Výkonová bleskojistka, především pro velké proudové zátěže

Oblast techniky

Vynález se týká bleskojistek, tedy plynem plněných uzavřených jiskřišť, určených pro svádění velkých proudů, zejména pak bleskojistek, určených pro svádění zkratových trakčních proudů v železničních sítích 3 kV =, nebo i 25 kV

Dosavadní stav techniky

V současností se pro účely svádění vysokých amplitud bleskových proudů používá často otevřených jiskřišť, kde ochranná úroveň napětí a svodová schopnost je dána obvykle materiálem elektrod ajejich vzájemnou vzdáleností a kde lze bez konstrukčních problémů dosahovat svodových proudů I,_mp = 50 kA (10/350), a to současně při vysokých úrovních samočinně zhášeného proudu až Ifj = 50 kA_ef- Základním nedostatkem otevřených jiskřišť je ale při jejich aktivaci bleskovým proudem vyšlehování žhavého plazmatu z pouzdra tohoto jiskřistě, resp. svodíče. Tento jev působí komplikace při zástavbě svodičů např. do rozvaděčů, a to především z pohledu požární bezpečnosti. Jsou známy i svodíče na principu uzavřeného jiskřistě, kde se dosahuje velmi vysoké svodové schopnosti až s I_imp = 120 kA( 10/350), ale úroveň samočinně zhášeného následného proudu je nízká, takže jejich použití je omezeno pouze na oblasti, kde se dosud používají běžné výkonové bleskojistky.

Výkonové bleskojistky jsou vlastně plynem plněná uzavřená jiskřiště, která vynikají krátkou dobou reakce (menší než 100 ns), vysokou svodovou schopností, jak bylo již řečeno, mají velmi malou vlastní kapacitu a vysoký izolační odpor, obvykle vyšší než 1000 ΜΩ, Vykazují však nízké hodnoty samočinně zhášeného proudu (zpravidla pod 100 A_er), takže jejich použití je pouze omezeno na aplikace, kde je předpoklad, že proudy, jejichž samočinné zhášení se požaduje, nepřesáhnou uvedenou úroveň.

Co se týče konkrétních konstrukcí bleskojistek, provedených jako uzavřená plynem plněná jiskřiště, lze uvést například konstrukci podle spisu US 5768082, kde elektrody jsou uloženy v pouzdře s částí válcového pláště tohoto pouzdra vytvořeného z keramického materiálu. Taková konstrukce má omezenou schopnost svádění proudu, neboť radiálně a tahově velmi namáhané keramické části pouzdra jsou již v oblasti, kde keramické materiály mají obecně relativně malou pevnost. Podobná konstrukce, s ohledem na válcové keramické pouzdra bleskojistky, je patrná také ze spisu US 4546402, přičemž nevýhody tohoto řešení jsou u této konstrukce obdobné, jako u bleskojistky dle spisu US 5768082. Mimoto u obou právě popsaných konstrukcí je keramická válcová část ve střední části pláště zeslabena, čímž se pevnostně takové pláště ještě více oslabují. Ve spise US4056753je popsána a zobrazena bleskojistka s vodivými vrstvami uvnitř keramického válcového pláště, kde v místě vodivých vrstev již keramické válcové pouzdro není oslabeno, ale stále zde trvá nevýhoda axiálního namáhání použitého keramického tělesa. Je dokonce známa konstrukce bleskojistky, patrná ze spisu US 6566813, kde keramické izolační těleso, oddělující od sebe elektrody, je vytvořeno a tvarováno tak, že rozšířená hlava hřiboví té střední elektrody se na spodní straně opírá v kolmém směru o toto keramické těleso, ale samotné keramické těleso na svém vnějším obvodě je vsazeno do pouzdra bleskojistky s kontaktem pouze v tečném směru. Tak i zde vzniká při vnitřním přetlaku v bleskojistce zvýšené nebezpečí prasknutí tohoto keramického tělesa, či jeho vysunutí z pouzdra bleskojistky, l ato konstrukce bleskojistky také používá umístění přívodů k oběma elektrodám na spodní straně tělesa bleskojistky, což v mnoha praktických aplikacích je konstrukčně nevýhodné. Jiné známé řešení je patrné ze spisu US 4866562, kde je sice patrné uspořádání izolačních vložek, namáhaných převážně tlakově, ale prostor mezi elektrodami je tvořen pouze jako prstenec, kde není patrná žádná mezera s funkcí zhášecího kanálu. Tak mechanická odolnost u tohoto řešení bude dobrá, ale schopnost svodů vyšších proudů, a také životnost bude zde jen omezená. Je dokonce známo řešení bleskojistky, popsané

