СИЛЬНОТОЧНЫЙ ГАЗОНАПОЛНЕННЫЙ РАЗРЯДНИК Российский патент 2004 года по МПК H01T4/10 

Предполагаемое изобретение относится к высоковольтной импульсной технике, а именно к сильноточным газонаполненным разрядникам, и может быть использовано для частотно-импульсной коммутации емкостных накопителей высоковольтных формирующих цепей, например, в генераторах импульсных напряжений (ГИН).

Известен газонаполненный разрядник /Балбоненко Е.Ф. и др. Сильноточные искровые разрядники с резко неоднородным электрическим полем // Приборы и техника эксперимента. - 1997. - №6 - с.86-91/, содержащий основные электроды, коаксиально расположенные на полых токоподводах с принудительным водяным охлаждением, закрепленных на торцах диэлектрического корпуса, один из которых охватывает второй электрод и часть токоподвода к нему, управляющий электрод, размещенный между основными электродами, с токоподводом к нему, зафиксированным на изоляторе. Разрядник рассчитан для работы в среде трансформаторного масла и позволяет длительно коммутировать в частотно-импульсном режиме емкостные накопители высоковольтных формирующих цепей для питания, в частности мощных лазеров.

Недостатками данной конструкции являются, во-первых, низкая теплоотдача каналов охлаждения, имеющих неразвитую поверхность, во вторых, отсутствие условий для естественной конвекции охлаждающей жидкости, что приводит к зависимости ресурса работы разрядника от кратности принудительных циклов нагрева и охлаждения теплоносителя при замкнутом цикле охлаждения либо его расхода при разомкнутом, в третьих, конструктивной особенностью рассматриваемого разрядника с искажением поля является значительно (в 2...3 раза) более протяженный промежуток между основными электродами по сравнению с разрядниками тригатронного типа, что автоматически увеличивает длину разрядного канала, нагрев заполняющего разрядник газа и уменьшает ресурс работы разрядника.

Наиболее близким техническим решением, выбранным в качестве прототипа к предполагаемому изобретению, является сильноточный газонаполненный разрядник /Герасимов А.И. и др. Надежный экранированный генератор Аркадьева-Маркса на 500 кБ и 6,25 кДж со стабильным временем задержки срабатывания //Приборы и техника эксперимента. - 1998. - №1 -с. 96-101/, предназначенный для работы в качестве коммутатора каскадов ГИН и содержащий диэлектрический корпус с аксиально установленными в нем двумя основными металлическими разнотолщинными электродами, один из которых выполнен полым с отверстием с размещенным в нем соосно на токоподводе с изолятором напротив второго электрода управляющим электродом, и токоподводами к ним, контактирующими с трансформаторным маслом, окружающим разрядник, и закрепленными на торцах корпуса таким образом, что токоподвод к полому электроду охватывает электрод без отверстия и часть токоподвода к нему.

Основным недостатком такого разрядника при работе в частотно-импульсном режиме является быстрый разогрев основных электродов и токоподводов к ним, приводящий к деформации диэлектрического корпуса и потере его герметичности, нагреву и уменьшению электрической прочности газовой среды с последующим развитием пробоев и являющийся, таким образом, причиной малого ресурса работы.

Техническая задача - увеличение теплоотдачи основных электродов сильноточного газонаполненного разрядника и токоподводов к ним при обеспечении эффективного свободного конвективного теплообмена между этими электродами с токоподводами к ним и диэлектрической жидкостью, окружающей разрядник.

Технический результат - увеличение ресурса работы сильноточного газонаполненного разрядника в частотно-импульсном режиме без принудительной циркуляции теплоносителя, в качестве которого используется окружающая разрядник диэлектрическая жидкость.

