Защитный разрядник

СОЮЗ СОВЕТСНИХОВИ ЛМПВесекРЕСЙУБЛИН Зао Н 01 т 1 0 ГОСУДАРОТВЕИНЬЙ НОМИТЕТ СССРПО ДЕЛЯМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТНРЬГИЙОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯН АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ веденнаяой тепло(21) 3369793/24-07(56) 1. Авторское свидетельствоСССР Р 909735, кл. Н 01 Т 1/00, 1980.2. Авторское свидетельство СССРР 2971827/24-07, кл. Н 01 Т 1/00,1980 (прототип).( 54)(57) 1. ЗИЦИТНЫЙ РАЗРЯДНИК, содержащий герметичный корпус, разделенный-перегородкой с отверстиемна два отсека, в одном из которыхв газовой среде соосно расположенынеподвижный заземленный электрод иподвижный электрод с термочувствительным приводом, установленныйна перегородке, неподвижные контакты, расположенные в другом отсекекорпуса в диэлектрической жидкостии соединенные подвижным токопроводящим мостиком, связанным с укаэаннымподвижным электродом стержневым элементом, установленным соосно подвижному электроду, о т л и ч а ю щ ийс я тем, что., с целью повышениястабильности срабатывания разрядника,подвижный электрьд выполнен в видестержня, который закреплен в отверстии перегородки с помощью дополнительно введенного жестко закрепленного в перегородке подшипника, стержневой элемент снабжен опорным подпят",ЯО 026214 А ником и выполнен из токопроводящего материала .с нелинейным электрическим сопротивлением, токопроводящий мостик выполнен в виде гибких пластин, крестообразно закрепленных на указанном стержневом элементе в плоскости, перпендикулярной к оси стержневого элемента, неподвижные контакты расположены в плоскости, перпендикулярной к оси стержневого элемента, и выполнены каждый .с двумя контактными площадками, образующими с соответствующими гибкими пластинами мостика скользящие контакты, термопривод подвижного электрода выполнен в виде четырех постоянных магнитов, равномерно расположенных по окруж-ности вокруг подвижного электрода между указанной и дополнительно введенной перегородками корпуса, и плас тины с переменным радиусом кривизны иэ термомагнитного материала, обращенной вогнутой стороной к подвиж- р ному электроду, на котором она закреплена с помощью теплопроводного держателя, причем указанная пластина расположена напротив двух смежных постоянных магнитов термопривода, а перегородки корпуса выполнены из изоляционного материала.2. Разрядник по и. 1, о т л ич а ю щ и й с я тем, что между подвижным электродом и подшипником установлена дополнительно в муфта из материала с низк проводностью.Изобретение относится к электротехнике и может быть использованодля защиты электрических цепей и элементов аппаратуры от воздействияопасных перенапряжений.Известен Разрядник, содержащий 5установленные в герметичном корпусенеподвижный электрод и подвижныйэлектрод, жестко соединенный с токопроводящим стержнем, который образуетс первым токовводом размыкающий контакт, а с вторым - скользящий контакт,и термочувствительный привод подвижного электрода, состоящий из изогнутых пластин, выполненных из материала с эффектом памяти фоРмы. ВтоРойтоковвод выполнен в виде осивращения, на которой установлен то-,копроводящий стержень, расположенный,перпендикулярно к оси вращения, аподвижный электрод выполнен в видеизогнутой у-образной трубки, закрытойс рабочего торца и расположенной вплоскости вращения токопроводящегостержня, соединение которого с трубойвыполнено в ее средней части.Пластины термочувствительного 25привода прикреплены одними своимиконцами к внутренней поверхности рабочего торца подвижного электрода,внутри которого по разные стороныего изгиба установлены две соединенные в замкнутый контур катушки индуктивности, одна из которых снабжена неподвижным ферромагнитным сердечником, а вторая - подвижным сердечником, выполненным в виде постоян-З 5ного магнита, жестко соединенного свторыми концами пластин термочувствительного привода,На внутренней стенке корпуса закреплены в плоскости вращения подвиж ного электрода два разноименных постоянных магнита, один из которыхрасположен соосно с открытым концомподвижного. электрода, а второй - между концами подвижного электрода.Этот разрядник обладает повышенным 45сроком службы за счет исключения механических повреждений поверхностейэлектродов и нежелательного явленияискрения благодаря перемещению подвижного электрода без соприкосновения с неподвижным электродом во времявоздействия длительных перенапряжений 1 .