Пристрій для захисту від перенапруг

1. Пристрій для захисту від перенапруг, який містить ребристий електроізоляційний корпус з металевими електродами на його кінцях і розміщений всередині щонайменше один циліндричний варисторний елемент, зовнішні стінки якого покриті адгезивом, електрично зв'язаний із згаданими металевими електродами, які скріплені між собою щонайменше двома діелектричними стрижнями, закріпленими в їх отворах, який відрізняється тим, що діелектричні стрижні встановлені в тілі ребристого електроізоляційного корпуса, а співвідношення товщини ребристого електроізоляційного корпуса між варисторними елементами і діелектричними стрижнями до товщини ребристого електроізоляційного корпуса між вищезгаданими стрижнями і зовнішньою поверхнею корпуса вибирають із умови: 2 (19) 1 3 67312 4 зовнішніх (грозових) і внутрішніх (комутаційних, бути виконана у вигляді діелектричних стрижнів, дугових, резонансних) перенапруг. скріплених з зовнішніми торцьовими кришками. Основними апаратами для захисту від переКорпус виконаний з порцеляни, наповнювач - пінапруг традиційно являються вентильні і трубчаті сок. розрядники, розроблені в період 50-60-х років, які Застосування діелектричних стрижнів для кріне забезпечують глибоке обмеження перенапруг плення зовнішніх кожухів ускладнює конструкцію із-за наявності іскрових проміжків. пристрою, збільшує забруднення поверхні корпусу Обмежувачі перенапруг (ОПН) - електричні і знижує розрядні характеристики. апарати нового покоління для глибокого обмеженВідомий пристрій для захисту від перенапруг ня перенапруг, виготовлені на основі високонелі(див. патент Росії №2125747 С1 по М кл. 6 нійних металооксидних резисторів (варисторів) без Н01С7/12, 1999p.), який містить зовнішню ізоляіскрових проміжків, які одержали назву по терміноційну оболонку, щонайменше один запобіжний логії Міжнародної електротехнічної комісії (МЕК) клапан, ізоляційний циліндр зі склопластику з пометалооксидних обмежувачів перенапруг без іскдовжньою перегородкою з ізоляційного матеріалу, рових проміжків (metaloxide surge arresters without розділяючої його внутрішню порожнину на дві часgaps). тини, у першій з яких розміщений нелінійний резиНелінійність їх робочих опорів така, що вони стор, виконаний у вигляді щонайменше однієї ковитримують тривалу дію робочої напруги в мережі, лонки, а в другій - канал для виходу газів, причому, пропускаючи струм витоку, виміряний частками частина внутрішньої порожнини ізоляційного циліміліампера. Під час перенапруг їх опір різко зменндра з розташованим у ній нелінійним резистором шується, а струм збільшується до сотень і тисяч оснащена поперечними перегородками, розташоампер, що приводить до глубокого обмеження ваними у нижній та верхній частинах циліндра між перенапруг. його внутрішньою стінкою і подовженою перегороАктуальність застосування обмежувачів передкою. Циліндр оснащений фланцями і герметизонапруг дуже велика, їх розробкою та виготовленваний металевими кришками. Нижня кришка виконям зайняті багато електротехнічних фірм світу. нана з отвором, який закритий запобіжним Основні вимоги, пред'явлені до обмежувачів клапаном, який охороняє пристрій від вибухового перенапруг, це: руйнування. Між верхньою і нижньою поперечною - глибокий рівень обмеження всіх видів імпуперегородками встановлена колонка резисторів, льсних перенапруг; контактні прокладки і пружина для створення кон- здатність до розсіювання великих енергій; такту між ними. Повітряний простір між колонкою - стійкість до старіння; нелінійних резисторів і циліндром може засипати- стійкість до забруднення; ся сипким теплопровідним електроізоляційним - висока міцність до згинаючих, розтягуючих матеріалом. скручуючих зусиль; Недоліком пристрою являється