RU2328066C1

RU2328066C1 - Lightning arrester

Info

Publication number: RU2328066C1
Application number: RU2007113917/09A
Authority: RU
Inventors: Сергей Арсеньевич Сухоруков (RU); Сергей Арсеньевич Сухоруков
Original assignee: Закрытое акционерное общество "ЭМСОТЕХ"
Priority date: 2007-04-13
Filing date: 2007-04-13
Publication date: 2008-06-27

Abstract

FIELD: electricity.

SUBSTANCE: arrester consists of two axially installed electrodes 1, 2, between them dielectric plate 3 is installed, the area of which is less than the facing area of at least one of electrodes 1, 2. Electrodes 1, 2 are supported directly on surface of dielectric plate 3, which is made from material that has plasma generating properties in case of spark discharge high temperatures effect, and distance from external edge of plate 3 to the edge of at least one of electrodes 1, 2 lies within limits of 0.2-5 of dielectric plate 3 thickness, made of, for example, fluoroplastic - 4. Electrodes 1, 2 preferably protrude beyond the edges of dielectric plate 3 along its whole diameter. Electrodes 1, 2 may be fixed between each other with pin 4 made of insulation material, which is installed along their geometrical axis or may be fixed between each other by bushing 7 made of insulation material, which is installed along their geometrical axis and is fixed with the help of threaded joint in the form of bolt 8 and nut 9.

EFFECT: simplification of design; increase of service life and operation stability.

7 cl, 4 dwg

Description

Изобретение предназначено для защиты электрических линий, преимущественно низковольтных линий электропитания и линий связи, от токов и перенапряжений, вызванных разрядами молнии.The invention is intended to protect electrical lines, mainly low-voltage power lines and communication lines, from currents and overvoltages caused by lightning discharges.

Известен разрядник, содержащий два аксиально расположенных электрода, между которыми размещены диэлектрические пластины (изоляционные диски), площадь которых меньше обращенной к ней площади каждого из электродов. Электроды, изоляционные диски и вспомогательный электрод образуют многозазорный искровой промежуток, в котором при перенапряжении в нескольких местах возникает разряд. Электроды состоят из двух частей. Внешние части имеют диаметр, больший, чем внутренние части. За счет разницы диаметров разряд в процессе его развития переходит на участки электродов с большим диаметром и большей электроэрозионной стойкостью и занимает положение. За счет этого сохраняется геометрия основных разрядных промежутков (US №4366523).Known arrester containing two axially spaced electrodes, between which are placed dielectric plates (insulating disks), the area of which is less than the square of each of the electrodes facing it. Electrodes, insulating disks and an auxiliary electrode form a multi-gap spark gap in which a discharge occurs in several places during overvoltage. Electrodes consist of two parts. The outer parts have a diameter larger than the inner parts. Due to the difference in diameters, the discharge in the process of its development passes to sections of electrodes with a larger diameter and greater electrical discharge resistance and occupies a position. Due to this, the geometry of the main discharge gaps is preserved (US No. 4366523).

Недостатками разрядника являются сложность конструкции, короткий срок службы и наличие нестабильности в работе, обусловленной значительным разбросом значений статического и динамического напряжения пробоя.The disadvantages of the arrester are the design complexity, short service life and the presence of instability in the work, due to the significant variation in the values of static and dynamic breakdown voltage.

Известен также разрядник, содержащий два аксиально расположенных электрода, между которыми размещены диэлектрические диски или пластины (изоляционные диски), площадь которых меньше обращенной к ней площади каждого из электродов. В этом разряднике зона контакта дисков из диэлектрика и дисков из металла, находящаяся на торцевой поверхности дисков, защищена от попадания продуктов эрозии электродов благодаря выбору оптимального соотношения радиусов диэлектрических дисков и дисков из металла (SU №1330682, прототип).A spark gap is also known, containing two axially spaced electrodes, between which dielectric disks or plates (insulating disks) are placed, the area of which is less than the area of each of the electrodes facing it. In this arrester, the contact zone of the dielectric disks and the metal disks located on the end surface of the disks is protected from ingress of electrode erosion products by choosing the optimal ratio of the radii of the dielectric disks and the metal disks (SU No. 1330682, prototype).