Технический результат достигается тем, что в сильноточном газонаполненном разряднике, содержащем диэлектрический корпус с аксиально установленными в нем двумя металлическими разнотолщинными электродами, один из которых выполнен полым с отверстием с размещенным в нем соосно управляющим электродом, и токоподводами к ним, контактирующими с диэлектрической жидкостью, окружающей разрядник, и закрепленными на торцах корпуса таким образом, что токоподвод к полому электроду с отверстием охватывает электрод без отверстия и часть токоподвода к нему, новым является то, что электрод без отверстия с токоподводом к нему образует аксиально протяженную, открытую со стороны диэлектрической жидкости полость, и имеет наименьшую толщину стенок вблизи минимального межэлектродного промежутка, причем в полости, площадь любого поперечного сечения которой не меньше, чем у наиболее тонкостенного участка электрода без отверстия, размещены теплопроводящие поверхностные элементы, первая часть которых сформирована в группы, концентрично расположенные на участке электрода с наименьшей толщиной стенок таким образом, что по мере удаления от центра суммарная площадь поверхности любой последующей из них не увеличивается, вторая их часть размещена на остальной поверхности электрода и токоподвода к нему, вне объема, ограниченного площадью самого тонкостенного участка электрода по всей глубине полости, а вблизи контакта с электродом с отверстием радиальной части токоподвода, на его аксиальном участке, размещены контактирующие - диэлектрической жидкостью группы теплоэлектропроводящих поверхностных элементов, суммарная площадь поверхности каждой из которых меньше, чем у радиальной части токоподвода, и убывает по мере удаления группы от него. Во вторых, все поверхностные элементы разрядника могут быть выполнены заодно с местом размещения. В третьих, ребра и вершины всех теплоэлектропроводящих поверхностных элементов, расположенных вне полости, могут быть выполнены скругленными. В четвертых, на аксиальной части токоподвода к электроду с отверстием, охватывающей электрод без отверстия и часть токоподвода к нему, могут быть размещены контактирующие с диэлектрической жидкостью дополнительные группы теплоэлектропроводящих поверхностных элементов.

В связи с тем, что объем диэлектрической жидкости (как правило, трансформаторного масла), используемой в качестве высокопрочного изолятора в ГИН, с сильноточными газонаполненными разрядниками тригатронного типа, значительно превышает суммарный объем разрядников всех каскадов ГИН. целесообразно использовать ее в качестве теплоносителя и охлаждающей среды для сильноточных газонаполненных разрядников. При работе сильноточных газонаполненных разрядников в частотно-импульсном режиме происходит интенсивный разогрев как обоих основных электродов, в пределах минимального промежутка между которыми развивается канал разряда, и токоподводов к ним, так и газовой среды разрядника, что приводит сначала к изменению времени задержки срабатывания разрядника из-за изменения свойств газовой среды, а затем к его разгерметизации из-за тепловой деформации элементов конструкции или к потере электрической прочности газовой среды и, как следствие, к потере работоспособности.

Сброс тепловой энергии, генерируемой в разряднике, частично происходит в окружающую его диэлектрическую жидкость в месте контакта с ней токоподводов к его электродам. Поскольку площадь основных электродов разрядника, воспринимающих самую большую тепловую нагрузку и имеющих ограниченную теплоотдачу, мала, а тепловое сопротивление токоподводов велико, то достаточно скоро происходит потеря работоспособности разрядника (так, потеря работоспособности сильноточного газонаполненного разрядника, принятого в качестве прототипа, наступала через 3 минуты работы в частотно-импульсном режиме).