складність - простота конструкції; конструкції і технології виготовлення. При цьому - вибухобезпечність; Застосування пружини для стиснення колонки ва- маленькі габарити та вага. ристорів забезпечує порівняно невелике навантаУ сучасних конструкціях обмежувачів перенаження в аксіальному напрямку - майже 20кг, що пруг всі вище перечислені цілі досягаються різнимає такі слабкі сторони, як погана теплопередача ми шляхами. між колонкою, прокладками і кришкою, нерівномірВідомий пристрій для захисту від перенапруг, не розподілення струму і слабкий електричний який складається з колонки варисторів, покритих контакт у з'єднаннях. Наявність повітряного зазору ізоляційною плівкою, розміщених у виливний корміж колонкою варисторів і циліндром знижує велипус, причому простір між варисторами і корпусом чину допустимого струму пристрою, так як підвизаповнений полімерною композицією (див. патент щує вірогідність перекриття по внутрішній поверхні ФРГ №1638120 по М кл Н01Т5/00, 1970р.). циліндра і поверхні колонки варисторів внаслідок Наявність ізоляційної плівки між колонкою ваіонізації повітря при проходженні великих струмів, ристорів і полімерною композицією погіршує протобто приводить до зниження надійності прицес відводу тепла від варисторів, що приводить до строю. поломки пристрою. Крім того, пристрій має низьку Відомий пристрій для захисту від перенапруг механічну міцність на розтягнення, стиснення та (див. журнал "Енергетик" №5, 2002р., с.14-16, авт. вигин, тобто пристрій недостатньо надійно праОлександров Г.Н.), який містить в собі одну колонцює. ку варисторів розміщену в склопластиковий циВідомий пристрій для захисту від перенапруг, ліндр з металевими кінцевателями, захисне ребякий містить циліндричний ребристий діелектричристе покриття з кремнійорганічної гуми, з'єднаної ний корпус з зовнішніми торцьовими кришками і зі склопластиком спеціальною речовиною, яка зарозміщену в його середині колонку високонелінійбезпечує високу механічну міцність з'єднання. У них резисторів, електричне зв'язаних зі згаданими склопластикових циліндрах виконана перфорація кришками, простір між колонкою резисторів і коротвори для виходу газів у випадку пошкодження пусом заповнений теплопровідним матеріалом варисторів. Число і діаметр отворів підбирають (див. авторське свідоцтво СРСР №1812558 по М спеціальним чином і заповнюють гумою при форкл. Н01С7/12, 1993р.). Пристрій оснащений також муванні захисного покриття. Вузьку порожнину між набором діелектричних кожухів, встановлених на варисторами і склопластиковим циліндром (прибзовнішній опорі, аксіальне зміщених і суцільно облизно 2-2,5мм), як і пустоти в нижній і верхній часхоплюючих діелектричний корпус. Опора може тинах пристрою, заповнюють еластичним гермети 5 67312 6 ком на основі кремнійорганічної гуми. Товщина Для створення у варисторному стовпчику стистінки склопластикових циліндрів не перевищує скуючого зусилля в аксіальному направленні пе10мм. Товщина суцільного покриття з кремнійорредбачено Застосування пружини, яка може заганічної гуми - 5мм, тому діаметр пристрою (без безпечити порівняно невелике зусилля P 20 кг. ребер) перевищує діаметр варисторів не більше, Це має такі слабкі сторони, як погана теплопереніж на 35мм. дача між варисторами металевими наконечникаНедоліком пристрою являється те, що для доми, металевою шайбою, нерівномірне розподілентримання вимог його вибухобезпеки необхідно ня струму і слабкий електричний контакт. Такий додатково виконати перфорацію склопластикового пристрій має меншу надійність. циліндра, заповнити повітряний зазор між варисВ основу винаходу поставлена задача - ствоторами і циліндром герметиком, при цьому перфорення пристрою для захисту від перенапруг, просрація повинна бути