Недостатками этого разрядника также являются сложность конструкции, короткий срок службы и наличие нестабильности в работе, обусловленной значительным разбросом значений статического и динамического напряжения пробоя. Эти недостатки обусловлены тем, что наружная поверхность диэлектрических дисков, расположенная на образующей дисков, не защищена от попадания продуктов эрозии. Материал диэлектрических дисков - керамика, которая имеет хорошую адгезию к металлам. В результате адгезии металлические продукты эрозии электродов могут оседать на внешней поверхности дисков, образовывая проводящую металлическую пленку. При последующих воздействиях импульсных напряжений часть импульсного тока может протекать по металлической пленке, в результате чего металлическая пленка разрушается электрическим взрывом. Вместе с металлической пленкой разрушается прилегающая к ней поверхность диэлектрического диска. Постепенное разрушение диэлектрического диска приводит к тому, что металлическая пленка на нем приближается к металлическим дискам, в результате чего изменяется статическое и динамическое напряжения пробоя разрядника, искровой разряд развивается по поверхности изоляции из диэлектрика, расположенного в зазоре между электродами. При сильноточном разряде испаряется материал электродов разрядников и образуется насыщенная парами металла плазма. Пары металла, охлаждаясь, оседают на поверхностях холодных элементов конструкции разрядника, в том числе на поверхности диэлектрика изолятора. При последующих разрядах часть тока протекает по металлической пленке на поверхности диэлектрика изолятора, происходит электрический взрыв металлической пленки, что может привести к локальному разрушению поверхности диэлектрика изолятора. Наличие металлической пленки на поверхности диэлектрика снижает стабильность работы разрядника, так как металлические фрагменты в межэлектродном промежутке изменяют напряжение срабатывания разрядника. Электрический взрыв металлической пленки и последующие локальные повреждения поверхности диэлектрика изолятора приводят к постепенному разрушению изолятора. На микронеровностях поврежденной поверхности задерживается все большее количество осажденного металла из металлической плазмы, что ведет к снижению ресурса работы разрядника.The disadvantages of this arrester are also the complexity of the design, short service life and the presence of instability in the work, due to the significant variation in the values of static and dynamic breakdown voltage. These disadvantages are due to the fact that the outer surface of the dielectric disks located on the generatrix of the disks is not protected from ingress of erosion products. The material of dielectric disks is ceramics, which has good adhesion to metals. As a result of adhesion, metal products of erosion of the electrodes can settle on the outer surface of the disks, forming a conductive metal film. Under subsequent impacts of pulsed voltages, part of the pulsed current can flow through the metal film, as a result of which the metal film is destroyed by an electric explosion. Together with the metal film, the surface of the dielectric disk adjacent to it is destroyed. The gradual destruction of the dielectric disk leads to the fact that the metal film on it approaches metal disks, as a result of which the static and dynamic breakdown voltages of the spark gap change, a spark discharge develops along the insulation surface of the dielectric located in the gap between the electrodes. In a high-current discharge, the material of the electrodes of the arresters evaporates and a plasma saturated with metal vapor is formed. The metal vapor, cooling, settles on the surfaces of the cold elements of the construction of the arrester, including on the surface of the insulator dielectric. In subsequent discharges, part of the current flows through the metal film on the surface of the insulator dielectric, an electric explosion of the metal film occurs, which can lead to local destruction of the surface of the insulator dielectric. The presence of a metal film on the surface of the dielectric reduces the stability of the arrester, since metal fragments in the interelectrode gap change the operating voltage of the arrester. An electric explosion of a metal film and subsequent local damage to the surface of the insulator dielectric lead to the gradual destruction of the insulator. On the microroughness of the damaged surface, an increasing amount of deposited metal from the metal plasma is retained, which leads to a decrease in the service life of the spark gap.

Технической задачей изобретения является создание эффективного разрядника грозозащитного и расширение арсенала разрядников грозозащитных.An object of the invention is the creation of an effective lightning protection arrester and the expansion of the arsenal of lightning protection arresters.

