Разрядники. Виды и особенности. Устройство и работа

При эксплуатации современных электротехнических и электронных систем нередки случаи перегрузок, сопровождающиеся значительными всплесками рабочего напряжения. Опасность таких перенапряжений очень велика даже с учетом кратковременности их действия. Резкие скачки напряжения способны вывести из строя дорогостоящее оборудование или бытовые приборы, эксплуатируемые в составе электрических сетей. Разрядники – это простейшее техническое средство, позволяющее надежно защитить элементы электрической цепи от резких перепадов напряжений. Сделать это удается благодаря своевременному отводу высокого потенциала на земляную шину.

Как действуют разрядники

При появлении в защищаемой линии перенапряжений, разрядник «пробивается» искровым разрядом и снижает уровень фазного потенциала до безопасной величины. Как и всплеск опасного напряжения, пробой длится доли секунды и не нагружает основную электрическую цепь. По завершении этого процесса устройство переходит в первоначальное состояние готовности к нейтрализации всех последующих колебаний в сети.

Причины их появления подразделяются на внутренние и внешние факторы. К первым традиционно относят:

Низкое качество коммутационного оборудования, установленного в электрической цепи.
Повреждение изоляции.
Электромагнитные помехи резонансного происхождения.

К внешним причинам перенапряжений чаще всего относят атмосферные электрические явления (например, разряды молнии). Современные приборы под названием «разрядники» сегодня полностью заменяют традиционно используемые громоотводы.

Как устроен типовой разрядник

Прибор состоит из следующих основных частей:

Проволочные электроды (линейный и «земляной»).
Пробивной промежуток.
Специальная камера, используемая для гашения мощной искры.

В зависимости от особенностей своей конструкции, разрядники имеют различные исполнения. Так, трубчатые изделия, например, помещаются в прочный герметичный корпус, надежно предохраняющий прибор от случайных механических повреждений и выдерживающий значительные колебания температур. Разрядный промежуток (искровой промежуток) делается определенной длины, выбор которой зависит от номинального напряжения пробоя.

Один из электродов изделия присоединяется к части электрической цепи, нуждающейся в защите от перенапряжений, а второй – надежно заземляется. Без подсоединения к «земляной» шине разрядники работать не будут. Заземляемый электрод изготавливается в двух исполнениях: с регулируемой посадкой или без нее. В первом случае его перемещением удается регулировать длину искрового промежутка, изменяя тем самым величину пробивного напряжения. Во втором варианте исполнения этот элемент строго фиксирован.

Большое значение придается такому важному функциональному узлу разрядного устройства, как дугогасящая камера. Дело в том что, при «мощном» разряде в воздушном промежутке между электродами возникает сильная плазменная дуга, способная повредить элементы прибора. Для снижения эффекта от ее разрушающего действия применяются многосекционные разделители в виде решеток, дробящих электрический разряд на мелкие порции.

Возможен и другой вариант исполнения гасителя дуги, когда в качестве «успокоителя» разряда используется специальный инертный газ. Чаще всего в качестве гасящего дугу наполнителя используются аргон или неон.

Основная характеристика разрядного устройства и принцип его работы

К основному рабочему показателю, выделяющему разрядники среди защитных электротехнических устройств, относят их пробивное напряжение. Эта характеристика прибора указывает на то, при каком значении линейного потенциала возникает пробой воздушного или газового промежутка. Для сетей переменного тока полярность подключения разрядного устройства не имеет особого значения.

Принцип работы разрядника состоит в следующем. При появлении в линии случайного всплеска на его верхнем электроде резко возрастает линейное напряжение. В момент времени, когда оно согласно паспортным данным превысит допустимое значение – наступит пробой (между электродами «проскакивает» мощная электрическая искра в виде дуги).

Одновременно с этим напряжение на его электродах снизится до безопасной величины, а имеющийся в искровом промежутке воздух ионизируется. Для исключения короткого замыкания по одной из фаз в корпусе прибора «срабатывает» устройство гашения плазменной дуги.

Виды разрядников

По своему конструктивному исполнению разрядники подразделяются на следующие разновидности:

Трубчатые или воздушные.
Газовые.
Изделия вентильного типа.
Магнитно-вентильные приборы (РВМГ).
Ограничители нелинейного типа (ОПН).

