ВЫСОКОВОЛЬТНЫЙ ИМПУЛЬСНЫЙ КОНДЕНСАТОР Российский патент 1999 года по МПК H01G2/00 

Изобретение относится к электротехнике, в частности к высоковольтным импульсным конденсаторам и формирующим линиям, и может быть использовано для получения мощных импульсов электрического тока, например, в электрогидравлических скважинных устройствах.

Известен высоковольтный конденсатор (см. а. с. N 1355017, кл. МПК⁶ H 01 G 4/228, опубл. 20.02.95, Бюл. N 5), содержащий размещенные в цилиндрическом металлическом корпусе пружины, полый цилиндрический пакет из последовательно соединенных пропитанных цилиндрических секций положительной и отрицательной полярности, металлическую крышку с изолятором, дно и токовыводы, компенсаторы температурного расширения пропитывающего диэлектрика внутри жесткого корпуса конденсатора, установленные на внутренней поверхности дна и под крышкой. Один из токовыводов размещен внутри изолятора и соединен с торцом пакета секций положительной полярности, а другой токовывод закреплен на дне и соединен с торцом пакета секций отрицательной полярности и металлическим корпусом.

В ходе эксплуатации, особенно при применении в скважинах, конденсатор может находиться в среде с различной температурой. Изменение температуры вызывает значительное изменение объема внутренних компонентов конденсатора (секций, жидкого диэлектрика и др.).

Суммарное изменение объема указанных элементов конденсатора, работающего в широком диапазоне температур, может быть значительным и требует наличия температурного компенсатора соответствующего объема. При недостаточном рабочем объеме компенсатора может происходить его срабатывание до отказа, после чего при дальнейшем нагреве конденсатора внутри него быстро создается большое избыточное давление, способное привести к разрушению конструкции. В свою очередь при охлаждении, если расширительная способность компенсаторного объема недостаточна, в объеме конденсатора возникает разрежение, способствующее появлению в жидком диэлектрике пузырей газов, освобождающихся из растворенного состояния при падении давления. Это может привести к росту интенсивности частичных разрядов, ведущих к старению диэлектрика и к пробою изоляции конденсатора.

Недостатками указанного высоковольтного конденсатора являются:
- малый рабочий объем компенсатора теплового расширения, ограничивающий диапазон рабочих температур;
- размещение компенсатора температурного изменения объема в полезном объеме конденсатора, приводящее к уменьшению его энергоемкости и повышению индуктивности;
- ограничение ресурса конденсатора временем старения жидкого диэлектрика из-за частичных разрядов при атмосферном давлении, поддерживаемом внутри конденсатора.

Указанные недостатки частично устранены в силовом высоковольтном импульсном конденсаторе (см. а.с. СССР N 1496541, МПК⁴ кл. Н 01 G 1/02, опубл. 20.02.95, Бюл. N 5), выбранном в качестве прототипа, содержащем цилиндрический металлический корпус с расположенным в нем полым цилиндрическим пакетом из пропитанных секций, металлические крышки с изоляторами, внутри которых размещены концы положительного токовывода, соединенного с торцом пакета секций, токовывод отрицательной полярности, соединенный с торцом пакета секций и металлическим корпусом конденсатора, компенсатор температурного изменения объема, расположенный в полости конденсатора внутри токовывода положительной полярности, выполненного в виде полого цилиндрического стакана.

При помещении конденсатора, выполненного согласно решению - прототипу, в среду с повышенной температурой его внутренние компоненты (секции, жидкий диэлектрик и др.) увеличиваются в объеме. В результате этого происходит перетекание жидкого диэлектрика и сжатие компенсатора температурного изменения объема (заполненного воздухом сильфона, сообщающегося с атмосферой с помощью специального воздухопровода). При понижении температуры до прежнего уровня компенсатор температурного изменения объема возвращается в исходное состояние.