Для увеличения теплоотдачи основных электродов сильноточного газонаполненного разрядника и токоподводов к ним при обеспечении эффективного свободного конвективного теплообмена между этими электродами и токоподводами и диэлектрической жидкостью, окружающей разрядник, необходимо внести в конструкцию прототипа следующие изменения, предварительно установив, что оптимальным рабочим положением разрядника будет считаться такое, при котором его продольная ось вертикальна, а электрод без отверстия находится над полым электродом с отверстием. Во-первых, минимизировать тепловое сопротивление между диэлектрической жидкостью и основным электродом без отверстия с токоподводом к нему, выполнив их так, чтобы они образовали открытую со стороны диэлектрической жидкости полость, причем электрод без отверстия должен иметь наименьшую толщину стенок вблизи минимального межэлектродного промежутка. Это позволит часть тепла от основного электрода без отверстия с минимальными потерями передать диэлектрической жидкости, уменьшив нагрев его и токоподвода, и, кроме того, дополнительно охладить газ, соприкасающийся с токоподводом. Во вторых, увеличить теплоотдачу как электрода без отверстия и токоподвода к нему, разместив теплопроводящие поверхностные элементы на участке электрода без отверстия с наименьшей толщиной стенок и на остальной поверхности электрода и токоподвода к нему, так и токоподвода к полому электроду с отверстием, разместив вблизи контакта с электродом с отверстием радиальной части токоподвода, на его аксиальном участке, контактирующие с диэлектрической жидкостью группы теплоэлектропроводящих поверхностных элементов. Как известно, теплоотдача поверхности прямо пропорциональна ее площади.

Размещение поверхностных элементов позволяет в несколько раз увеличить площадь теплоотдающей поверхности, не меняя в то же время геометрию поверхности электродов и токоподводов, по которой проходит разрядный ток и которая контактирует с газовой средой и определяет основные электрические характеристики разрядника. При этом размещение вне полости поверхностного элемента, имеющего невысокую электропроводность или только тепловой контакт с местом размещения, например с помощью непроводящего электрический ток клея, может привести к электрическому пробою как внутри такого элемента, так и в клеевом слое с последующим их разрушением и загрязнением окружающей диэлектрической жидкости из-за градиента напряженности электрического поля вблизи разрядника.

В третьих, обеспечить эффективный свободный конвективный теплообмен между основными электродами и токоподводами к ним и диэлектрической жидкостью, окружающей разрядник, выполнив полость, образованную электродом без отверстия и токоподводом к нему, аксиально протяженной, открытой со стороны диэлектрической жидкости и имеющей площадь любого поперечного сечения не меньше, чем у наиболее нагретого и наиболее тонкостенного участка электрода без отверстия, концентрично разместив на участке электрода с наименьшей толщиной стенок первую часть теплопроводящих поверхностных элементов, сформированных в группы таким образом, что по мере удаления от центра суммарная площадь поверхности любой последующей из них не увеличивается, расположив на остальной поверхности электрода и токоподвода к нему, вне объема, ограниченного площадью самого тонкостенного участка электрода по всей глубине полости, вторую часть теплопроводящих поверхностных элементов, а вблизи контакта с электродом с отверстием радиальной части токоподвода, на его аксиальном участке, разместив контактирующие с диэлектрической жидкостью группы теплоэлектропроводящих поверхностных элементов, суммарная площадь поверхности каждой из которых меньше, чем у радиальной части токоподвода, и убывает по мере удаления группы от него. Так как участок электрода без отверстия с наименьшей толщиной имеет небольшую кривизну, то высота теплопроводящих поверхностных элементов в группах с суммарной площадью поверхности любой последующей не больше, чем у предыдущей по мере удаления от центра, будет уменьшаться (если группы сформированы из поверхностных элементов различной геометрии, то по мере удаления группы от центра будет увеличиваться расстояние между элементами в ней). Если при этом объем, ограниченный по всей глубине полости площадью самого тонкостенного участка электрода, занят только поверхностными элементами, размещенными на этом участке электрода без отверстия, и диэлектрической жидкостью, то вблизи его продольной оси она, получая тепло от наиболее нагретых деталей полости, начинает конвекционное движение вверх, а по периферии на смену более нагретой устремляется поток менее нагретой диэлектрической жидкости извне полости. Причем постепенное увеличение высоты групп поверхностных элементов способствует эффективному теплообмену потока диэлектрической жидкости с каждой из них из-за отсутствия полной взаимной экранировки, а ограничение минимальной площади сечения полости позволяет уменьшить перемешивание разнотемпературных потоков диэлектрической жидкости. Менее нагретые участки электрода без отверстия и токоподвода к нему с поверхностными элементами, не определяя циркуляцию потока диэлектрической жидкости, участвуют в процессе теплообмена. Поскольку полый электрод с отверстием расположен в газовой среде, эвакуация тепла от него происходит через тепловой контакт с токоподводом, токоподвод и диэлектрическую жидкость. При этом вблизи контакта с электродом с отверстием радиальной части токоподвода, на его аксиальном участке, размещены контактирующие с диэлектрической жидкостью группы теплоэлектропроводящих поверхностных элементов, суммарная площадь поверхности каждой из которых меньше, чем у радиальной части токоподвода, и убывает по мере удаления группы от него. При данном соотношении также исключается полная взаимная экранировка как групп металлических поверхностных элементов относительно друг друга, так и какой-либо группы и радиального участка токоподвода, воспринимающего максимальную тепловую нагрузку от основного электрода с отверстием.