Технический результат, обеспечивающий решение поставленной задачи, заключается в упрощении конструкции, увеличении срока службы (ресурса) и повышении стабильности в работе за счет сокращения разброса значений статического и динамического напряжения пробоя.The technical result, which provides a solution to the problem, is to simplify the design, increase the service life (resource) and increase stability in operation by reducing the spread in the values of static and dynamic breakdown voltage.

Сущность изобретения состоит в том, что разрядник содержит два аксиально расположенных электрода, между которыми размещена диэлектрическая пластина, площадь которой меньше обращенной к ней площади, по меньшей мере, одного из электродов, причем электроды оперты непосредственно на поверхности диэлектрической пластины, которая выполнена из материала, обладающего плазмогенерирующими свойствами при воздействии высоких температур искрового разряда, а расстояние от внешнего края диэлектрической пластины до края, по меньшей мере, одного из электродов находится в пределах 0,2-5 толщины диэлектрической пластины.The essence of the invention lies in the fact that the spark gap contains two axially spaced electrodes, between which a dielectric plate is placed, the area of which is smaller than the area of at least one of the electrodes facing it, and the electrodes are supported directly on the surface of the dielectric plate, which is made of material, having plasma generating properties when exposed to high temperatures of the spark discharge, and the distance from the outer edge of the dielectric plate to the edge of at least one of electrodes is in the range of 0.2-5 thickness of the dielectric plate.

Предпочтительно диэлектрическая пластина выполнена из фторопласта в качестве материала, обладающего плазмогенерирующими свойствами, а электроды выступают за края диэлектрической пластины по всему ее периметру.Preferably, the dielectric plate is made of fluoroplastic as a material having plasma generating properties, and the electrodes protrude beyond the edges of the dielectric plate around its perimeter.

В частных случаях реализации электроды в части, опертой на диэлектрическую пластину, выполнены в форме усеченного конуса, а диэлектрическая пластина - в форме диска, при этом разность сопрягаемых диаметров электродов и диэлектрической пластины составляет 0,2-5 толщины последней, или один электрод в части, опертой на диэлектрическую пластину, выполнен в форме усеченного конуса, а второй - в виде пластины. Кроме того, электроды скреплены между собою шпилькой из изоляционного материала, которая расположена вдоль их геометрической оси и зафиксирована с помощью вдавливающихся металлических шариков, а в иных случаях реализации электроды скреплены между собою втулкой из изоляционного материала, которая расположена вдоль их геометрической оси и зафиксирована с помощью резьбового соединения.In special cases, the electrodes in the part supported on the dielectric plate are made in the form of a truncated cone, and the dielectric plate is in the form of a disk, while the difference between the mating diameters of the electrodes and the dielectric plate is 0.2-5 of the thickness of the latter, or one electrode in the part supported on a dielectric plate is made in the form of a truncated cone, and the second in the form of a plate. In addition, the electrodes are fastened to each other by a stud of insulating material, which is located along their geometric axis and fixed using push-in metal balls, and in other cases, the implementation of the electrodes are fastened together by a sleeve of insulating material, which is located along their geometric axis and fixed with threaded connection.

На фиг.1 изображен разрядник грозозащитный, в котором электроды в части, опертой на диэлектрическую пластину, выполнены в форме усеченного конуса, на фиг.2 - промежуток между электродами, на фиг.3 - разрядник грозозащитный, в котором один электрод в части, опертой на диэлектрическую пластину, выполнен в форме усеченного конуса, а второй - в виде пластины, на фиг.4 - схема образования ядра и направления распространения плазмы.Figure 1 shows a lightning protection arrester, in which the electrodes in the part supported on a dielectric plate are made in the form of a truncated cone, figure 2 shows the gap between the electrodes, figure 3 shows a lightning protection arrester, in which one electrode is supported on a dielectric plate, made in the form of a truncated cone, and the second in the form of a plate, figure 4 is a diagram of the formation of the nucleus and the direction of plasma propagation.