У каждой из перечисленных разновидностей имеются свои достоинства и недостатки.

Трубчатые воздушные разрядники

Представляют собой трубку, сделанную из прочного, термостойкого и не проводящего ток материала (например, из разновидности полимеров).

Наиболее часто корпуса таких разрядников изготавливаются из поливинилхлорида, способного работать в условиях высоких температур.

Razriadniki trubchatye

В полихлорвиниловой трубке размещены два электрода, один из которых присоединяется к защищаемому участку цепи, а другой – надежно заземляется. К достоинствам этих приборов относят:

Простоту конструкции.
Дешевизну готового изделия.
Его долговечность.

К недостаткам разрядников этого типа относят невысокую эффективность гашения дуги и невозможность работать при сверхвысоких пробивных напряжениях.

Газовый разрядник

Razriadniki gazovye

Отличается от своего воздушного аналога лишь тем, что его полихлорвиниловый корпус при производстве наполняется инертным газом (аргоном или неоном). Появившаяся в результате перенапряжения дуга в этом случае гасится с их помощью.

К преимуществам изделий этого класса относят более высокие значения пробивных напряжений и надежность всей конструкции в целом. Поскольку инертные газы не вступают в реакцию с рабочими электродами разрядников – сроки эксплуатации элементов существенно увеличиваются.

Основной недостаток этих изделий – сравнительно высокая стоимость, объясняемая дополнительными технологическими затратами.

Приборы вентильного типа

Razriadniki ventelnye

Вентильные разрядники содержат внутри корпуса несколько следующих один за другим искровых промежутков, что приводит к нелинейной зависимости их сопротивления от напряжения пробоя. Принцип работы этого разрядного устройства существенно отличается от действия трубчатых полихлорвиниловых аналогов.

Во время разряда в воздушном/газовом промежутке перенапряжения частично снимаются, в то время как имеющиеся там же нелинейные сопротивления окончательно гасят сформировавшуюся дугу. К особенностям конструкции этих изделий относят тот факт, что ее нелинейные элементы (резисторы) набираются из вилитовых дисков.

Материал вилит представляет собой запеченную смесь из жидкого стекла и карбида кальция.

Если сравнивать такие изделия с трубчатыми и газовыми разрядниками, то этот тип разрядных устройств заметно превосходит их по величине предельного напряжения пробоя.

Магнитно-вентильные приборы (РВМГ)

RVMG

В отличие от вентильных разрядников изделия РВМГ содержат в своем составе несколько штук кольцевых магнитов. Их наличие – причина того, что принцип работы этих разрядных устройств несколько отличается от других приборов.

Порядок происходящего при пробое выглядит в этом случае так:

При превышении фазным напряжением предельного уровня в разрядном промежутке формируется электрическая дуга.
При ее взаимодействии с постоянными магнитами появляются силы, приводящие к изменению направления потока электронов в разряде.
Это отклонение заметно ослабляет «мощность» дугового разряда.

В результате целого ряда таких превращений дуга постепенно гасится и сходит на «нет».

Ограничители перенапряжения нелинейного типа (ОПН)

OPN

В отличие от уже рассмотренных приборов эти разрядники совсем не имеют рабочих отводов (электродов). Они собраны из нескольких включенных последовательно нелинейных сопротивлений, называемых «варисторы».

Варистор представляет собой полупроводниковый резистор, сопротивлением которого можно управлять путем изменения приложенного напряжения.

При его возрастании электрическая проводимость варистора также растет, что приводит к увеличению электрического тока через него. А это равносильно тому, что напряжение на защищаемом участке электрической цепи резко падает. Поскольку варисторы при эксплуатации в составе разрядников ОПН сильно нагреваются – их корпуса делаются из материалов с хорошей теплопроводностью. Такой подход позволяет своевременно отводить тепло от прибора.

К достоинствам этих изделий относят также простоту конструкции, существенно упрощающую их производство. Количество варисторов в составе ОПН варьируется в зависимости от требуемого пробивного напряжения разрядника. В заключение отметим, что в действующих электрических цепях, помимо высоковольтных приборов нередко используются их низковольтные аналоги. Они также востребованы во многих областях электротехники и электроники.