В процессе экспериментальной отработки разрядника были опробованы варианты без поверхностных элементов и с ними. При одном и том же времени работы, несмотря на то, что коммутируемая разрядником без поверхностных элементов энергия была почти в два раза ниже, чем для разрядника с поверхностными элементами, в последнем варианте за один и тот же промежуток времени зафиксирован практически в два раза меньший прирост давления газовой смеси, обусловленный ее нагревом.

Для повышения в ряде случаев эффективности отбора тепла от аксиальной части токоподвода к электроду с отверстием, охватывающей электрод без отверстия и часть токоподвода к нему, на ней могут быть размешены контактирующие с диэлектрической жидкостью дополнительные группы теплоэлектропроводящих поверхностных элементов.

При изготовлении электродов и токоподводов из металлов с высокими значениями теплопроводности (например, медь, сталь) целесообразно выполнять все поверхностные элементы заодно с местом размещения. А для снижения напряженности электрического поля на поверхностных элементах, расположенных вне полости, ребра и вершины этих элементов должны быть выполнены скругленными.

Сильноточный газонаполненный разрядник показан на чертеже.

Сильноточный газонаполненный разрядник содержит диэлектрический корпус 1 с герметично закрепленными на нем металлическими токоподводом 2 к основному электроду без отверстия 3 и токоподводом 4 к основному полому электроду 5 отверстием, в котором соосно на токоподводе 6 с изолятором 7 размещен напротив электрода 3, управляющий электрод 8. На участке 9 электрода 3. выполненном вблизи минимального межэлектродного промежутка с наименьшей толщиной, концентрично установлены группы теплопроводящих поверхностных элементов10. На остальных участках электрода 3 и токоподвода 2 размещены теплопроводящие поверхностные элементы 11. Вблизи контакта электрода 5 с радиальной частью токоподвода 4, на аксиальной части последнего, расположены группы теплоэлектропроводящих поверхностных элементов 12. На аксиальной части токоподвода 4, охватывающей электрод 3 и часть токоподвода 2 к нему, размещены группы теплоэлектропроводящих поверхностных элементов 13. Газовая смесь 15 заполняет внутренний объем разрядника, окруженного диэлектрической жидкостью 14.

