соединительными электродам крайних разрядных модулей непосредственно или через разрядные зазоры. Электроды 12 могут называться основными электродами. Как видно на фиг. 4, электроды 12 представляют собой крышки, закрывающие корпус 11. Например, электроды 12 могут надеваться на корпус 11 или накручиваться на него, если предусмотрено резьбовое соединение, которое обеспечивает повышенную прочность такого соединения и ограничителя перенапряжений в целом. В таком виде электроды входят в состав корпуса, поскольку обеспечивают удержание разрядных модулей 10 внутри корпуса 11. Однако возможны и другие варианты выполнения корпуса и обеспечения подачи напряжения на разрядные модули. В частности, соединительные электроды крайних разрядных модулей могут проходить через корпус и напряжение может подаваться сразу на них – в таком случае необходимость в электродах 12 отсутствует.

Размеры разрядных модулей и корпуса в целом предпочтительно соответствовать размерам варисторов и корпуса ограничителей перенапряжений из уровня техники. Это обеспечивает возможность простой и удобной замены ограничителей перенапряжений со старых на новые. Кроме того, в ограничителях напряжений варисторы могут быть заменены на разрядные модули и наоборот. Замена отдельных разрядных модулей на варисторы в некоторых случаях позволяет улучшить нелинейные свойства предложенного ограничителя перенапряжений. При такой замене варисторы могут подключаться последовательно с разрядными модулями и/или параллельно им.

Что касается замены варисторов разрядными модулями в обычных ограничителях напряжения из уровня техники, то это невозможно ввиду того, что корпуса ограничителей перенапряжений из уровня техники не обладают повышенной прочность, необходимой для разрядных модулей, поскольку для варисторов достаточно обеспечить герметичность корпуса, что предотвращает неблагоприятное климатическое воздействие на варисторы, а сами варисторы имеют достаточную механическую прочность. Кроме того, повышение прочности корпуса ограничителей перенапряжений из уровня техники не привела бы к большей надежности работы варисторов, поскольку варисторы разрушаются и раскалываются при прохождении сильных токов не из-за возможного расширения, а вследствие термических воздействий и концентрации токов на неоднородностях внутренней структуры варисторов.

Для разрядных же модулей ограничителя перенапряжений в соответствии с настоящим изобретением внешний корпус, обладающий повышенной прочностью, предпочтителен потому, что сами разрядные модули обладают мягким и непрочным изоляционным телом, склонным к разрушению вследствие увеличения своего размера. При прохождении разрядов в разрядных зазорах между электродами происходит нагрев внутренних газов, что повышает внутреннее давление на изоляционное тело и электроды. Вследствие этого давления изнутри наружу мягкое и упругое изоляционное тело стремится расшириться, что в конечном итоге может привести к его растрескиванию и разрушению при повышенных перенапряжениях, если такое расширение изоляционного тела не ограничить прочным корпусом, обладающим большей прочностью, чем разрядные модули и, благодаря этому, сдерживающим расширение разрядных модулей.

С другой стороны, изоляционное тело предпочтительно должно быть упругим, поскольку это обеспечивает работоспособность разрядных модулей вследствие того, что электроды внутри такого упругого изоляционного тела могут смещаться друг относительно друга, обеспечивая тем самым увеличение разрядных зазоров во время протекания разрядов. Увеличение разрядных зазоров будет особенно полезным, когда оно велико относительно размеров самих зазоров, то есть при разрядных зазорах в доли миллиметра (например, от 0,01 до 0,9 мм (или 1 мм) или от 0,1 до 0,5 мм). Благодаря такому увеличению зазоров при раздвижении электродов создаются более благоприятные условия для гашения разрядов при окончании импульса перенапряжения, а разрядные модули дольше сохраняют работоспособность, поскольку разрядные зазоры меньше подвержены спеканию.

Таким образом, изоляционное тело для обеспечения повышенной надежности предпочтительно должно быть изготовлено из упругих материалов, таких как полимерные, например, силиконовая резина. Механическая же прочность корпуса должна быть выше механической прочности разрядных модулей также для повышения надежности предложенного ограничителя перенапряжений, поскольку это позволяет предотвращать разрушение разрядных модулей, изоляционные тела которых изготовлены с использованием упругих (мягких) и/или твердых (жестких) материалов.