частою, щоб гарячі гази в аватого у виготовленні з підвищеною надійністю. рійному режимі не зруйнували пристрій. Це Рішення вказаної задачі забезпечується цим ускладнює процес виготовлення, робить його мевинаходом і складається з того, що в пристрої для нше технологічним, передбачає додаткове обладзахисту від перенапруг, який містить ребристий нання для виконання згаданих операцій. Загальна електроізоляційний корпус з металевими електротовщина електроізоляційний, яка складається з дами на його кінцях і розташований в його середитовщин захисного ребристого покриття, склопласні щонайменше один циліндричний варисторний тикового циліндра і заповненого герметиком повітелемент, зовнішні стіни якого вкриті адгезивом, ряного зазору досягає 17,5мм, що зменшує ефекелектричне зв'язаний із згаданими металевими тивність розсіювання в навколишнє середовище електродами, які скріплені між собою щонайменше виділеної на варисторах теплової енергії і знижує двома діелектричними стрижнями, закріпленими в надійність пристрою в цілому. їх отворах, діелектричні стрижні встановлені в тілі Прототипом прийнятий пристрій для захисту ребристого електроізоляційного корпусу, а співвідвід перенапруг (див. патент Росії №2074428 С1 по ношення товщини ребристого електроізоляційного М кл. 6Н01С7/12, Н01Т1716, 1997г.), який складакорпусу між варисторними елементами і діелектється з колонки високонелінійних резисторів, розричними стрижнями до товщини електроізоляційміщеної в діелектричному ребристому корпусі з ного корпусу вибирають із умови:кремнійорганічного каучуку, який виготовляють вн. 10 , окремо в прес-формі у вигляді труби з ребренням. зовн. На кінцях корпусу є металеві наконечники, електде: вн. - товщина електроізоляційного корпуричне зв'язані зі згаданими резисторами, зазор між колонкою резисторів і корпусом складає не менше су між варисторними елементами і діелектрични4мм і заповнюється полімерною композицією, в ми стрижнями, мм, якій наповнювачем являється евкриптитовий сизовн. - товщина електроізоляційного корпусу тал і порошок матеріалу оксидно-цинкового резисміж діелектричними стрижнями і зовнішньою поветора. Колонка резисторів скріплена не менше, ніж рхнею корпусу, мм, а сумарну площу S поперечнодвома стрижнями (звичайно 2-4 стрижня), діаметго перерізу діелектричних стрижнів вибирають із ром не менше 3мм з діелектричного матеріалу співвідношення : (склопластику), розташованими симетрично відноF 1 сно осі колонки резисторів і закріпленими в метаS левих наконечниках за допомогою епоксидної 100 K1 K 2 смоли із затверджувачем і підтискається пружиде: F - задане мінімальне руйнуюче навантаною, встановленою у верхньому металевому наження на розтягання, кг; конечнику з зусиллям P 20 кг. 100 - середнє значення межі міцності діелектНедоліком такого пристрою являється те, що ричних стрижнів на розтягання, кг/мм2; діелектричні стрижні конструктивно розташовані в K1 - коефіцієнт, ураховуючий надійність закріповітряному зазорі, величиною не менше 4мм, між плення діелектричних стрижнів, K1 1,0 ; корпусом і колонкою варисторів, і згаданий зазор необхідно заповнити в'язкою полімерною композиK 2 - коефіцієнт, ураховуючий міцнісні харакцією з евкриптитовим ситалом і порошком матерітеристики діелектричних стрижнів, K 2 0,7 ; алу оксидно-цинкового резистора в якості наповнювача, що ускладнює конструкцію і процес при цьому зони контакту електроізоляційного виготовлення пристрою, передбачає використання корпусу з діелектричними стрижнями і металевими додаткового обладнання для одержання тонкодиелектродами вкриті адгезивом. сперсних порошків, наповнювачів, рівномірного Діелектричні стрижні закріплені в отворах мерозподілення їх в полімерній основі, а також для талевих електродів, радіальне