Обмежник перенапруги

Изобретение относится к электротехнике, конкретно, к ограничителям перенапряжений. Известен ограничитель перенапряжения, содержащий колонку из ряда соосных дисков резисторных и контактных элементов одинакового диаметра [1]. Недостатком ограничителя являются большие габариты и неудовлетворительный ресурс надежной работы по сравнению с аналогичными показателями защищаемого электрооборудования. Задача изобретения заключается в создании ограничителя напряжений, в котором определенные отношения диаметров и порядок размещения дисковых резисторных и контактных элементов в составе колонки, позволяют повысить электрическую и тепловую стойкость с одновременным уменьшением высоты и среднего диаметра колонки и за счет этого увеличить ресурс и снизить габариты ограничителя. Дополнительно данное изобретение позволит увеличить длину пути поверхностного электрического разряда и охлаждающей поверхности колонки при одновременном уменьшении ее высоты и среднего диаметра; получить равномерное распределение перенапряжения по колонке с одновременным уменьшением диаметра резисторных элементов; исключить механические силы и вихревые токи в колонке при воздействии на нее магнитного поля; снизить электрическую напряженность в колонке при одновременном уменьшении ее высоты и диаметра при размещении в трансформаторе и подключении к обмотке. Данная задача решается тем, что ограничитель перенапряжений, содержащий колонку из ряда соосных дисковых резисторных и контактных элементов, имеет одну часть дисковых элементов с диаметром в 1,1-3 раза большим диаметра другой части элементов; в одном варианте дисковые резисторные элементы большего диаметра чередуются с дисковыми резисторными элементами меньшего диаметра, а дисковые контактные элементы имеют одинаковый малый диаметр; в другом варианте диаметры дисковых контактных элементов больше диаметра дисковых резисторных элементов; в третьем варианте дисковые контактные элементы имеют диаметр меньший диаметра резисторных элементов, а ось колонки размещена параллельно силовым линиям магнитного поля электроиндукционного устройства; в четвёртом варианте колонка размещена рядом с обмоткой трансформатора и ее ось параллельна оси обмотки; в пятом варианте колонка залита негорючим жидким диэлектриком, например кремнийорганической жидкостью. На фиг. 1 представлен вариант колонки ограничителя, когда один резисторный элемент большего диаметра чередуется с одним резисторным элементом меньшего диаметра, а контактные элементы имеют одинаковый малый размер; на фиг. 2 - вариант колонки ограничителя, когда один резисторный элемент большего диаметра чередуется с двумя резисторными элементами меньшего диаметра, а контактные элементы имеют одинаковый малый диаметр и выполнены путем напыления металла на плоские поверхности резисторных элементов (на резисторный элемент большего диаметра напылен контактный элемент малого диаметра); на фиг. 3 - вариант колонки, когда примыкающая к выводу группа резисторных элементов выполнена с большим диаметром, чем последующая группа резисторных элементов; на фиг. 4 вариант колонки, когда примыкающая к выводу группа контактных элементов выполнена с большим диаметром по сравнению с резисторными элементами; на фиг. 5 - вариант применения ограничителя по изобретению, когда он размещен в трансформаторе (реакторе) и подключен к обмотке; на фиг. 6 -объяснение эффекта снижения электрической напряженности в колонке при ее размещении по фиг. 5; на фиг. 7 - вариант применения ограничителя при подключении к нейтрали трехфазной обмотки трансформатора; на фиг. 8 вариант применения ограничителя, когда он подключен к нейтрали трехфазной обмотки трансформатора параллельно с реактором и размещен в полости обмотки реактора; на фиг. 9 - пример ограничителя, когда колонка заполнена негорючим жидким диэлектриком, например кремнийорганической жидкостью; на фиг. 10 объяснение физического эффекта, полученного от чередования элементов большего и меньшего диаметров. На фиг. 1 один резисторный элемент большего диаметра 1 чередуется с одним резисторным элементом меньшего диаметра 2, а контактные элементы 3 имеют одинаковый малый диаметр, выводы А служат для подключения ограничителя к защищаемому объекту. На фиг. 2 один резисторный элемент большего диаметра 1 чередуется с двумя резисторными элементами меньшего диаметра 2, контактные элементы 3 имеют одинаковый малый диаметр и выполнены путем напыления металла (алюминия) на резисторные элементы. За счет выступающи х частей элементов 1 увеличивается длина пути 5 поверхностного разряда и поверхность охлаждения колонки. Силовая линия 6 электрической напряженности Ε состоит из последовательных участков 6' (по поверхности резисторного элемента) и 6" (через диэлектрический промежуток, например, жидкий диэлектрик), что исключает явление снижения электрического пробивного напряжения из-за возможного загрязнения поверхности колонки (промежуток 6" не является поверхностью и не загрязняется). Чередование элементов 1 диаметром d1 с элементами 2 диаметром d2 при их толщине h увеличивает поверхность