Для обеспечения повышенной по сравнению с разрядными модулями механической прочности корпус может быть выполнен с использованием металла, прочного полимерного материала (более прочного, чем использованного для разрядных модулей), композитной структуры (композитных материалов) и/или арматурной оплетки, стеклоткани, углепластика и других прочных материалов. В то же время необходимо учитывать, что применение указанных материалов и/или элементов по отдельности или даже совместно для изготовления корпуса не обеспечивает само по себе прочность корпуса больше, чем прочность разрядных модулей. Возможны варианты, когда, например даже металл, полимерный материал, композитная структура, арматурная оплетка или стеклоткань в корпусе могут разрываться, в то время как разрядные модули остаются целыми, что означает, что разрядный модуль оказался прочнее корпуса. Соотношение прочностей определяется конструкциями корпуса и разрядных модулей, а также материалами, использованными в их конструкциях, в совокупности.

Превышение механической прочности корпуса над механической прочностью разрядных модулей желательно потому, что разрядные модули не могут сами для себя обеспечить достаточную прочность. Связано это также с тем, что изготовление разрядных модулей из материалов повышенной прочности является нетехнологичным в отличие от применения гибких и упругих полимерных материалов, таких как силиконовая резина, которые можно заливать или запрессовывать в форму для изготовления разрядного модуля и в дальнейшем вулканизировать, полимеризовать или отверждать – то есть фиксировать, закреплять конфигурацию (форму) разрядных модулей.

Полимерные материалы, в том числе силиконовая резина, могут обеспечивать необходимую электрическую прочность разрядных модулей, что выражается в способности пропускания через разрядные модули огромного количества импульсов перенапряжений без изменения электрических свойств, например, удельного сопротивления, диэлектрического материала, из которого изготовлен разрядный модуль. Однако для реализации требуемой электрической прочности необходимо обеспечить механическую прочность, то есть способность выдерживать разряды без механических повреждений или разрушений. Это требование связано с тем, что электрические разряды выделяют большое количество энергии, что приводит к нагреву газов и резкому росту давления на изоляционное тело, в котором происходят разряды.

В соответствии с настоящим изобретением механическую прочность разрядных модулей при повышенных перенапряжениях, которые могут наблюдаться при прямых ударах молний, может обеспечивать корпус, которых их окружает и не дает давлению газов в разрядных зазорах разрушать разрядные модули благодаря «противодавлению», обеспечиваемому прочными стенками корпуса. Силы, вызываемые давлением газов, пытающегося разорвать изоляционные тела разрядных модулей, встречают противоположно направленные силы противодействия, придаваемые изоляционным телам разрядных модулей стенками прочного корпуса, в результате чего изоляционное тело испытывает только сжимающее воздействие, а не разрывающее.

Сравнение прочностей корпуса и разрядных модулей проводится в направлении, перпендикулярном продольному (на фиг. 4 – в горизонтальном направлении), поскольку разрядные модули, как показано на фиг. 4, размещены один над другим и по большей части механическое воздействие в продольном (вертикальном) направлении воспринимается и взаимокомпенсируется соседними разрядными модулями с двух сторон. Крайние разрядные модули воздействуют на крышки, закрывающие торцы корпуса, которые в варианте, показанном на фиг. 4, выполнены в виде основных электродов. Крышки прочно прикреплены к корпусу и оказывают противодавление на крайние разрядные модули в продольном направлении. В направлении, поперечном продольному (т.е. горизонтальном на фиг. 4), давление, появляющееся в разрядных модулях вследствие электрических разрядов в разрядных зазорах, воздействует на стенки корпуса и, как следствие, именно в этом направлении корпус должен быть прочнее разрядных модулей.

Сравнение прочностей может осуществляться механическим воздействием, например, до разрушения конструкции корпуса или разрядного модуля. Например, если при одном и том же механическом усилии (давлении) разрядный модуль или колонка разрядных модулей деформировались больше, чем корпус (без модулей) или даже разрушились (например, в них появились трещины или они разделились на несколько частей), в то время как корпус еще сохраняет свою целостность, то это будет означать, что корпус прочнее, чем разрядные модули.

Корпус может быть покрыт защитным покрытием 13, которое может быть снабжено ребрами 9, увеличивающими длину пути утечки тока по поверхности. Покрытие и ребра могут быть выполнены с использованием полимерных материалов, в т.ч. силиконовой резины. В некоторых вариантах ребра могут отсутствовать. Покрытие необходимо для защиты корпуса от разрушительных воздействий окружающей среды, а также повышает прочность и надежность ограничителя перенапряжений.