Недостатком указанного разрядника является возможность появления несоосности подвижного электрода с неподвижным за счет изменения микрорельефа контактной зоны первого токоввода с токопроводящим стержнем,вследствие чего изменяется пробивйоенапряжение межэлектродного промежуткаразрядника. Изменение микрорельефаконтактных поверхностей обсуловдено явлением электрической эрозии, возникающей при разрыве цепи разрядного тока в момент нару шения контакта между токовводом истержнем. Процесс разрыва цепи токаосуществляется в газовой среде, чтоспособствует повышенной интенсивности разрушения поверхности. Крометого, данный разрядник является достаточно сложным в изготовлении,Наиболее близким к предлагаемомуявляется защитный разрядник, содержащий герметичный корпус, разделенныйперегородкой с отверстием на два отсека, в одном из которых в газовойсреде соосно расположены неподвижныйзаземленный электрод и подвижныйэлектрод с термочувствительным приводом, установленный на указанной перегородке, неподвижные контакты, расположенные в другом отсеке корпусав диэлектрической жидкости и соединенные подвижным токопроводящим мрстиком, связанным с указанным подвижным электродом стержневым элементом,установленным соосно подвижному электроду.Термочувствительный привод выполнен в виде рабочей и возвратнойпружин. Рабочая пружина выполненаиз материала с эффектом памяти формы,На перегородке закреплен сильфон, погруженный в диэлектрическую жидкость.Дно сильфона соединено с подвижнымэлектродом с помощью изоляционногостержня, пропущенного через отверстие в перегородке.Кроме того, разрядник содержитнеподвижный контакт, установленныйснаружи сильфона напротив его дна,,контакт с другим неподвижным контак;том. Сильфон с токопроводящим стержнем представляет собой токопроводящий мостик,Подвижный электрод и рабочая пружина его привода изолированы от токопроводящей перегородки корпуса,а возвратная пружина выполнена изматериала с нелинейным электрическимсопротивлением.данный разрядник характеризуется повышенной надежностью работы врежиме воздействия кратковременныхперенапряжений, достигнутой за счетустранения влияния сопровождающегото.;а на термочувствительный пРиводподвижного электрода 21 .Недостатком известного разрядника является нестабильность пробивного напряжения в процессе эксплуатации, обусловленная изменениемвеличины межэлектродного промежутка разрядника. Непостоянство величины межэлектродного промежутка вызвано изменением микрорельефа поверхности контактных поверхностей мостика и неподвижных контактов за счет1явления эрозии материала контактных. площадок, возникающей при разрыве протекающего через них разрядного тока.Поскольку при размыкании сила, сжимающая мостик и контакты, снижается до нуля, резко возрастают переходное сопротивление контакта и плотность тока в последней площадке контактйрования. Площадка сильно 5 разогревается и между расходящимися контактами образуется контактный перешеек из расплавленного металла, который в дальнейшем рвется. При этом в промежутке между контактами могут возникнуть различные формы электрического разряда - дуговой либо искровой в зависимости от соотношения величин тока и напряжения.Пбд действием высокой температуры дуги или искры часть металла контактного перешейка испаряется, часть разбрызгивается и выбрасывается из промежутка между контактами, а часть переносится с одного контакта на другой. 20Помимо этого, износ контактов имеет место и при замыкании контактов и вызван их дребезгом в резуль-. тате упругой деформации материала обоих контактов. 25Появление вследствие эрозии в контактной зоне хотя бы одного выступа влечет за собой уменьшение величины разрядного межэлектродного промежутка на высоту этого выступа,30 что вызывает соответствующее снижение величины пробивного напряжения. Так как процесс изменения рельефа . контактных площадок является слу- чайным, то пробивное напряжение оказывается величиной, обладающей большнм статическим разбросом. При некотором расстоянии между электродами пробивное напряжение может оказаться. близким к максимальному рабочему напряжению цепи, что вызывает са мопроизвольные пробои разрядника и срабатывание привода подвижного электрода, приводящее к отключению защищаемого устройства в нормальных условиях эксплуатации.45Кроме того, к недостаткам известного разрядника следует отнести значительное время горения дуги в. межэлектродном промежутке в момент воздействия длительной волны пере напряжения, так как термочувствительный привод, имеющий сравнительно большую поверхность, расположен в пространстве относительно источника тепла так, что температура срабатывания достигается неодновременно на всей его поверхности, поскольку процесс переноса тепловой энергии происходит не мгновенно и с известными потерями. Поэтому длядостиже-. ния приводом необходимой температуры 60 требуется большое количество тепло" вой энергии, поступающей из столба дугит.