Конструкция конкретного исполнения разрядника в основном соответствует чертежу. При этом токоподводы к основным электродам выполнены из стали толщиной до 3 мм, электрод без отверстия также выполнен из стали с толщиной и диаметром наиболее тонкостенного участка соответственно 1,5 и 17 мм и сочленен со своим токоподводом с помощью резьбового соединения с уплотнением. Полый электрод диаметром 40 мм с отверстием и управляющий электрод изготовлены из сплава ВНЖ (вольфрам, никель, железо). Диэлектрический корпус выполнен из органического стекла. Все поверхностные элементы были изготовлены заодно с местом их размещения путем резки канавок в заготовке на токарном станке и обеспечивали увеличение площади теплоотдающей поверхности от 3 (для наиболее тонкостенного участка электрода без отверстия) до 1,5 раз. Внутренний объем разрядника заполнялся смесью элегаза (10%) и азота (90%) до давления 3,5 ати при межэлектродном промежутке 7,0 мм. Напряжение на емкостном накопителе и амплитуда тока, коммутируемые разрядником с частотой 20 Гц, составляли 80 кВ и 80 кА соответственно. Разрядник непрерывно работал в описанном режиме 12 минут. Давление газовой смеси в разряднике контролировалось визуально с помощью манометра. При этом в течение первых 4-х минут работы отмечалось увеличение давления до 4,0 ати, а в последующие 8 минут давление оставалось стабильным. Задержка срабатывания разрядника относительно пускового импульса, измеряемая непрерывно в течение цикла работы, составляла 16±2 нс. После окончания работы и разборки разрядника был обнаружен лишь износ управляющего электрода, потребовавший его замены.

Работа сильноточного газонаполненного разрядника рассматривается далее на примере однокаскадного ГИН с резистивной нагрузкой. К токоподводу 2 основного электрода без отверстия 3 подключена обкладка емкостного накопителя, соединенная с цепью отрицательной полярности источника высокого напряжения, а другая его обкладка подключена к цепи, соединенной с заземленной шиной. К токоподводу 4 основного полого электрода 5 с отверстием подключен первый вывод сопротивления нагрузки, второй вывод которого соединен с заземленной шиной. После подачи на управляющий электрод 8 импульса запуска положительной полярности происходит формирование разряда между управляющим 8 и основными электродами 3, 5 с последующим замыканием основных электродов 3, 5 и подключением нагрузки параллельно емкостному накопителю. Тепловая энергия, генерируемая каналом разряда, поступает, как описано выше, к основным электродам 3, 5 разрядника. При этом наибольшая ее часть, поступившая к основному электроду без отверстия 3, оснащенному теплопроводящими поверхностными элементами 10, 11, эвакуируется в диэлектрическую жидкость 14, а оставшееся тепло при распространении по токоподводу 2, эффективно сбрасывается в поток той же жидкости. Тепловая энергия, поступившая к основному полому электроду 5 с отверстием, нагревает его и окружающий газ 15, а затем передается радиальной части токоподвода 4 и ближайшему к ней аксиальному участку с теплоэлектропроводящими поверхностными элементами 12 и далее в диэлектрическую жидкость 14. Протяженные токоподводы 2, 4 с повышенной благодаря поверхностным элементам 11, 13 теплоотдачей участвуют и в охлаждении газовой смеси 15 разрядника, соприкасающейся с ними. После разряда емкостного накопителя и восстановления электрической прочности разрядного промежутка происходит зарядка емкостного накопителя и повторение с заданной частотой вышеописанных процессов. При этом по мере разогрева электродов 3, 5 разрядника устанавливается циркуляция диэлектрической жидкости 14, окружающей его, и тепловой баланс элементов разрядника. Установление теплового баланса характеризуется прекращением небольшого роста давления газовой смеси 15, контролируемого с помощью датчика давления.

Таким образом, предлагаемый вариант разрядника по сравнению с прототипом имел при испытаниях по крайней мере в четыре раза больший ресурс работы, ограниченный лишь эрозионным износом электродов.