С целью предотвращения выхода разрядных дуг наружу ограничителя перенапряжений, что позволяет разместить в разрядных модулях большее количество электродов и образовать между ними большее количество разрядных зазоров, что снижает напряжение разряда, разрядные зазоры предпочтительно герметично изолированы корпусом от внешнего пространства. В таком варианте реализации разрядные дуги могут выходить из разрядных зазоров по направлению наружу из разрядных модулей, например, через выходы из разрядных камер, в которых расположены разрядные зазоры, однако они не могут выйти наружу ограничителя перенапряжений, поскольку стенки корпуса преграждают им путь. Благодаря этому не требуется предотвращение слияния разрядных дуг в одну, а также не требуется предусматривать место для безопасного выхлопа разрядных дуг снаружи корпуса.

Благодаря механической прочности разрядных модулей, обеспечиваемой повышенной механической прочностью корпуса, разрядные дуги не смогут разрушить разрядные камеры и будут локализованы только непосредственно в разрядных модулях и, возможно, зазоре между модулями и корпусом. Благодаря этому в разрядных модулях можно разместит еще больше электродов и образовать между ними еще большее количество разрядных зазоров, что дополнительно снижает напряжение разряда. Кроме того, это повышает надежность ограничителя напряжений в целом, поскольку в таком варианте герметичность корпуса не является обязательной, то есть корпус может быть негерметичным или разгерметизируемым, и в таких вариантах разрядные модули, в отличие от варисторов, сохранят свои свойства и ограничитель перенапряжений сможет дольше эксплуатироваться.

В то же время следует отметить, что разрядные зазоры могут изолироваться непосредственно в разрядных модулях или корпусом от внешнего пространства без обеспечения герметичности такого изолирования. Изолирование без герметичности подразумевает закрытость разрядных зазоров для прямого попадания в них (и выхода из них) из внешнего пространства или из пространства между разрядными модулями и корпусом, но в то же время в них можно попасть по непрямому пути, что также обеспечивает возможность выхода из разрядных камер разрядных газов также по непрямому пути. Например, это может быть обеспечено стенками или участками в разрядном модуле или корпусе, которые закрывают разрядные зазоры (то есть они не видны из-за таких стенок или участком), но при этом оставляют зазоры или щели для выхода из разрядных модулей газов сбоку или на удалении от разрядных зазоров.

На фиг. 1 показан вариант, где электроды расположены спиралью. Если бы разрядные камеры имели выходы наружу разрядного модуля, то на каждом радиусе модуля можно было бы разместить только по одному электроду, поскольку вторые электроды препятствовали бы формированию выходов из разрядных камер. Однако на фиг. 1 показано, что на некоторых радиусах расположено по два электрода, что стало возможно благодаря тому, что разрядные камеры закрыты и нет необходимости в формировании выходов из разрядных камер. Таким образом, выполнение разрядных камер замкнутыми (герметичными) обеспечивает размещение в разрядных модулях большего количества электродов с образованием между ними последовательных разрядных зазоров.

Таким образом, в соответствии с настоящим изобретением, герметичными могут быть выполнены либо разрядные модули, либо корпус ограничителя перенапряжений, в котором размещаются разрядные модули, либо и разрядные модули, и корпус. В последнем варианте может быть обеспечена дополнительно повышенная надежность ограничителя перенапряжений. Однако в тех вариантах, когда герметичными выполнены только либо разрядные модули (а корпус негерметичен), либо корпус (а разрядные модули негерметичны), также достигается повышение надежности ограничителя перенапряжений. В целом ограничитель перенапряжений будет работоспособным и надежным даже в том варианте, когда ни его корпус, ни его разрядные модули не являются герметичными, поскольку разрядные токи будут проходить через все разрядные зазоры, а выход разрядных дуг и продуктов разрядов может быть ограничен как разрядными модулями, так и корпусом, в том числе таким их взаимным расположением, при котором они, будучи не герметичными каждый по отдельности, ограничивают возможность выхода из каждого из них разрядных дуг и продуктов разрядов.