е. большее время ее горения, а это, в свою очередь, обуславливает повышенную эрозию электродов, 65 неблагоприятно влиякнаую на стабильность пробивного напряжения и сокращающую срок службы разрядника.Цель изобретения - повышение стабильности срабатывания разрядника.Поставленная цель достигаетсятем, что в защитном разряднике, содержащем герметичный корпус, разделенный перегородкой с отверстиемна два отсека, в одном из которых вгазовой среде соосно расположенынеподвижный заземленный электрод иподвижный электрод с термочувствительным приводом, установленный наперегородке, неподвижные контакты,расположеннйе в другом отсеке корпуса в диэлектрической жидкости исоединенные подвижным токопроводящиммостиком, связанным с укаэанным подвижным электродом стержневым элементом, установленным соосно подвижному электроду, подвижный электродвыполнен в виде стержня, которыйзакреплен в отверстии перегородкис помощью дополнительно введенногожестко закрепленного в перегородкеподшипника, стержневой элемент снабжен опорным подпятником и выполнениз токопроводящего материала с нелинейным электрическим сопротивлением,токопроводящий мостик выполнен ввиде гибких пластин, крестообразнозакрепленных. на указанном стержневом элементе в плоскости, перпендикулярной к оси стержневого элемента,неподвижные контакты расположеныв плоскости, перпендикулярной коси стержневого элемента, и выполйены каждый с двумя контактными .площадками, образующими с соответствующими гибкими пластинами мостика скользящие контакты, термоприводподвижного электрода выполнен ввиде четырех постоянных магнитов,равномернЬ расположенных по окружности вокруг подвижного электродамежду укаэанной и дополнительновведенной перегородками корпуса,.и пластины с переменным радиусомкривизны из термомагнитного материала, обращенной. вогнутой сторонойк подвижному электроду, на которомона закреплена с помощью теплопроводного держателя, причем указаннаяпластина расположена напротив двухсмежных постоянных магнитов термопривода, а перегородки корпуса выполнены иэ изоляционного материала.Кроме того, между подвижным электродом и подшипником может быть установлена дополнительно введенная муфта из материала с низкой теплопроводностьюВыполнение термочувствительногопривода .в виде пластины термомагнитного сплава и введение постоянныхмагнитов позволяет осуществить перемещение подвижного электрода вокруг своей оси, а связанной с нимконтактной системы - в плоскости, перпендикулярной к оси разрядного промежутка, чем устраняется влияние изменения микрорельефа контактных площадок на пробивное напряжение раз рядника, так как, во-первых, величина межэлектродного промежутка при перемещении подвижного электрода остается неизменной и, во-вторых, в момент разрыва электрической цепи последняя площадка контактирования оказывается расположенной на краю контакта, поэтому явление эрозии наблюдается в основном на периферийных участках контакта. Контактный перешеек расплавленного металла вытягивается и затем рвется с образованием выступов в направлении, параллельном поверхности контакта, не оказывая влияния на рельеф места контактирования.На фиг. 1 изображен предлагаемыйразрядник, общий вид; на фиг. 2 разрез А-А на фиг. 1; на фигЗ разрез Б-Б на фиг. 1; на фиг. 4 разрез В-В на фиг. 1.Разрядник состоит из герметичного изоляционного корпуса 1 цилиндрической формы, разделенного на три части с помощью основной изоляционной перегородки 2 с отверстием вцентре и дополнительной изоляционной перегородки 3 с аналогично расположенным отверстием, основания 4, на котором закреплен неподвижный заземленный электрод 5, подвижного электрода 6 в виде стержня, пропущенного через отверстие в дополнительной перегородке 3 и образующего с электродом 5 разрядный промежуток.Электрод б,может быть выполнен из никеля с последующим нанесением на его поверхность окиси бария.Окись бария снижает работу выхода, увеличивает скорость разогрева электрода при разряде, снижает и стабилизирует напряжение пробоя и предохраняет электрод от разрушения,В отверстие основной перегородки2 жестко установлен герметично выполненный подшипник 7, в который неподвижно вмонтировйна металлическаямуфта 8, жестко связанная с электродом 6 и изготовленная из материала, обладающего низкой теплопроводностью, например титана. С противоположной стороны в муфту 8 прочновставлен стержневой элемент 9, выполненный из материала с нелинейнымэлектрическим сопротивлением, например вилита. Другой конец элемента 9 снабжен опорным подпятником 10, который своим основанием в форме острия установлен на основании 11 разряд.ника, выполненном из изоляционного материала.