охлаждения в Ks раз и путь разряда в Κι раз Колонка фиг. 3 имеет группу резисторных элементов 1,1',1" со ступенчато уменьшающимися диаметрами d1 > d1’ > d1" > d2 . что улучшает распределение напряжения, охлаждение и электрическую прочность. Увеличенные диаметры элементов 1, 1’, 1" обусловли вают уменьшенные их сопротивления R, R', R" и даже протекающая по ним сумма токов i, i1, i2 , не приводит к завышенным падениям напряжения (i + i 1 + і2)R. Колонка фиг. 4 имеет группу контактных элементов 3, 3', 3", 3'" в примыкающей к выводу 4 части со ступенчато уменьшающимися диаметрами d1 > d1' > d2" > d3"' > d2; пары выступающи х частей контактных элементов 3 и 3', 3' и 3", 3" и 3'" образуют дополнительные продольные емкости С' >С" > С", соотношение которых выравнивает распределение высокочастотных и импульсных перенапряжений (наличие дополнительных емкостей снижает сопротивление дисков и падение напряжения на них). На фиг. 5 ограничитель размещен рядом с обмоткой трансформатора и подключен к ней, ось колонки параллельна оси обмотки. Взаимное размещение исключает электромеханическую силу F. так как F = [B ´ i] (3 ) (векторное произведение параллельных векторов равно нулю). Колонка 0 подключена к обмотке 7, по виткам 8 которой протекает ток 9; катушки соединены переходами 10 и дистанцированы изоляционными каналами 11; Л и N линейный и нейтральный выводы обмотки, к ним подключена колонка ограничителя; соединение 12 промежуточного элемента колонки с промежуточным витков обмотки дает дополнительный эффект - снижение перенапряжений внутри обмотки. Колонка 0 максимально приближена к обмотке, что практически исключает искажение электрического поля в изоляции между обмоткой и стенкой бака 13. На фиг. 6 проиллюстрирован эффект отсутствия увеличения электрической напряженности Ε на колонке и искажения поля в трансформаторе; верхняя картина поля при установленной колонке (U7 - напряжение на обмотке, Е0 - напряжение на колонке, Ε - напряженность в изоляции, U13 = 0 фиксирует отсутствие напряжения на заземленном баке); средняя картина - поле при отсутствии колонки, в области, предназначенной для размещения колонки напряжения U 0' = U0 -DU, E' = Ε DΕ; нижняя картина - добавка поля DΕ от внесения колонки, образованное малым напряжением DU; чем ближе колонка к обмотке, тем меньше DU и DΕ. На фиг. 7 пример применения ограничителя для защиты нейтрали трехфазной обмотки трансформатора; ток в колонке 0 ограничен индуктивным сопротивлением обмоток 7 трансформатора и определяется действием на схему расчетного импульса равного трети суммы импульсов 14 на фазах А, В, С (рабочее напряжение на нейтрали N равно нулю), указанные признаки схемы позволяют получить дополнительный эффект - значительно уменьшить диаметр колонки и получить ресурс не меньше ресурса трансформатора (30-40 лет), что позволяет разместить ограничитель внутри трансформатора (это дополнительно улучшает охлаждение и электрическую прочность ограничителя). На фиг. 8 применение ограничителя по изобретению для защиты нейтрали трансформатора и ввода реактора; эффект дополнительного увеличения ресурса и снижения габаритов обеспечивается системой взаимодействующи х признаков: размещение колонки в полости обмотки образует взаимную емкость С, которая обусловливает выравнивание распределения перенапряжений по колонке и по обмотке, а также исключает радиальную электрическую напряженность Ε в изоляции между обмоткой и колонкой, это позволяет уменьшить диаметр колонки (напряженность в этом случае не возрастает); уменьшение диаметра позволяет и малый ток і в колонке (ток і ограничен сопротивлением обмоток трансформатора, отсутствием рабочего напряжения на нейтрали); уменьшение диаметра колонки исключает вихревой ток в контактных элементах колонки. На фиг. 9 дан пример ограничителя с колонкой, залитой негорючим жидким диэлектриком 15 и размещенной в корпусе 16; дополнительный эффект связан с обеспечением пожаробезопасности за счет отсутствия перегрева колонки и отсутствия горючих материалов. Принцип действия ограничителя фиг. 1, 2, 5, 7, 8 по изобретению объяснен с помощью фиг. 10, на которой изображена часть колонки из резисторного элемента (меньшего диаметра d 2) 2, примыкающего к нему через соединенные контактные элементы (меньшего диаметра d 2) 3 резисторного элемента 1 (большего диаметра d1) и примыкающего за ним через соединенные контактные элементы (меньшего диаметра d 2) 3 резисторного элемента 2, пунктиром показаны прямые линии тока 17 и выпуклые линии тока 18, длина 17 участка прямой линии тока в каждом элементе равна толщине h элемента и напряженность на ней равна E17 = U3/h и сопротивление R17, выпуклая линия 18 размещается в выступающей части элемента 1 и имеет длину І18 = =h + d1 – d2 и напряженность E18 = Uэ/I18 и сопротивление R18; сопротивление R18 значительно больше сопротивления R17 по двум причинам: длина l18 больше длины l17, резистор выполнен из электрокерамического материала (например окисла цинка) с нелинейной вольтамперной характеристикой и с увеличением напряженности Ε сопротивление R снижается (Е17 > Ε18 и R17