- 1 CZ 303709 B6 ve spise CN 1588718, kde je možno seznat vytvoření první elektrody ve formě pouzdra, v němž je umístěna druhá elektroda s rozšířenou hlavou a kde rozšíření této druhé elektrody se dole opírá o zúžený dolní průchod první elektrody, a to dokonce přes izolační vložku, namáhanou na střih. Tato bleskojistka jednak vykazuje poměrně málo masivní a nízkou rozšířenou hlavu první elek5 trody, což znamená omezení maximální proudové zatížitelnosti, jednak jako podstatný znak je zde patrné vytvoření vnitřních kanálů v této rozšířené hlavě, a to za účelem dosažení cirkulace plynů od obvodové části dutiny v bleskojistce směrem k její podélné ose, resp. k podélné ose vnitřní druhé elektrody, a dále ve směru této osy vzhůru, zpět k čelní ploše této druhé elektrody. Tím se sice prodlouží dráha pro zhášení výboje, ale současně se vybudí intenzivní postup výboje io as tím spojené proudění plynů v okolí izolační vložky, čímž se podstatně zvýší i kontaminace povrchu této izolační složky částicemi kovu a karbonu a relativně rychle se následně zvyšuje vodivost takto kontaminovaného povrchu. Tak se snižuje izolační schopnost uvedené izolační vložky a zkracuje se tedy i životnost celé bleskojistky.

Podstata vynálezu

Uvedené nevýhody v podstatné míře eliminuje výkonová bleskojistka, především pro velké proudové zátěže, která je kompaktní konstrukce, se schopností svodu relativně vysokých proudů, vytvořená podle předkládaného vynálezu, kde je bleskojistka vytvořena jako celokovové pouzdro, upravené jako první elektroda, a kde v tomto pouzdře je přes izolační vložku uložena druhá elektroda s rozšířenou hlavou, která je u své vstupní části, alespoň na části své dosedací plochy, kolmé k podélné ose bleskojistky, opřena o první kontaktní plochu izolační vložky a současně tato izolační vložka je, alespoň na části své druhé kontaktní plochy, opřena o spodní zúžený prů25 chod v pouzdře, upraveném jako první elektroda bleskojistky, a kde podstata spočívá v tom, že rozšířená hlava druhé elektrody vykazuje na svém čele rovinnou kruhovou čelní plochu a na svém obvodu válcovou nebo kuželovou obvodovou plochu a kde výška rozšířené hlavy je alespoň 25 % průměru její čelní plochy a současně mezera, odpovídající v bleskojistce vzdálenosti mezi rozšířenou hlavou druhé elektrody a vnitřním povrchem pouzdra bleskojistky, je podél Čelní plochy rozšířené hlavy konstantní a směrem k izolační vložce, v rozsahu podél obvodové plochy rozšířené hlavy druhé elektrody, je konstantní nebo se plynule rozšiřuje ve směru od čelní plochy, přičemž v oblasti přilehlé k izolační vložce má tato mezera slepé zakončení ve tvaru prstencové dutiny. Takto vytvořená bleskojistka, především díky relativně masivní rozšířené hlavě a vhodně tvarované mezeře, je schopna svodu relativně vysokých proudů a současně je schopna opakované činnosti, s dlouhodobým zachováním požadovaných jak izolačních, tak i svodových vlastností, tedy vykazuje proti dosavadním konstrukcím jak vyšší proudovou zatížitelnost, tak i prodlouženou životnost. S výhodou hrana na přechodu mezi čelní plochou a obvodovou plochou rozšířené hlavy druhé elektrody je zaoblena. Tímto zaoblením se jednak usnadní postup oblouků i plynů od místa zapálení oblouku na čelní ploše druhé elektrody, jednak se omezí opal uvedené hrany. Také je výhodou, jestliže pouzdro, upravené jako první elektroda bleskojistky, je vytvořeno jako miska se zúženým spodním průchodem, uzavřená nahoře přivařeným či pripájeným víkem. Taková konstrukce je výhodná z více pohledů. Jednak se získává výhoda technologická, protože lze do otevřeného tělesa první elektrody napřed vložit druhou elektrodu, jejíž rozšířená hlava je výhodná jak pro vytvoření optimální mezery mezi elektrodami, tak i pro dosednutí zevnitř na dolní zúžení pouzdra, tvořícího první elektrodu, a to právě přes izolační vložku, namáhanou zde nikoli na tah, ale jen na tlak a střih, načež až následně se prostor v první elektrodě uzavře víkem. Současně se konstrukcí s odděleným víkem získává možnost použití jiného materiálu na víko, než je materiál ostatních částí pouzdra, tvořícího první elektrodu, což lze využít pří vytvoření víka z odolnějšího materiálu, který lépe odolává vysokým teplotám v místě zapálení výboje, zatímco ostatní části první elektrody jsou změně odolného materiálu, který je levnější. V praxi potom bude vhodné, aby velikost spodní a homí opěrné plochy na izolační vložce byla vždy alespoň 20% celé spodní, respektive horní plochy izolační vložky, čímž na této izolační vložce ještě nevzniknou příliš veliké ohybové síly. Z analogického důvodu bude v praxi také vhodné, jestliže velikost přesazení vnější hrany spodní dosedací plochy rozšířené hlavy druhé elektrody vůči vnitřní hraně horní dosedací plochy zúženého spodního průchodu v pouzdře, upraveném jako