На стенке корпуса 1 со стороны основания 11 установлены два диаметМесто соединения пластины 20с держателем 19 расположено несимметрично относительно оси магнита18, т.е. смещено на некоторое расстояние от оси (фиг. За). Это можеъ 35 быть достигнуто за счет подборанеобходимой кривизны плеч пластины20, т.е. путем изменения величинызазора между магнитами таким образом, чтобы баланс магнитных сил, 4 р действующих на плечи пластины 20,наблюдался при нужной ориентацииместа соединения. Аналогичного ре-зультата можно добиться, например,путем подбора поперечного сеченияплеч пластины 20, т.е. площадиих взаимодействия с магнитом. Система постоянных магнитов 18 и пластины20 в совокупности образует термачувствительный привод электрода 6.Часть корпуса, в которой расположен 5 О разрядный промежуток, заполнена га,- зом, например аргоном, а часть корпуса с контактной системой - диэлектрической жидкостью, электрическаяпрочность которой больше. прочности 55 газа, например трансформаторным маслом. Разрядник работает следующим образом.В исходном положении упругие пластины 17 образуют с контактными площадками 14 и 15 токовводов 12 и 13 скользящие контакты (фиг. 4 а). Токовводы 12 и 13 включены в рассечку электрической цепи, обеспечивая прохождение тока в защищаемое уст 5 10 15 20 25 рально расположенных токоввода 12 и 13, каждый из которых имеет расположенный в корпусе 1 контакт, содержащий две контактные площадки 14 и 15, разнесенные относительно одна другой на 90 в плоскости, перпенодикулярной к оси электродов 5 и б. Контактные площадки 14 и 15 связаны электрически с соответствующими токовводами посредством проводников 16, проложенных снаружи корпуса 1.На подпятнике 10 закреплены крестообразно расположенные четыре упругие пластины 17, образующие с контактными площадками 14 и 15 токовводов 12 и 13 скользящие контакты, Между основной 2 и дополнительной 3 перегородками разрядника установлены четыре постоянных магнита 18, разнесенных относительно один другого на 90К электроду б на участке между перегородками 2 и 3 против одного из постоянных магнитов 18 прикреплен держатель 19, материал которого обладает высокой теплопроводностью (например медь, содержащий на конце изогнутую пластину 20, выполненную из термомагнитного материала, имеющего низкую температуру Кюри, например никелево-цинкового феррита.50. его естественного.остывания. Приэтом вновь наступает дисбаланссил, так как сила притяжения однмагнита 18 становится больше, чсила притяжения другого магнита55 поскольку над полюсом одного мата 18 резко возрастает площадьимодействия с пластиной 20. Для.стижения равновесного состояниятина 20 приходит в движение, порачивая электрод б, и ориентиру нормально работающей цепью. ройство. Термомагнитная пластина 20расположена напротив одного из постоянных магнитов 18 и образует с ним сбалансированную магнитную пару(фиг, За). Электрод 5 заземлен, а на электрод 6 подано напряжение, меньшее пробивного напряжения межэлектродного промежутка.В момент возникновения в электрической цепи кратковременного перенапряжения происходит пробой межэлектродного промежутка, шунтирующего защищаемое устройство, вслед-.ствие малого сопротивления канала разряда, предотвращая тем самым его повреждение.После действия импульсной волны перенапряжения благодаря нелинейности вольтамперной характеристикистержневого элемента 9, имеющего высокое сопротивление при рабочемнапряжении цепи, происходит ограничение сопровождающего тока, возможность прохождения которого через искровой промежутокопределяется схемными особенностями электрической цепи, в частности наличием устройствс заземленной нейтралью.В момент перехода сопровождающего тока через нулевое значениеразряд вмежэлектродном промежуткегаснет вследствие явления деиониза.ции. Электрическая прочность межэлектродного промежутка восстанавливается, обеспечивая дальнейшую нормальную работу защищаемого устройства, Из-за кратковременностигорения электрического разряда тепловая энергия, выделяющаяся при этом, недостаточна для нагреваниятермомагнитного материала до температуры КюриПри длительной волне перенапряжения за счет горения дуги в межэлектродном промежутке происходит нагрев электрода б. Тепловой поток от электрода б с помощью держателя 19 передается на участок термомагнитной пластины 20, расположенной напротив постоянного магнита 18. Поскольку процесс переноса тепловой энергии обладает известной инерционностью, то достижение температуры Кюри наблюдается только на локальном участке пластины 20, непосредственно связанном с держателем 19.