Однако при повышении температуры жидкого диэлектрика растворенные в нем газы имеют тенденцию к переходу в свободное состояние. Это приводит к образованию в диэлектрике газовых пузырей. Кроме того, при нагреве увеличивается объем самих пузырей. Все это ведет к росту интенсивности частичных разрядов, а следовательно, к ускоренному старению диэлектрика. В конденсаторах с высокой удельной энергоемкостью (высокой напряженностью электрического поля) снижение электропрочности жидкого диэлектрика при повышении температуры приводит к резкому росту вероятности пробоя конденсатора и выхода его из строя. Таким образом, решая проблему механической (прочностной) термокомпенсации в расширенном диапазоне температур, решение-прототип не решает проблемы температурного ограничения области применения высоковольтного конденсатора, связанного с электрофизическими эффектами в жидком диэлектрике при повышенной температуре.

Прототип имеет следующие недостатки:
- пониженные удельная энергоемкость и надежность, обусловленные размещением компенсатора температурного изменения объема внутри конденсатора;
- ограничение рабочего напряжения, обусловленное электропрочностью жидкого диэлектрика при атмосферном давлении;
- ограничение ресурса конденсатора временем старения жидкого диэлектрика из-за частичных разрядов при атмосферном давлении и повышенной температуре.

Задачей, на решение которой направлено заявляемое устройство, является увеличение запасаемой энергии при одновременном расширении области применения конденсатора.

Техническим результатом, достигаемым при этом, является увеличение удельной энергоемкости и надежности, а конкретно:
- увеличение емкости и рабочего напряжения конденсатора;
- расширение эксплуатационного диапазона температур;
- увеличение ресурса конденсатора.

Указанный технический результат достигается тем, что в заявляемом высоковольтном импульсном конденсаторе, содержащем металлический корпус с расположенными в нем пропитанными конденсаторными секциями, крышки, токовыводы, по крайней мере одна из крышек установлена герметично с возможностью перемещения вдоль продольной оси металлического корпуса, компенсатор размещен снаружи по крайней мере одной из крышек и выполнен с возможностью обеспечения заданного избыточного давления внутри металлического корпуса. При этом компенсатор температурного изменения объема может быть выполнен в виде упругого деформируемого элемента и снабжен устройством, регулирующим усилие, создающее заданное избыточное давление внутри металлического корпуса.

От прототипа заявляемое устройство отличается следующими признаками. По крайней мере одна из крышек установлена герметично с возможностью перемещения вдоль продольной оси металлического корпуса. Компенсатор температурного изменения объема размещен снаружи по крайней мере одной из крышек и выполнен с возможностью обеспечения заданного избыточного давления внутри металлического корпуса. Компенсатор температурного изменения объема может быть выполнен в виде упругого деформируемого элемента и снабжен устройством, регулирующим усилие, создающее заданное избыточное давление внутри металлического корпуса.

Установка по крайней мере одной из крышек конденсатора с возможностью перемещения вдоль продольной оси металлического корпуса позволяет использовать в качестве компенсаторного объема часть пространства извне конденсатора и таким образом заметно увеличить его накопительный (полезный) объем без увеличения габаритов. В результате увеличивается энергоемкость, рабочее напряжение и электропрочность конденсатора за счет обеспечения возможности увеличения объема конденсаторных секций и толщины изоляции.

Размещение компенсатора температурного изменения объема снаружи по крайней мере одной из крышек позволяет увеличить накопительный объем и повысить надежность конденсатора в результате устранения дополнительных металлических элементов из области сильных электрических полей.

Выполнение компенсатора температурного изменения объема с возможностью обеспечения заданного избыточного давления внутри металлического корпуса конденсатора позволяет повысить энергоемкость, надежность и ресурс конденсатора при работе в широком диапазоне температур, так как повышенное давление препятствует освобождению растворенных в жидком диэлектрике газов, а также продуктов разложения диэлектрика, и подавляет образование газовых пузырей. При этом заметно снижается интенсивность частичных разрядов, имеющих место в диэлектрике высоковольтного конденсатора при его работе и приводящих к старению диэлектрика. Снижение интенсивности частичных разрядов позволяет поднять рабочее напряжение конденсатора, а значит, его энергоемкость и/или увеличить его ресурс.