Разрядник содержит два аксиально расположенных электрода 1, 2, между которыми размещена диэлектрическая пластина 3, площадь которой меньше обращенной к ней площади, по меньшей мере, одного из электродов 1, 2. Электроды 1, 2 оперты непосредственно на поверхности диэлектрической пластины 3, которая выполнена из материала, обладающего плазмогенерирующими свойствами при воздействии высоких температур искрового разряда, а расстояние от внешнего края пластины 3 до края, по меньшей мере, одного из электродов 1,2 находится в пределах 0,2-5 толщины диэлектрической пластины 3 (фиг.2).The arrester contains two axially spaced electrodes 1, 2, between which a dielectric plate 3 is placed, the area of which is smaller than the area of at least one of the electrodes 1, 2 facing it. The electrodes 1, 2 are supported directly on the surface of the dielectric plate 3, which is made from a material having plasma generating properties when exposed to high temperatures of the spark discharge, and the distance from the outer edge of the plate 3 to the edge of at least one of the electrodes 1.2 is within 0.2-5 thickness of the die an insulating plate 3 (Figure 2).

Диэлектрическая пластина 3 выполнена, например, из фторопласта-4 (ГОСТ 1007-80) в качестве материала, обладающего плазмогенерирующими свойствами.The dielectric plate 3 is made, for example, of fluoroplastic-4 (GOST 1007-80) as a material with plasma-generating properties.

Электроды 1, 2 (фиг.1) выступают за края диэлектрической пластины 3 по всему ее периметру.The electrodes 1, 2 (Fig. 1) protrude beyond the edges of the dielectric plate 3 along its entire perimeter.

Электроды 1, 2 в части, опертой на диэлектрическую пластину, выполнены в форме усеченного конуса, а диэлектрическая пластина 3 - в форме диска, при этом разность В сопрягаемых диаметров электродов 1, 2 и диэлектрической пластины 3 составляет 0,2-5 толщины А последней (фиг.2), т.е. А:В=1:(0,2-5).The electrodes 1, 2 in the part supported on the dielectric plate are made in the form of a truncated cone, and the dielectric plate 3 is in the form of a disk, while the difference B of the mating diameters of the electrodes 1, 2 and the dielectric plate 3 is 0.2-5 of the thickness A of the latter (figure 2), i.e. A: B = 1: (0.2-5).

В исполнении по фиг.3 электрод 1 в части, опертой на диэлектрическую пластину 3, выполнен в форме усеченного конуса, а второй электрод 2 - в виде электропроводной (металлической) пластины.In the embodiment of FIG. 3, the electrode 1 in the part supported on the dielectric plate 3 is made in the form of a truncated cone, and the second electrode 2 is in the form of an electrically conductive (metal) plate.

Электроды 1, 2 могут быть скреплены между собой шпилькой 4 из изоляционного материала, которая расположена вдоль их геометрической оси и зафиксирована с помощью вдавливающихся металлических шариков 5, поджатых толкателями 6, выполняющими функцию электрических выводов (фиг.1).The electrodes 1, 2 can be fastened together by a hairpin 4 of insulating material, which is located along their geometric axis and fixed using push-in metal balls 5, pressed by pushers 6, performing the function of electrical leads (figure 1).

Электроды 1, 2 могут быть скреплены между собой втулкой 7 из изоляционного материала, которая расположена вдоль их геометрической оси и зафиксирована с помощью резьбового соединения в виде болта 8 и гайки 9 с шайбами 10. К электродам 1, 2 подключены электрические выводы 11, 12 (фиг.3).The electrodes 1, 2 can be fastened together by a sleeve 7 of insulating material, which is located along their geometric axis and fixed with a threaded connection in the form of a bolt 8 and a nut 9 with washers 10. Electrical leads 11, 12 are connected to the electrodes 1, 2 ( figure 3).

Разрядник грозозащитный работает следующим образом.The surge arrester operates as follows.