Муфта 8 ограничивает проникновение теплового потока от электрода б к конструктивным элементам разрядника, увеличивая тем самым скорость разогрева пластины 20 и, следовательно, сокращая время горения дугового разряда.. В момент, когда температура указанного участка полоски превысит температуру Кюри, сплав теряет свои ферромагнитные свойства: магнитная пара пластина 20 - магнит 18 оказы 5 0 15 20 25 30 35 40 45 вается несбалансированной, поскольку под полюсом постоянного магнита 18 под одной его частью находится материал, чувствительный к магнитному полю, а под другой частью - нечувствительный к магнитному полю. Магнитный дисбаланс пары вызывает появление усилия, направленного на то, чтобы втянуть под полюс магнита 18 . оставшуюся часть пластины 20, чувствительную к магнитному полю. Этому способствует также сила притяжения соседнего магнита 18, действующая на периферийную часть пластины 20. При этом электрод.б начинает поворачиваться вокруг своей оси, в результате чего происходит нарушение контакта пластин 17 с токо- вводами 12 и 13 и надежноепрерывание электрической связи разрядника с аварийной цепью за счет высоких изоляционных свойств диэлектрической жидкости, Разрыв электрической цепи осуществляется в среде диэлектрической жидкости, что способствует быстрому гашению разряда между контактами. Энергия магнитного поля расходуется в основном на преодоление упругой силн сцепления контактов, которая является незначительной за счет смазки маслом. Причем использование подшипника 7 и подпятника 10 с очень малой опорной площадью обеспечивает малый момент трогания электрода 6, способствуя увеличению чувствительности привода.Одновременно с поворотом электрода б гаснет дуга в межэлектродном промежутке, тем самым прекращается поступление тепловой энергии в термомагнитную пластину 20. Упругие пластины 17 устанавливаются точно между контактными площадками 14 и 15 токовводов 12 и 13, поскольку магнитная пара вновь принимает устойчивое состояние вследствие равенства силы притяжения, действующей на оба плеча пластины 20 ( фиг. Зб и 4 б).Восстановление ферромагнитных свойств нейтрализованного участка пластины 20 осуществляется по мере огсем18,гни- вза- до- плас- воется по отношению к полюсу магнита 18 а так же, как и в начальный момент по отношению к магниту 18. При этом пластины 17 вновь восстанавливают электрическую связь разрядника с ужеЕсли же в момент восстановления электрической связи .разрядника с цепью в ней сохранится перенапряжение, то вышеописанный процесс будет повторяться до тех пор, пока не исчезнет причина его вызывающая, т.е. аварийный режим цепи.Дополнительная перегородка 3 служит для защиты рабочих зазоров магнитной системы от попадания продуктов эрозии в виде металлических микро частиц, образующихся при возникновении сильноточных дуговых разрядов, что может привести к изменению чувствительной магнитной системы.Таким образом, в режиме длитель ных перенапряжений происходит вращение электрода б в результате действия термомагнитного привода всегда в одном направлении (согласно чертежу по часовой стрелке), Этим достигается более равномерная эрозия элек тродов по всей их рабочей поверхности, что увеличивает стабильность разрядных характеристик и обеспечивает более длительный срок службы разрядника.В предлагаемом разряднике площадь разогрева чувствительной к температуре пластины 20 может быть выбрана достаточно малой, причем необходимая температура срабатывания дости гается одновременно на всей этой площади. Поэтому по сравнению с приводом известного разрядника для достижения одной и той же температуры срабатывания (при прочих равных условиях) термомагнитному приводу требуется меньшее количество тепловой энергии, а следовательно, и меньшее время разрушительного действия дуги. Одновременно уменьшается и время прохождения разрядного тока через контакты токовводов, что такжеоблегчает режим работы контактов.Предлагаемое изобретение позволяет по сравнению с известным повысить стабильность пробивного напряжения разрядника благодаря устранению влияния флуктуаций микрорельефа контактной системы вследствие явления электрической эрозии, что дает возможность использования разрядника, например, в радиоэлектронной аппаратуре для защиты элементов, чувствительных к перегрузкам по напряжению;увеличить срок службы электродов,разрядника, дополнительно улучшить стабильность , пробивного напряжения за счет вращения подвижного электрода вокруг своей оси, обеспечивающую более равномерную эрозию электродов; снизить время горения дугового разряда и время прохождения через контакты разрядного тока путем повышения чувствительности привода за счет введения теплоизоляционной муфтыи пространственной локализации чувствительного к температуре элемента.итета СССР открытий кая наб., д. 4/5