Повышение надежности ограничителя перенапряжений за счет увеличения количества электродов и, как следствие, понижение разрядного напряжения в каждом разрядном зазоре, возможно и для ограничителя перенапряжений, собранного без корпуса, например, на стержне. Данный способ повышения надежности зависит только от количества электродов, а не от способа сборки разрядных модулей в ограничитель перенапряжений.

Расположение электродов с образованием разрядных зазоров небольшой величины, например, не более 0,1 мм или 0,2 мм или 0,3 мм или 0,5 мм или 0,7 мм или 1 мм или 1,2 мм или 1,5 мм, обеспечивает снижение разрядного напряжения и энергии, выделяемой в разрядном зазоре в ходе разряда. Низкая выделяемая энергия обеспечивает слабый нагрев газов в разрядном зазоре (например, внутри разрядной камеры, в которой находится этот зазор), что приводит к незначительному повышению давления этих газов и, как следствие, к малому воздействию на изоляционное тело разрядного элемента и корпус ограничителя перенапряжений в целом. Это дополнительно повышает надежность ограничителя перенапряжений в соответствии с настоящим изобретением.

Минимальный размер разрядного зазора определяется технологическими особенностями и эксплуатационными свойствами электродов, поскольку разрядный зазор должен сохраняться даже после многочисленных разрядов, в т.ч. электроды не должны спекаться. Для обеспечения надежности ограничителя перенапряжений в соответствии с настоящим изобретением электроды предпочтительно располагаются с образованием разрядных зазоров, например, не менее 0,01 мм или 0,02 мм или 0,03 мм или 0,05 мм или 0,07 мм или 0,1 мм или 0,2 мм или 0,3 мм или 0,5 мм или 0,7 мм или 1 мм.

Гашение разрядов между электродами в таком ограничителе перенапряжений может происходить при переходе тока промышленной частоты через ноль. Однако более предпочтительным является гашение разрядов сразу при окончании импульса перенапряжения. Это может быть обеспечено с использованием приэлектродного (катодного и анодного) падения напряжения, характерного для электрических разрядов. При электрическом разряде на одном из электродов происходит эмиссия электронов, на которую затрачивается определенная энергия, что приводит к приэлектродному падению напряжения.

При наличии приэлектродного падения напряжения разряд не может самоподдерживаться в том случае, если разность потенциалов между электродами меньше приэлектродного падения напряжения. Таким образом, эмиссия электронов из электрода прекращается, поскольку разность потенциалов между электродами не обеспечивает энергии, достаточной для отрыва электрона от электрода. В результате дуговой разряд прекращается, поскольку в разрядном зазоре между электродами отсутствуют носители заряда, и дуга прерывается и не может возобновиться.

В том случае, когда приэлектродное падение напряжения больше напряжения, появляющегося между соседними электродами при приложении к ограничителю перенапряжений его эксплуатационного (рабочего) напряжения, то есть того напряжения, на эксплуатацию при котором рассчитан ограничитель перенапряжений, разрядная дуга будет гаситься автоматически при окончании импульса перенапряжения, а также не будет появляться без перенапряжения. Для этого приэлектродное падение напряжения должно быть больше величины напряжения эксплуатации ограничителя перенапряжений (например, действующего напряжения или максимального напряжения), поделенной на количество последовательных разрядных зазоров.

Это означает, что в ограничителе перенапряжений предпочтительно содержится столько электродов (не меньше), сколько достаточно для формирования такого количества последовательных разрядных зазоров, которое составляет не менее величины напряжения эксплуатации ограничителя перенапряжений (действующего или максимального), поделенной на приэлектродное падение напряжения. Максимальное количество электродов определяется из соображений технологичности, массогабаритных характеристик и может быть, например, не более величины напряжения эксплуатации ограничителя перенапряжений (действующего или максимального), поделенной на 10, или 50, или 100, или 500, или 1000, или 2000, или 3000, или 4000, или 5000 величин приэлектродного падения напряжения.

Приэлектродное падение напряжения имеет разную величину для разных материалов. Для некоторых металлов оно может иметь значение 10-20 В, для других больше или меньше, а также отличаться для неметаллических электропроводящих материалов. В связи с этим указанные выше признаки можно сформулировать альтернативным образом. В частности, электроды ограничителя перенапряжений предпочтительно формируют множество последовательных разрядных зазоров, общее количество которых составляет не менее величины напряжения эксплуатации ограничителя перенапряжений, поделенной на 500 В, или на 300 В, или на 200 В, или на 100 В, или на 50 В, или на 30 В, или на 20 В, или на 15 В, или на 10 В. Кроме того, электроды ограничителя перенапряжений предпочтительно формируют множество последовательных разрядных зазоров, общее количество которых составляет не более величины напряжения эксплуатации ограничителя перенапряжений, поделенной на 30 В, или на 20 В, или на 15 В, или на 10 В, или на 5 В, или на 1 В, или на 0,5 В.