При воздействии грозового разряда в данном разряднике искровой разряд возникает между электродами 1, 2 и развивается по поверхности диэлектрической пластины 3 (изоляции из диэлектрика), расположенной в зазоре между электродами 1, 2. Металлическая плазма - частично или полностью ионизованный газ, образованный из нейтральных атомов (или молекул) и заряженных частиц (ионов и электронов) материала электродов. При воздействии высоких температур, возникающих при сильноточном искровом разряде, на поверхности диэлектрика, обладающего плазмогенерирующими свойствами, например фторопласта, возникает неметаллическая плазма (например, фтороводородная). В процессе разряда происходит испарение и абляция фторопласта (унос вещества с поверхности твердого тела потоком горячего газа) и ионизация образовавшегося газообразного вещества, т.е. генерирование плазмы в зоне воздействия высоких температур искрового разряда.Under the influence of a lightning discharge in this spark gap, a spark discharge arises between the electrodes 1, 2 and develops on the surface of the dielectric plate 3 (insulation from the dielectric) located in the gap between the electrodes 1, 2. Metal plasma is a partially or fully ionized gas formed from neutral atoms (or molecules) and charged particles (ions and electrons) of the electrode material. When exposed to high temperatures arising from a high-current spark discharge, a nonmetallic plasma (for example, hydrogen fluoride) appears on the surface of a dielectric having plasma-generating properties, such as fluoroplastic. During the discharge, the fluoroplastic is evaporated and ablated (the substance is carried away from the solid surface by a stream of hot gas) and the gaseous substance formed is ionized, i.e. plasma generation in the zone of exposure to high temperatures of the spark discharge.

Ограниченный за счет смещения края пластины 3 (в глубину межэлектродного промежутка) объем в зоне начального формирования сильноточного разряда приводит к повышению давления и, соответственно, температуры металлической плазмы в зоне разряда. Образовавшаяся в разряде фтороводородная плазма ускоряется под действием газодинамических сил, обусловленных омическим нагревом газа и взаимодействием протекающего разрядного тока с собственным магнитным полем плазмы. В результате горячая металлическая плазма воздействует на поверхность диэлектрика диэлектрической пластины 3 (изоляции из диэлектрика) не значительно, так как слой фтороводородной плазмы отделяет металлическую плазму от поверхности пластины 3 и с высокой скоростью вытесняет ее из щелевого зазора, образованного по периферии пластины 3 между электродами 1, 2. При этом в зоне разряда из ядра формирования плазменного разряда возникает фтороводородный плазменный сгусток (фиг.4) между поверхностью изолятора пластины 3 и дугой с металлической плазмой, выталкивающий последнюю из зазора в радиальном направлении от торцевой поверхности диэлектрической пластины 3 (изоляции из диэлектрика), а также две струи фтороводородной плазмы, распространяющиеся из области высокого давления в зоне формирования плазменного сгустка в зоны низкого давления вдоль зазора между электродами 1, 2 и вдоль поверхности диэлектрической пластины (изоляции из диэлектрика). Эти две струи плазмы защищают и механически очищают поверхность диэлектрической пластины 3 (изоляции из диэлектрика), примыкающую к зоне разряда. Таким образом, высокотемпературная изоляция поверхности пластины 3 с помощью фторводородной плазмы от дуги с металлической плазмой исключает осаждение металла на пластину 3 и обеспечивает самоочистку ее поверхности.The volume limited in the area due to the displacement of the edge of the plate 3 (in the depth of the interelectrode gap) in the zone of the initial formation of the high-current discharge leads to an increase in the pressure and, accordingly, the temperature of the metal plasma in the discharge zone. The hydrogen fluoride plasma formed in the discharge is accelerated under the action of gas-dynamic forces due to ohmic heating of the gas and the interaction of the flowing discharge current with the plasma intrinsic magnetic field. As a result, hot metal plasma does not significantly affect the dielectric surface of the dielectric plate 3 (insulation from the dielectric), since a layer of hydrogen fluoride plasma separates the metal plasma from the surface of the plate 3 and forces it out of the slot gap formed at the periphery of the plate 3 between the electrodes 1 with high speed , 2. In this case, in the discharge zone from the nucleus of the formation of the plasma discharge, a hydrogen fluoride plasma clot appears (Fig. 4) between the surface of the insulator of the plate 3 and the arc with a metal an azme, pushing the last from the gap in the radial direction from the end surface of the dielectric plate 3 (insulation from the dielectric), as well as two jets of hydrogen fluoride plasma propagating from the high-pressure region in the zone of formation of the plasma clot to the low-pressure zones along the gap between the electrodes 1, 2 and along the surface of the dielectric plate (dielectric insulation). These two jets of plasma protect and mechanically clean the surface of the dielectric plate 3 (dielectric insulation) adjacent to the discharge zone. Thus, the high-temperature isolation of the surface of the plate 3 using hydrogen fluoride plasma from an arc with a metal plasma eliminates the deposition of metal on the plate 3 and ensures self-cleaning of its surface.