деформованих по заповнення повітряного зазору підготовленою зовнішній поверхні. композицією. У такому пристрої повітряний зазор Діелектричні стрижні встановлені рівномірно не може бути менше 4мм, щоб виключити утвопо колу. рення пустот під час заповнення його композицією. Діелектричні стрижні встановлені попарно і ріЦе веде до збільшення загальної товщини електвномірно по колу. роізоляційного корпусу, збільшення габаритів та Діелектричні стрижні виконані двох діаметраваги, знижує здатність пристрою розсіювати тепльних розмірів і встановлені поперемінно. лову енергію, вироблену на варисторах, в навкоДіелектричні стрижні встановлені під кутом до лишнє середовище. основи металевих електродів. 7 67312 8 Будь-які два послідовно встановлених діелеккаткою тощо, без застосування клеючих композитричних стрижня встановлені з протилежним кутом цій. Таке рішення дозволить виключити вихід нахилу. стрижнів із місць закріплення в металевих електДіелектричні стрижні призначені для об'єднанродах при прикладанні до пристрою сили на розтяг ня всіх елементів пристрою (металевих електроаж до руйнування склопластикових стрижнів, недів, прокладок, варисторів) в замкнутий силовий залежно від кількості стрижнів у пристрої, підвиланцюг, сприймають внутрішні (розтягуючи) і зовщує механічну міцність і надійність пристроя заганішні (розтягуючи, вигинаючи, кручені) зусилля, лом. визначають механічну міцність пристрою загалом. Випробування зразків обмежувачів перенапруг Звичайно використовують 2-16 стрижнів, діаметіз різною кількістю стрижнів механічною руйнуюром 2-6мм зі склопластика, які закріплюють в чою силою при розтязі проведено в Випробувальотворах металевих електродів одним із методів ному центрі НДІВН (див. табл.). поверхневої пластичної деформації, наприклад, Дані випробування. статичним пресуванням в металевих формах, обТаблиця № зразка 1 2 3 4 5 6 7 Сила, КН 102,4 89,84 123,6 42,0 49,0 50,0 70,0 Задана механічна розтягуюча сила складає 20кН. У всіх випадках відбувалось руйнування склопластикових стрижнів, що підтверджує високу надійність з'єднання "стрижень-електрод". Ребристий електроізоляційний корпус пристрою виготовляють з негорючого трекінгостійкого кремнійорганічного еластоміра безпосередньо на колонці варисторів, скріпленої діелектричними стрижнями, методом литтятак, що стрижні, розташовані у середині корпусу, без додаткових повітряних або заповнених діелектричними наповнювачами проміжків між діелектричними стрижнями і варисторами, як у випадках окремого виготовлення корпусу. Така конструкція володіє підвищеною вибуховобезпекою при виникненні дуги при зверхдопустимих перенавантаженнях. При різкому зростанні тиску в просторі дуги порушується цілісність тонкого еластичного електроізоляційного корпусу між діелектричними стрижнями з утворенням каналу для виходу розжарених газів, тиск скидається назовні без розкидання частин пристрою. Крім цього при розташуванні діелектричних стрижнів в тілі ребристого електроізоляційого корпусу і дотримування умов вн. 10 , зовн. де: вн. - товщина електроізоляційного корпусу між варисторними елементами і діелектричними стрижнями, 0,5 мм вн. 2 мм; - товщина електроізоляційного корпусу між діелектричними стрижнями і зовнішньою поверхнею корпусу, 2 мм зовн. 5 мм; мається можливість створювати електроізоляційні корпуси малої товщини (від 4,5 до 13мм) без додаткових проміжків (повітряних або заповнених зовн. Характер руйнування Розрив склопластикових стрижнів Розрив склопластикових стрижнів Розрив склопластикових стрижнів Розрив склопластикових стрижнів Розрив склопластикових стрижнів Розрив склопластикових стрижнів Розрив склопластикових стрижнів іншими електроізоляційними матеріалами), що дозволить не тільки зменшити масу