Благодаря использованию эффекта приэлектродного падения напряжения удается обеспечить разрыв разрядных дуг сразу при окончании импульса перенапряжения и, тем самым, минимизировать воздействие разрядных дуг на ограничитель перенапряжений, в частности, его разрядные модули и, более конкретно, диэлектрический материал, из которого выполнены изоляционные тела. Все это позволяет дополнительно снизить требования к применяемым для изготовления изоляционных тел разрядных модулей и корпуса ограничителя перенапряжений материалам, так как снижается давление в ограничителе перенапряжений, появляющееся при прохождении импульса перенапряжения, что может дополнительно повысить технологичность изготовления ограничителя перенапряжений.

Разрядный модуль может содержать не менее 5, или 10, или 15, или 20, или 30, или 50, или 100, или 150, или 200, или 300, или 500 электродов в зависимости от конструкции ограничителя перенапряжений, эксплуатационного напряжения и возможных величин перенапряжений. В то же время разрядный модуль предпочтительно содержит не более 20, или 30, или 50, или 100, или 150, или 200, или 300, или 500, или 1000, или 1500, или 2000, или 3000, или 5000 электродов в зависимости как от перечисленных факторов, так и от массогабаритных ограничений.

Ограничитель перенапряжений в целом может содержать один разрядный модуль или не менее 2, или 3, или 5, или 10, или 15, или 20, или 30, или 50, или 75, или 100, или 150, или 200, или 300, или 500 разрядных модулей в зависимости от конструкции ограничителя перенапряжений, эксплуатационного напряжения и возможных величин перенапряжений. В то же время ограничитель перенапряжений преимущественно содержит не более 10, или 15, или 20, или 30, или 50, или 75, или 100, или 150, или 200, или 300, или 500, или 1000, или 1500, или 2000, или 3000 разрядных модулей в зависимости как от перечисленных факторов, так и от массогабаритных ограничений.

Между разрядными модулями могут быть расположены изоляционные прокладки. Такие изоляционные прокладки повышают электрическую прочность изоляции между электродами соседних разрядных модулей, что позволяет избежать пробоя между разрядными модулями не в том месте, где расположены соединительные электроды разрядных модулей, а где находятся остальные электроды (т.н. промежуточные), и тем самым повысить надежность ограничителя перенапряжений, содержащего несколько разрядных модулей.

Прокладка может представлять собой диск или круг (или иметь другую форму), выполненный с использованием силикона или другого изоляционного материала. Любой изоляционный материал будет повышать надежность ограничителя; в то же время в некоторых вариантах может оказаться предпочтительным, чтобы прокладка имела большую электрическую прочность, чем материал, с использованием которого выполнены разрядные модули. Прокладка может быть того же диаметра, что и разрядный модуль, или большего диаметра, или меньшего – в зависимости от требований по размещению разрядных модулей. Толщина прокладки может быть 1 мм или тоньше или толще, вплоть до нескольких миллиметров, в зависимости от материала прокладки и требований по механической и/или электрической прочности. В прокладке предпочтительно предусмотрено небольшое отверстие в том месте где проходит соединительный электрод или предполагается искровой зазор между соединительными электродами соседних разрядных модулей.

Ограничитель перенапряжений изготавливается в несколько этапов. Сначала изготавливаются разрядные модули и корпус, после чего может быть собран ограничитель перенапряжений. Изготовление разрядных модулей преимущественно осуществляется следующим образом. В форму для изготовления разрядных модулей устанавливаются электроды и далее форма заполняется диэлектрическим материалом, например, жидким или аморфным полимером. Далее закрепляют конфигурацию (форму) разрядного модуля, что может осуществляться путем вулканизации или полимеризации или отверждения диэлектрического материала или др. способами. В качестве формы для изготовления разрядного модуля могут использовать литьевую форму или пресс-форму. В литьевую форму полимер льют, а в пресс-форму полимер запрессовывают. Изготовление изоляционного тела может происходить в одну или несколько стадий в зависимости от оборудования, технологии, формы и материала изоляционного тела, формы и взаимного расположения электродов.