Кроме того, создание избыточного давления внутри конденсатора предотвращает попадание вещества извне через неидеальности герметизации и позволяет сохранять жидкий диэлектрик в чистом состоянии, что также способствует увеличению ресурса.

Герметичная установка подвижных крышек, например, с помощью резиновых уплотнений позволяет предотвратить потери жидкого диэлектрика при удержании избыточного давления внутри конденсатора, а также предотвращает попадание вещества извне и позволяет сохранять жидкий диэлектрик в чистом состоянии.

Выполнение компенсатора температурного изменения объема в виде упругого деформируемого элемента позволяет обеспечить постоянство его параметров в широком диапазоне условий эксплуатации конденсатора и до минимума сократить объем, занимаемый компенсатором температурного изменения объема при сохранении достаточно большого рабочего хода. Кроме того, упругий деформируемый элемент является простым устройством, что также обеспечивает надежность конструкции и стабильность ее параметров, то есть способствует увеличению ресурса.

Снабжение компенсатора температурного изменения объема устройством, регулирующим усилие, создающее заданное избыточное давление внутри металлического корпуса, позволяет повысить надежность конденсатора, дополнительно расширить диапазон условий его эксплуатации и увеличить ресурс, так как регулирующее устройство позволяет устанавливать заданный уровень давления без предъявления жестких требований к точности изготовления внутренних элементов конденсатора и точности дозировки жидкого диэлектрика при его заполнении. Кроме того, обеспечивается поддержание заданного давления внутри конденсатора в условиях постепенной потери жидкого диэлектрика через неидеальные герметичные соединения. Все это обеспечивает надежное поддержание высокой электрической прочности (высокой энергоемкости) конденсатора и способствует увеличению его ресурса.

Изобретение поясняется чертежом, на котором показан продольный разрез заявляемого высоковольтного импульсного конденсатора. Конденсатор содержит металлический корпус 1, расположенные в нем пропитанные последовательно соединенные полые конденсаторные секции 2, помещенные в жидкий диэлектрик, цилиндрический изолятор 3, обеспечивающий электропрочность конденсаторных секций 2 относительно металлического корпуса 1, подвижную вдоль продольной оси металлического корпуса 1 диэлектрическую крышку 4, герметично установленную посредством резиновых уплотнительных колец 5, токовывод 6 положительной полярности, проходящий через центральные отверстия в конденсаторных секциях 2 и соединенный с торцом первой секции токовывод 7 отрицательной полярности, расположенный на торце последней секции и соединенный с корпусом 1, компенсатор 8 температурного изменения объема (стальная пружина), размещенный над подвижной диэлектрической крышкой 4, неподвижную диэлектрическую крышку 9, изолятор 10, выполненный в виде стакана, установленного на первой секции, изолятор 11 цилиндрической формы, расположенный на положительном токовыводе 6, контактный цилиндр 12, контактную цангу 13, кольцевую гайку 14 (устройство, регулирующее усилие, создающее давление), стопорное кольцо 15 (упор для неподвижной крышки 9).

Токовывод 6 положительной полярности выполнен из медной или алюминиевой трубки диаметром 10 мм и толщиной стенки 2 мм и снабжен концевыми разъемными взаимоответными контактными элементами, цилиндром 12 и цангой 13.

Токовывод 7 отрицательной полярности выполнен в виде цанги.

Металлический корпус 1 конденсатора изготовлен из стальной трубы наружным диаметром 114 мм и толщиной стенки 7 мм. Длина металлического корпуса 1 конденсатора - 1200 мм.