пристрою, але й забезпечити більш ефективне розсіювання в навколишнє середовище виділеної на варисторах теплової енергії, що підвищує їх пропускну здатність по струму і надійність роботи пристрою. Надійність пристрою по відношенню до внутрішніх і зовнішніх зусиль задається в залежності від типовиконання, передбачених умов експлуатації і визначається, в першу чергу, сумарною площею поперечного перерізу діелектричних стрижнів у пристрої і надійністю їх закріплення в металевих електродах. Сумарну площу Sмм2 поперечного перерізу діелектричних стрижнів у пристрої вибирають з співвідношення: F 1 S 100 K1 K 2 де: F - задане раніше мінімальне руйнуюче діелектричні стрижні або їх закріплення в металевих електродах навантаження на розтягання, кг; 100 - середнє значення межі міцності діелектричних стрижнів на розтягання, ( раст. ), кг/мм2 ; K1 - коефіцієнт, ураховуючий надійність закріплення діелектричних стрижнів в металевих електродах, K1 1,0 ; при міцності закріплення стрижня рівній його міцності на розтягання К1=1,0. K 2 - коефіцієнт, ураховуючий міцнісні характеристики використаних у пристрої діелектричних стрижнів, K 2 0,7 ; при цьому для стрижнів із раст. 2 70 кг/мм ( K 2 0,7 ) не повинні використо вуваться для складання ОПН. Такому пристрою притаманна підвищена надійність при навантаженнях від тяжіння проводів, вітрових з урахуванням ожеледиці та ін. 9 67312 10 Суцільновилитий ребристий електроізоляційСкладання пристрою здійснюють таким чином: ний корпус виготовляють з негорючого трекінгосв отвори нижнього металевого електрода 2 вставтійкого кремнійорганічного еластомеру методом ляють діелектричні стрижні 7. В утворений каркас виливання безросередньо на зібрані в колонку по черзі встановлюють упорну металеву прокладелементи пристрою (металеві електроди, вариску 5, демпферні металеві прокладки 6, циліндричні тори, прокладки, діелектричні стрижні), з наступваристорні елементи 4 з демпферними металевиною вулканізацією, при цьому всі зони контакту ми прокладками 6 між ними і верхній металевий входячих в склад колонки елементів пристрою з електрод 3. ребристим електроізоляційним корпусом заздалеСкладений пристрій поміщають в оснащення гідь покривають тонким (декілька мкм) шаром аддля поверхневої пластичної деформації металегезива, що забезпечує високу мезханічну міцність вих електродів (на кресленні не показано) для заз'єднання корпусу з вищевказаними елементами кріплення в їх отворах діелектричних стрижнів, колонки пристрою, надійно захищає від попадання після чого упорним гвинтом 9 створюють у привологи у середину, а також від утворення повітрястрої необхідне для електричного контакту на них порожнин, що виключає іскрові перекриття по з'єднаннях осьове зусилля. внутрішній поверхні ребристого електроізоляційноНа зовнішні поверхні всіх елементів пристрою, го корпусу. які будуть контактувати з ребристим електроізоляЦе підвищує надійність роботи пристрою і збіційним корпусом, наносять тонкий (декілька мкм) льшує пропускну здатність варисторів. шар адгезива 8, потім його розміщають у виливну У залежності від типовиконання ОПН (опорформу (на кресл. не показано) і формують ребрисний, підвісний) заздалегідь заданих механічних тий електроізоляційний корпус 1 методом вилихарактеристик вибирають не тільки кількість, діавання безпосередньо на пристрій з подальшою метр діелектричних стрижнів, спосіб їх закріплення вулканізацією кремнійорганічного еластоміра. в металевих електродах, але і порядок розташуПристрій працює таким чином. вання стрижнів по колу торця електрода, причому При впливі робочої напруги мережі на пристрій стрижні можуть розташувати рівномірно по колу, струм витоку вимірюється частками міліампера. попарно і рівномірно по колу, бути двох діаметраПри