Одновременно фтороводородная плазма, распространяющаяся из области высокого давления, выносит из зазора расплавленный металл электродов (металлическую плазму), не позволяя развиваться микронеровностям на поверхности электродов 1, 2 в зазоре. Отсутствие развития микронеровностей в зазоре позволяет стабилизировать напряжение срабатывания разрядника, определяемое величиной зазора.At the same time, hydrogen fluoride plasma propagating from the high-pressure region removes molten electrode metal (metal plasma) from the gap, preventing micro-irregularities from developing on the surface of electrodes 1, 2 in the gap. The lack of development of microroughnesses in the gap allows you to stabilize the operating voltage of the arrester, determined by the size of the gap.

Описанные процессы самоочистки поверхности диэлектрической пластины 3 позволяют повысить стабильность работы разрядника и увеличить ресурс.The described processes of self-cleaning the surface of the dielectric plate 3 can improve the stability of the spark gap and increase the resource.

Процесс разряда развивается, как в обычных разрядниках: под действием механической силы, обусловленной взаимодействием тока и созданного им магнитного поля, дуга разряда растягивается по поверхности электрода 1 (2) и при растяжении гасится самостоятельно (за счет охлаждения) или с помощью любой из известных систем гашения дуги (например, Борн О.Б. "Электрическая дуга в аппаратах управления", Госэнергоиздат, М.-Л., 1954, с.274-312).The discharge process develops, as in conventional dischargers: under the action of a mechanical force due to the interaction of the current and the magnetic field created by it, the discharge arc stretches along the surface of electrode 1 (2) and, when stretched, it is extinguished independently (due to cooling) or using any of the known systems arc extinction (for example, Born OB "Electric arc in control devices", Gosenergoizdat, M.-L., 1954, p.274-312).

Таким образом, создан эффективный разрядник грозозащитный и расширен арсенал разрядников грозозащитных.Thus, an effective lightning protection arrester was created and the arsenal of lightning protection arresters was expanded.

При этом упрощена конструкция, увеличен срок службы (ресурс) и повышена стабильности в работе за счет сокращения разброса значений статического и динамического напряжения пробоя.At the same time, the design is simplified, the service life (resource) is increased, and stability in operation is improved due to the reduction in the spread of the static and dynamic breakdown voltage values.

Claims

1. Arrester containing two axially spaced electrodes, between which there is a dielectric plate, the area of which is smaller than the area of at least one of the electrodes facing it, characterized in that the electrodes are supported directly on the surface of the dielectric plate, which is made of a material having plasma-generating properties when exposed to high temperatures of the spark discharge, and the distance from the outer edge of the dielectric plate to the edge of at least one of the electrodes is within 0.2-5 thickness of the dielectric plate.

2. The arrester according to claim 1, characterized in that the dielectric plate is made of fluoroplastic as a material having plasma generating properties.

3. The arrester according to any one of paragraphs.1 and 2, characterized in that the electrodes protrude beyond the edges of the dielectric plate along its entire perimeter.

4. Arrester according to any one of claims 1 and 2, characterized in that the electrodes, in the part supported on the dielectric plate, are made in the form of a truncated cone, and the dielectric plate is in the form of a disk, the difference in the mating diameters of the electrodes and the dielectric plate being 0.2-5 thickness of the latter.

5. The arrester according to any one of claims 1 and 2, characterized in that one electrode in the part supported on a dielectric plate is made in the form of a truncated cone, and the second in the form of a plate.

6. The arrester according to any one of claims 1 and 2, characterized in that the electrodes are fastened to each other by a stud of insulating material, which is located along their geometric axis and is fixed using push-in metal balls.

7. Arrester according to any one of claims 1 and 2, characterized in that the electrodes are fastened to each other by a sleeve of insulating material, which is located along their geometric axis and fixed with a threaded connection.