-2CZ 303709 B6 první elektroda bleskojistky, bude menší, než mezi těmito místy vytvořená tloušťka izolační vložky. Izolační vložka je zpravidla vytvořena z keramického materiálu, nejlépe ve formě prstence, přednostně právě keramického, a to s konstantní tloušťkou. Druhá elektroda bude zpravidla vytvořena s válcovou dolní připojovací částí, s vnitřním závitem, upraveným jako upínací místo pro vytvoření mechanického spojení bleskojistky s neživou částí chráněného zařízení. Prostor mezi rozšířenou hlavou druhé elektrody a vnitřním povrchem pouzdra bleskojistky se pak, jak je u bleskojistek podobného typu obvyklé, plní inertním plynem. Pokud se mezera mezi rozšířenou hlavou druhé elektrody a vnitřním povrchem pouzdra bleskojistky směrem od čelní plochy druhé elektrody směrem k izolační vložce, alespoň v rozsahu podél obvodové částí rozšířené hlavy drulo hé elektrody, zvětšuje, pak se tím dosáhne jednak urychlení odvodu výboje od čelní plochy druhé elektrody, jednak zvětšující se mezera přispívá v tomto místě ke zhášení výboje, resp. elektrického oblouku.

Tím se tedy celkově dosáhne vytvoření bleskojistky, která při malých rozměrech a jednoduché konstrukci může být dimenzována na relativně vysoké proudové zátěže. Izolační keramická vložka, která je zde namáhána převážně na tlak, je značně odolná vůči silovým účinkům vznikajícím uvnitř pouzdra bleskojistky během výboje, přičemž opření izolační vložky o obě elektrody nikterak nezpůsobuje nebezpečné axiální tahové namáhání pájených spojů mezi izolační vložkou a těmito elektrodami. Slepé zakončení mezery mezi elektrodami, tedy zakončení takto vytvořené20 ho kanálu, upraveného pro vedení výboje od místa jeho zapálení na čelní ploše druhé elektrody, a to zakončení dutinou prstencového tvaru, v oblasti u izolační vložky, napomáhá jednak zhášení výboje, jednak právě tím, že toto zakončení je slepé, tzn. že oblouk a plyny nepostupují již žádným kanálem dále, se dosahuje snížení rychlosti výboje a plynů v okolí izolační vložky a tak i snížení kontaminace povrchu této izolační vložky částečkami kovu či karbonu, což jinak vede ke snížení izolační schopnosti této izolační vložky, čímž se v takovém případě zkracuje životnost bleskojistky.

Objasněni výkresů

Vynález je dále podrobněji popsán a vysvětlen na příkladných provedeních bleskojistky, též s pomocí přiloženého výkresu, kde na obr. 1 je znázorněna válcová, rotačně symetrická bleskojistka, s válcovým, obvodovým povrchem druhé elektrody, a to v příčném svislém řezu, načež na obr. 2 je analogická bleskojistka, pouze s tím rozdílem, že obvodový povrch druhé elektrody má kuželový tvar, čímž se v tomto úseku mezera mezi elektrodami, směrem od čelní plochy druhé elektrody, plynule zvětšuje.