Изобретение относится к высоковольтной импульсной технике, а именно к сильноточным газонаполненным разрядникам, и может быть использовано для частотно-импульсной коммутации емкостных накопителей высоковольтных формирующих цепей, например, в генераторах импульсных напряжений. Техническим результатом является увеличение ресурса работы в частотно-импульсном режиме без принудительной циркуляции теплоносителя. Сильноточный газонаполненный разрядник, содержит диэлектрический корпус с аксиально установленными в нем двумя металлическими разнотолщинными электродами, один из которых выполнен полым с отверстием с размещенным в нем соосно управляющим электродом, и токоподводами к ним, контактирующими с диэлектрической жидкостью, окружающей разрядник, и закрепленными на торцах корпуса таким образом, что токоподвод к полому электроду с отверстием охватывает электрод без отверстия и часть токоподвода к нему; электрод без отверстия с токоподводом к нему образует аксиально протяженную, открытую со стороны диэлектрической жидкости полость, и имеет наименьшую толщину стенок вблизи минимального межэлектродного промежутка. В указанной полости размещены теплопроводящие поверхностные элементы, первая часть которых сформирована в группы, концентрично расположенные на участке электрода с наименьшей толщиной стенок. Вторая их часть размещена на остальной поверхности электрода и токоподвода к нему, вне объема, ограниченного площадью самого тонкостенного участка электрода по всей глубине полости. На аксиальном участке радиальной части токоподвода вблизи контакта с электродом с отверстием размещены контактирующие с диэлектрической жидкостью группы теплоэлектропроводящих поверхностных элементов, суммарная площадь поверхности каждой из которых меньше, чем у радиальной части токоподвода, и убывает по мере удаления группы от него. Все поверхностные элементы разрядника могут быть выполнены заодно с местом размещения. Ребра и вершины всех теплоэлектропроводящих поверхностных элементов, расположенных вне полости, могут быть выполнены скругленными. На аксиальной части токоподвода к электроду с отверстием, охватывающей электрод без отверстия и часть токоподвода к нему, могут быть размещены контактирующие с диэлектрической жидкостью дополнительные группы теплоэлектропроводящих поверхностных элементов. 3 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Сильноточный газонаполненный разрядник, содержащий диэлектрический корпус с аксиально установленными в нем двумя металлическими разнотолщинными электродами, один из которых выполнен полым с отверстием с размещенным в нем соосно управляющим электродом, и токоподводами к ним, контактирующими с диэлектрической жидкостью, окружающей разрядник, и закрепленными на торцах корпуса таким образом, что токоподвод к полому электроду с отверстием охватывает электрод без отверстия и часть токоподвода к нему, отличающийся тем, что электрод без отверстия с токоподводом к нему образует аксиально протяженную, открытую со стороны диэлектрической жидкости полость и имеет наименьшую толщину стенок вблизи минимального межэлектродного промежутка, причем в полости, площадь любого поперечного сечения которой не меньше, чем у наиболее тонкостенного участка электрода без отверстия, размещены теплопроводящие поверхностные элементы, первая часть которых сформирована в группы, концентрично расположенные на участке электрода с наименьшей толщиной стенок таким образом, что по мере удаления от центра суммарная площадь поверхности любой последующей из них не увеличивается, вторая их часть размещена на остальной поверхности электрода и токоподвода к нему вне объема, ограниченного площадью самого тонкостенного участка электрода по всей глубине полости, а вблизи контакта с электродом с отверстием радиальной части токоподвода на его аксиальном участке размещены контактирующие с диэлектрической жидкостью группы теплоэлектропроводящих поверхностных элементов, суммарная площадь поверхности каждой из которых меньше, чем у радиальной части токоподвода, и убывает по мере удаления группы от него.2. Разрядник по п.1, отличающийся тем, что все поверхностные элементы выполнены заодно с местом размещения.3. Разрядник по п.1, отличающийся тем, что ребра и вершины всех теплоэлектропроводящих поверхностных элементов, расположенных вне полости, выполнены скругленными.4. Разрядник по п.1, отличающийся тем, что на аксиальной части токоподвода к электроду с отверстием, охватывающей электрод без отверстия и часть токоподвода к нему, размещены контактирующие с диэлектрической жидкостью дополнительные группы теплоэлектропроводящих поверхностных элементов.