перенапругах опір циліндричних варистольних розмірів і встановлені поперемінно. Стрижні рних елементів різко зменшується, а струм, який можуть також встановлювати під кутом до торця проходить через них, збільшується до сотень і електродів, при цьому будь-які два послідовно тисяч ампер, що приводить до глибокого обмевстановлені стрижні мають протилежний кут нахиження імпульсних перенапруг. Після проходження лу. імпульса циліндричні варисторні елементи поверТакі варіанти розташування діелектричних таються в високоомний стан. стрижнів дають можливість застосовувати при Приклад конкретного виконання. закріпленні їх в металевих електродах просте у У відповідності з пропонованою конструкцією виготовленні технологічне оснащення, а також виготовлена спробна партія обмежувачів перенапідвищити надійність пристрою по відношенню до пруг на напругу 3,3кВ для контактної мережі залізхарактерних для конкретного типовиконання приних доріг. строю навантажень, наприклад, крутним або згиСпочатку в нижній металевий електрод 2 нальним, не збільшуючи діаметр діелектричних вставляють діелектричні стрижні 7 діаметром 3мм стрижнів. в кількості шести штук, в утворений каркас встаноСуть винаходу пояснюється кресленнями, на влюють упорну 5 і демпферні 6 металеві прокладяких : ки, два циліндричних варисторних елементи діаФіг.1 - загальний вигляд пристрою для захисту метром 42мм і висотою 22мм, після чого вільні від перенапруг; кінці діелектричних стрижнів встановлюють в Фіг.2 - переріз А-А на фіг.1, отвори верхнього металевого електрода 3. Фіг.3-8 - варіанти встановлення діелектричних Складений пристрій розміщають в оснащення стрижнів в металевих електродах; для поверхневої пластичної деформації електроФіг.9-4 - варіанти встановлення діелектричних дів (на кресл. не показано), опресовують і підтисстрижнів під кутом. кають упорний гвинт 9 з заданим зусиллям . Пристрій для захисту від перенапруг містить Потім пристрій покривають спеціальним адгеребристий електроізоляційний корпус 1 з нижнім 2 зивом, розміщають його в виливну форму (на і верхнім 3 металевими електродами, на його кінкресл. не показано) і формують ребристий електцях розміщений у середині нього циліндричний роізоляційний корпус 1 виливанням кремнійорганіваристорний елемент 4, упорну 5 і демпферну 6 чної гуми безпосередньо на складеному пристрої. металеві прокладки. Металеві електроди 2, 3 скріВулканізацію ребристого електроізоляційного плені між собою щонайменше двома діелектричкорпусу 1 проводять у виливній формі притягом 5ними стрижнями 7, закріпленими в їх отворах і 20хв. в залежності від марки гуми, після чого вивстановлені в тілі ребристого електроізоляційного ливну форму охолоняють і рознімають. корпусу 1. Зовнішні стінки циліндричного варистоПриймальні випробування спробної партії рного елемента 4, а також зони контакта ребристоОПН проведені в Випробному центрі НДІВН, акрего електроізоляційного корпусу 1 з діелектричними дитованому в Системі сертифікації УкрСЕПРО і стрижнями 7 і металевими електродами 2, 3 вкриті показали високу ефективність відводу тепла, виадгезивом 8. Упорний гвинт 9 встановлений у нисокі міцнісні і експлуатаційні якості пред'явлених жньому металевому електроді 2. комісії пристроїв і вони рекомендовані до серійного виробництва. 11 67312 12 Таким чином, пропонований пристрій відповідійність і вибухобезпечність. Конструкція і викоридає всім вимогам, пред'явленим до електричних стані в ній матеріали забезпечують строк служби апаратів такого призначення, має підвищену напристрою не менше 25 років. Комп’ютерна верстка M. Клюкін Підписне Тираж 26 прим. Міністерство освіти і науки України Державний департамент інтелектуальної власності, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601