В том случае, когда разрядные зазоры достаточно велики, например, 1 мм или более, расстояние между электродами может быть надежно задано отверстиями или углублениями в форме, в которые устанавливаются и/или закрепляются электроды. Если же разрядные зазоры небольшие, то для обеспечения заданных расстояний между электродами, которые и будут определять размеры разрядных зазоров, электроды могут быть последовательно обмотаны проволокой, предпочтительно имеющей высокое удельное сопротивление, например, нихромовой проволокой. В результате расстояние между электродами будет задаваться толщиной проволоки. В дальнейшем, после завершения изготовления изоляционного тела, через проволоку может быть пропущен электрический ток такой величины, что проволока расплавится и распределится по поверхности электродов, в то время как между электродами внутри изоляционного тела сформируются требуемые разрядные зазоры.

Изготовление корпуса может представлять собой, например, отрезание трубы необходимого размера и подготовку крышек. В частности, в крышках и на концах трубы может быть сделана резьба.

Изготовление ограничителя перенапряжений из подготовленных элементов может происходить следующим образом. В корпус (например, трубу) помещаются разрядные модули с обеспечением соединения между собой соединительных электродов соседних разрядных модулей в соответствии с одним из вышеописанных вариантов или с обеспечением разрядных зазоров между соединительными электродами соседних разрядных модулей по другому варианту. Корпус закрывается крышками с обеспечением выхода соединительных электродов крайних разрядных модулей наружу корпуса или с обеспечением соединения соединительных электродов крайних разрядных модулей с наружными электродами корпуса или с обеспечением возможности формирования разрядных зазоров с соединительными электродами крайних разрядных модулей в корпусе и/или крышках корпуса.

В последнем варианте соединительные электроды крайних разрядных модулей должны находиться в корпусе, но при этом должна быть обеспечена возможность формирования с ними разрядных зазоров с какими-либо внешними электродами (например, с наружными электродами корпуса или крышками, если они выполнены в виде электродов) за счет отверстий или углублений в корпусе и/или крышках корпуса или, если крышки выполнены в виде электродов, за счет такого расположения соединительные электроды крайних разрядных модулей и крышек, при котором между ними будут разрядные зазоры.

Например, отверстие или углубление в корпусе может обеспечивать развитие через него электрического разряда и протекание разрядной дуги от внешнего электрода до соединительного электрода, находящегося на дне отверстия или углубления в корпусе. Отверстие или углубление в крышке может обеспечивать развитие через него электрического разряда и протекание разрядной дуги от внешнего электрода до соединительного электрода, находящегося на дне отверстия или углубления в крышке. Кроме того, отверстие или углубление, выполненное одновременно в корпусе и крышке (когда корпус и крышка расположены рядом и отверстие или углубление частично выполнено в корпусе, а частично в крышке, или когда корпус и крышка наложены друг на друга и отверстие или углубление выполнено как в корпусе, так и в крышке) может обеспечивать развитие через него электрического разряда и протекание разрядной дуги от внешнего электрода до соединительного электрода, находящегося на дне отверстия или углубления в корпусе и крышке.

В дальнейшем корпус ограничителя перенапряжений может быть покрыт защитным покрытием.

В составе линий электропередач ограничитель перенапряжений в соответствии с настоящим изобретением может использоваться как сам по себе, так и в составе вышеуказанных защитных элементов – изолятора-разрядника и/или экрана для защиты от коронного разряда. Линии электропередачи обычно содержат опоры, одиночные изоляторы и/или изоляторы, собранные в колонки или гирлянды, и, по меньшей мере, один находящийся под высоким электрическим напряжением провод, связанный непосредственно или посредством крепежных устройств с элементами арматуры одиночных изоляторов и/или первых изоляторов колонок или гирлянд изоляторов, причем каждый одиночный изолятор или каждая колонка или гирлянда изоляторов закреплен (закреплена) на одной из опор посредством элемента своей арматуры, смежного с указанной опорой. В соответствии с изобретением линия электропередачи содержит, по меньшей мере, один ограничитель перенапряжений по любому из вышеописанных вариантов и/или, по меньшей мере, один экран-разрядник по вышеописанному варианту и/или, по меньшей мере, один из изоляторов представляет собой изолятор-разрядник по вышеописанному варианту.