Příklady uskutečnění vynálezu

Bleskojistka v příkladném provedení je vytvořena jako výkonová bleskojistka kompaktní konstrukce, tedy bleskojistka se schopností svodu relativně vysokých proudů, vytvořená ve shodě s předkládaným vynálezem. Tato bleskojistka 10 je zde vytvořena jako celokovové pouzdro, upravené jako první elektroda I, kde v tomto pouzdře je přes izolační vložku 3 uložena druhá elektroda 2 s rozšířenou hlavou 21. Rozšířená hlava 21 druhé elektrody 2 je dole, na části své spodní plochy, opřena o tuto izolační vložku 3 a současně tato izolační vložka 3 je, opět na části své spodní plochy, opřena o spodní zúžený průchod JJ. v pouzdru bleskojistky JJ). Velikost spodní, resp. horní opěrné plochy na izolační vložce 3 má zde velikost 35 % celé spodní plochy, respektive 45 % celé horní plochy izolační vložky 3. Dále zde pak velikost přesazení vnější hrany spodní dosedací plochy rozšířené hlavy 2J. druhé elektrody 2 vůči vnitřní hraně horní dosedací plochy zúženého spodního průchodu 11 v pouzdru bleskojistky JJ) je menší, než mezi těmito místy vytvořená tloušťka izolační vložky 3, přičemž velikost takto popsaného přesazení zde tvoří pouze 25 % tloušťky izolační vložky 3, kde v tomto případě je tloušťka izolační vložky 3 všude stejná. Izolační vložka 3 je zde vytvořena z keramického materiálu, a to ve formě prstence, a to právě s konstantní tloušťkou, jak bylo již výše řečeno. Z hlediska celkové konstrukce pouzdra

-3CZ 303709 Β6 bleskojistky 10 je zde toto pouzdro bleskojistky JJ) vytvořeno jako miska se zúženým spodním průchodem JJ., uzavřená nahoře připájeným víkem 101. Druhá elektroda 2 je potom zde vytvořena s rozšířenou hlavou 21, která na svém čele vykazuje kruhovou čelní plochu 211 a na svém obvodu obvodovou plochu 212 válcovou, jak je patrné v příkladném provedení podle obr. 1, nebo obvodovou plochu 212 kuželovou, jak je patrné v příkladném provedení podle obr. 2, Tato druhá elektroda 2 je zde ještě opatřena válcovou dolní připojovací částí 22, s vnitřním závitem 221. Tento závit 221 ie upraven jako upínací místo, které, po zašroubování protikusu ve formě šroubu, vytvoří mechanické spojení bleskojistky 10 s neživou částí chráněného zařízení. Prostor mezi rozšířenou hlavou 21 druhé elektrody 2 a vnitřním povrchem pouzdra bleskojistky 10 je zde naplněn inertním plynem a utěsněn. Podstatné je, že mezera mezi rozšířenou hlavou 21 druhé elektrody 2 a vnitřním povrchem pouzdra bleskojistky 10 se směrem k izolační vložce 3, zejména v rozsahu podél obvodové části rozšířené hlavy 21 druhé elektrody 2, může, obecně vzato, zvětšovat, jak je patrné na obr. 2, což přispěje k rychlejšímu odvedení oblouku od čelní plochy druhé elektrody, ovšem zdeje na obr. 1 znázorněno i jednodušší, ale také vyhovující provedení, kde popsaná mezera je v celém prostoru mezi činnými plochami obou elektrod J, 2 prakticky konstantní. Přitom v oblasti u izolační vložky 3 má tato mezera slepé zakončení ve tvaru prstencové dutiny 20. V tomto místě se tak zháší oblouk, resp. výboj, a současně rychlost plynů, proudících od místa zapálení výboje uvedenou mezerou se v této slepé prstencové dutině 20 snižuje, což omezuje zanášení povrchu přilehlé izolační vložky a prodlužuje tak i životnost bleskojistky.

Funkce bleskojistky je pak následující. Po překročení určitého napětí dojde k zapálení elektrického oblouku, který po dobu trvání napětí hoří mezi elektrodami, přičemž v prostoru bleskojistky se zvyšuje přetlak. Popsaná konstrukce této bleskojistky, vytvořená právě ve shodě s předkládaným vynálezem, odolává mimořádně vysokým tlakům, neboť pouzdro bleskojistky, zejména v extrémně namáhané obvodové části, je vytvořeno z kovového materiálu a současně izolační vložka je namáhána na tlak a na střih, kde vykazuje vysokou únosnost. Takto vytvořená bleskojistka má relativně malé rozměry a jednoduchou konstrukci a současně může být dimenzována na relativně vysoké proudové zátěže, přičemž její životnost je i za zvýšené proudové zátěže vyhovující, resp. proti dosavadním známým řešením je životnost ještě zvýší.

Průmyslová využitelnost

Výkonová bleskojistka podle vynálezu je využitelná především k ochraně proti přepětí, a sice převážně pro svádění zkratových trakčních proudů v železničních napájecích sítích.