Цилиндрические секции конденсатора изготовлены путем намотки на диэлектрическую оправку многослойного бумажно-лавсанового диэлектрика БПБПБПБ (Б - слой конденсаторной бумаги марки КОН-2 толщиной 5 мкм, П - слой лавсановой пленки ПЭТ-КЭ толщиной 10 мкм) и последующей пропитки его касторовым маслом. Для обкладок использована алюминиевая фольга марки А5-Т толщиной 9 мкм. Торцы секций металлизированы путем напыления на них сжатым воздухом расплавленного припоя ПОСЗО. Толщина контактного слоя равна 0,5-1 мм.

Секции имеют диаметр 96 мм и длину 126 мм. Емкость каждой секции 11 мкФ, рабочее напряжение 5 кВ, амплитуда разрядного тока 10 кА и ресурс 700 тысяч разрядов. Между собой секции соединены последовательно путем пайки к торцам секций гибких медных проводников плоской формы.

Суммарная емкость конденсатора 1,6 мкФ, рабочее напряжение 35 кВ.

Заряд и разряд одного предлагаемого конденсатора осуществляется традиционным способом.

Термокомпенсация и регулировка давления внутри конденсатора реализуются следующим образом. Компенсатор 8 температурного изменения объема, выполненный в данном примере в виде пружины, обеспечивает при нормальной температуре усилие ~2,8 кН, приложенное к подвижной крышке 4 и направленное внутрь конденсатора. При увеличении температуры в результате теплового расширения происходит рост объема конденсаторных секций и жидкого диэлектрика, в результате чего подвижная крышка 4 перемещается вверх вдоль продольной оси металлического корпуса 1 и дополнительно сжимает пружину (компенсатор 8 температурного изменения объема), увеличивая усилие, приложенное к крышке 4. При максимально допустимой температуре применения конденсатора 100^oС усилие, действующее на крышку 4, составляет ~6,1 кН.

Компенсаторы температурного изменения объема могут быть установлены снаружи обеих крышек.

Таким образом, по сравнению с прототипом заявляемый высоковольтный импульсный конденсатор позволяет использовать его при большем на 5 кВ рабочем напряжении, и имеется возможность для дальнейшего увеличения данного параметра. При этом температурный диапазон увеличивается до 100^oC. Увеличение емкости по сравнению с прототипом составляет более 100%.

Высоковольтный импульсный конденсатор содержит металлический корпус с крышками. Внутри корпуса размещены пропитанные конденсаторные секции, помещенные в жидкий диэлектрик, и токовыводы. По крайней мере одна из крышек установлена герметично с возможностью перемещения вдоль продольной оси корпуса конденсатора. Компенсатор размещен снаружи по крайней мере одной из крышек и выполнен с возможностью обеспечения заданного избыточного давления внутри корпуса. При этом компенсатор может быть выполнен в виде упругого деформируемого элемента и снабжен устройством, регулирующим усилие, создающее заданное избыточное давление внутри корпуса. Технический результат - увеличение энергоемкости и надежности. 2 з.п.ф-лы, 1 ил.

1. Высоковольтный импульсный конденсатор, содержащий металлический корпус, расположенные в нем пропитанные конденсаторные секции, крышки, токовыводы и компенсатор температурного изменения объема, отличающийся тем, что по крайней мере одна из крышек установлена герметично с возможностью перемещения вдоль продольной оси корпуса, компенсатор температурного изменения объема размещен снаружи по крайней мере одной из крышек и выполнен с возможностью обеспечения заданного избыточного давления внутри металлического корпуса. 2. Конденсатор по п.1, отличающийся тем, что компенсатор температурного изменения объема выполнен в виде упругого деформируемого элемента. 3. Конденсатор по п.1 или 2, отличающийся тем, что компенсатор температурного изменения объема снабжен устройством, регулирующим усилие, создающее заданное избыточное давление внутри металлического корпуса.