Применение для защиты высоковольтной линии электропередачи или других видов электроустановок от грозовых перенапряжений ограничителя перенапряжений в соответствии с настоящим изобретением самого по себе или в составе изоляторов-разрядников или экранов позволяет повысить надежность работы линии электропередачи, увеличить длительность срока службы электрооборудования и снизить затраты на их эксплуатацию.

Ограничитель перенапряжений работает следующим образом. В штатном режиме работы электрооборудования (в описываемом примере – линии электропередачи) между местом крепления ограничителя перенапряжений (преимущественно опорой или частью опоры линии электропередачи) и защищаемым объектом (например, проводом) приложено штатное (эксплуатационное) напряжение линии электропередачи, например, соответствующее классам напряжений линий электропередачи 6, 10, 15, 35 35, 110 кВ или другим. Такое напряжение не приводит к пробою разрядных промежутков и через ограничитель перенапряжений ток не течет – таким образом, в штатном режиме ограничитель перенапряжений представляет собой электрический разрыв.

При наличии на защищаемом объекте перенапряжения, например, в результате попадания в него или прохождении рядом с ним молниевого разряда, к ограничителю перенапряжений вместе с разрядным зазором около крайнего электрода ограничителя перенапряжений (если он предусмотрен) прикладывается это перенапряжение. В результате этого последовательно пробиваются разрядные зазоры между защищаемым объектом и крайним или соединительным электродом на свободном конце ограничителя перенапряжений, между электродами разрядных модулей и далее между электродом крайнего разрядного модуля и крайним электродом ограничителя перенапряжений, который соединяется с опорой линии электропередачи. При достижении разрядом крайнего электрода ограничителя перенапряжений, закрепленного на опоре, импульсный ток разряда (например, грозового) стекает в землю, так как опора заземлена, и благодаря этому электрооборудование (защищаемый объект) оказывается защищено от этого перенапряжения.

Ограничитель перенапряжений в соответствии с общепринятой классификацией является разрядником. Приведенные выше технические результаты указаны в основном по сравнению с ограничителями перенапряжений из уровня техники, использующие варисторы. В сравнении с другими разрядниками, например, мультикамерными, настоящее изобретение также имеет преимущества, также представляющих собой технические результаты. В частности, достигается снижение размеров ограничителя перенапряжений по сравнению с ограничителями перенапряжений соответствующих классов напряжений. Снижение размеров обеспечивается одновременным применением модульности конструкции, что позволяет объемно размещать электроды, исключением выхода разрядных дуг наружу ограничителя перенапряжений, что позволяет более плотно размещать электроды, обеспечении прочности конструкции корпусом, что позволяет использовать менее прочные материалы для обеспечения необходимых свойств разрядных модулей, а также использованием эффекта приэлектродного падения напряжения, что позволяет снизить требования к прочностным характеристикам ограничителя перенапряжений и, тем самым, дополнительно снизить размеры ограничителя перенапряжений. Снижение размеров ограничителя перенапряжений при сохранении класса напряжения также можно представить как повышение класса напряжения при сохранении размера ограничителя перенапряжений.

Все указанные в описании технические результаты, в том числе дополнительные, достигаются с помощью ограничителя перенапряжений в соответствии с настоящим изобретением одновременно и неразрывно друг от друга. Представленные на сопровождающих фигурах варианты осуществления, а также детально описанные дополнительные варианты осуществления предназначены для упрощения понимания сущности изобретения и не должны толковаться как ограничивающие объем охраны изобретения, определяемый последующей формулой изобретения. Последовательность описанный действий и операций не является строго заданной и может меняться, если не указано другое и это не противоречит физической реализуемости. Описанные варианты могут объединяться и комбинироваться в любых сочетаниях, обеспечивающих реализацию принципа действия и достижение заявленных технических результатов. В результате комбинации отдельных вариантов могут достигаться дополнительные технические результаты.

Claims (19)

1. Ограничитель перенапряжений, включающий в себя не менее двух разрядных модулей, причем разрядный модуль включает в себя изоляционное тело, по меньшей мере один общий выход из изоляционного тела и множество электродов, размещенных в изоляционном теле с разрядными зазорами между ними, причем, по меньшей мере, часть разрядных зазоров выполнены с возможностью направления продуктов разряда в общий выход из изоляционного тела, причем разрядные модули последовательно электрически соединены путем соединения электродов разрядных модулей с помощью соединительных электродов, и/или искровых зазоров, и/или нелинейных сопротивлений, причем разрядные модули размещены на стержне, проходящем через разрядные модули.

2. Ограничитель перенапряжений по п. 1, отличающийся тем, что изоляционное тело включает в себя несколько общих выходов от различающихся разрядных зазоров.

3. Ограничитель перенапряжений по п. 1, отличающийся тем, что общий выход из изоляционного тела представляет собой канал в изоляционном теле, проходящий от разрядных зазоров на поверхность изоляционного тела, или щель в изоляционном теле, проходящую от разрядных зазоров или выходов разрядных зазоров к поверхности изоляционного тела.

4. Ограничитель перенапряжений по п. 1, отличающийся тем, что содержит не менее 3, или 5, или 10, или 15, или 20, или 30, или 50, или 75, или 100, или 150, или 200, или 300, или 500 разрядных модулей, причем ограничитель перенапряжений содержит не более 10, или 15, или 20, или 30, или 50, или 75, или 100, или 150, или 200, или 300, или 500, или 1000, или 1500, или 2000, или 3000 разрядных модулей.

5. Ограничитель перенапряжений по п. 4, отличающийся тем, что разрядные модули расположены рядом друг с другом.

6. Ограничитель перенапряжений по п. 4, отличающийся тем, что разрядные модули являются плоскими и расположены параллельно друг другу.

7. Ограничитель перенапряжений по п. 4, отличающийся тем, что между разрядными модулями расположены изоляционные прокладки.

8. Ограничитель перенапряжений по п. 1, отличающийся тем, что разрядный модуль включает в себя армирующий элемент.

9. Ограничитель перенапряжений по п. 8, отличающийся тем, что разрядный модуль включает в себя зазор между армирующим элементом и электродами.

10. Ограничитель перенапряжений по п. 1, отличающийся тем, что разрядный модуль размещен в корпусе, причем механическая прочность корпуса выше механической прочности разрядного модуля.

11. Ограничитель перенапряжений по п. 10, отличающийся тем, что разрядные зазоры изолированы корпусом от внешнего пространства.

12. Ограничитель перенапряжений по п. 10, отличающийся тем, что между разрядным модулем и корпусом предусмотрен зазор.

13. Ограничитель перенапряжений по п. 1, отличающийся тем, что общее количество последовательных разрядных зазоров между электродами ограничителя перенапряжений составляет не менее величины напряжения эксплуатации ограничителя перенапряжений, поделенной на приэлектродное падение напряжения.

14. Ограничитель перенапряжений по п. 1, отличающийся тем, что разрядный модуль содержит не менее 5, или 10, или 15, или 20, или 30, или 50, или 100, или 150, или 200, или 300, или 500 электродов, причем разрядный модуль содержит не более 20, или 30. или 50, или 100. или 150, или 200, или 300, или 500, или 1000, или 1500, или 2000, или 3000, или 5000 электродов.

15. Ограничитель перенапряжений по п. 1, отличающийся тем, что электроды расположены с разрядными зазорами между собой величиной не более 0,1 мм, или 0,2 мм, или 0,3 мм, или 0,5 мм, или 0,7 мм, или 1 мм, или 1,2 мм, или 1,5 мм, причем электроды расположены с разрядными зазорами между собой величиной не менее 0,01 мм, или 0,02 мм, или 0,03 мм, или 0,05 мм, или 0,07 мм, или 0,1 мм, или 0,2 мм, или 0,3 мм, или 0,5 мм, или 0,7 мм, или 1 мм.

16. Ограничитель перенапряжений по п. 1, отличающийся тем, что изоляционное тело разрядного модуля выполнено с использованием полимерного материала.

17. Ограничитель перенапряжений по п. 10, отличающийся тем, что корпус выполнен с использованием полимерного материала, и/или металла, и/или композитной структуры, и/или арматурной оплетки.

18. Ограничитель перенапряжений по п. 10, отличающийся тем, что корпус включает в себя трубу.

19. Ограничитель перенапряжений по п. 1, отличающийся тем, что содержит, по меньшей мере один или более варисторов, включенных последовательно и/или параллельно с разрядными модулями.