СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ РАЗРЯДНИКА С ВОДОРОДНЫМ НАПОЛНЕНИЕМ Российский патент 2015 года по МПК H01J17/02 

Изобретение относится к газоразрядной технике и может быть использовано при разработке разрядников с водородным наполнением, имеющих большую долговечность и высокую стабильность динамического напряжения пробоя.

Известен способ изготовления газоразрядного прибора, включающий сборку элементов конструкции, пайку, наполнение рабочим газом с последующей тренировкой [авт. свидетельство СССР №465672, H01J 9/14, 1975 г.].

Известен также способ изготовления газонаполненного разрядника, включающий сборку прибора, пайку, тренировку в среде инертного газа, откачку и наполнение рабочим газом [патент США №3023069, 316-26, 1926].

Общим недостатком указанных выше способов является то, что они не пригодны для изготовления разрядников с водородным наполнением, т.к. в процессе работы таких разрядников при изготовлении их указанными способами наблюдается напыление токопроводящих продуктов эрозии материала электродов на изоляционную оболочку прибора, приводящее к неравномерному распределению потенциала электрического поля вдоль образующей поверхности изоляционной оболочки, которое по мере напыления продуктов эрозии материала электродов создает на поверхности изоляционной оболочки напряженность электрического поля, превышающую критическую, при которой развивается пробой, приводящий к потере электрической прочности.

Наиболее близким к заявленному изобретению является способ изготовления разрядника с водородным наполнением, заключающийся в размещении элементов конструкции в оболочке, включающей изолятор, наполнении оболочки электроотрицательным газом, например элегазом или его смесью с инертным газом и/или азотом, тренировке с последующим удалением газа из оболочки, промывке ее водородом и наполнении рабочим газом до давления, обеспечивающего заданное напряжения динамического пробоя [патент РФ №2313849, H01J 7/20, 2006 г. - прототип].

Тренировка газонаполненных разрядников в элегазе приводит к разложению шестифтористой серы в результате окислительно-восстановительной реакции с металлическими парами материала электродов, образующихся в разряде. Продуктами разложения являются SF₄, S₂F₂, SF₂, окислы материала электродов и сера, которые осаждаются на внутренней поверхности элементов разрядника. Продукты разложения не являются токопроводящими, поэтому они не влияют на распределение электрического поля вдоль образующей изолятора и, следовательно, не снижают его электрическую прочность.

В процессе работы разрядника с водородным наполнением на изоляционной поверхности его оболочки вследствие неравномерного осаждения токопроводящих продуктов эрозии материалов электродов, образующихся в восстанавливающей среде водорода, происходит перераспределение потенциала электрического поля вдоль образующей поверхности изолятора и создаются условия для скользящего пробоя по изолятору. Наличие же предварительно осажденного материала, содержащего низшие фториды серы, тормозит развитие разряда по внутренней поверхности изолятора и способствует экранированию неоднородностей металлических поверхностей оболочки разрядника, образующихся при изготовлении в процессе механической обработки и, тем самым, повышает электрическую прочность разрядника.

Основным недостатком данного способа изготовления разрядника является низкая стабильность динамического напряжения пробоя в процессе наработки, что является важным фактором, ограничивающим его долговечность.

Задачей предлагаемого изобретения является создание способа, позволяющего изготавливать разрядники с водородным наполнением, обладающих большой долговечностью и высокой стабильностью динамического напряжения пробоя за счет повышения электрической прочности и стабильной по времени предварительной ионизации разрядного промежутка скользящим коронным разрядом по изолятору в непосредственной близости от момента его пробоя.

Указанный технический эффект достигается тем, что в известном способе изготовления разрядника с водородным наполнением, заключающемся в размещении элементов конструкции в оболочке, включающей изолятор, наполнении оболочки электроотрицательным газом, например элегазом или его смесью с инертным газом и/или азотом, тренировке с последующим удалением газа из оболочки, промывке ее водородом и наполнении рабочим газом до давления, обеспечивающего заданное напряжения динамического пробоя, после наполнения оболочки рабочим газом на электроды подают импульсы напряжения и проводят тренировку в рабочем режиме при условии примерного равенства динамического напряжения пробоя разрядного промежутка напряжению скользящего пробоя по внутренней поверхности изолятора.

Высокая электрическая прочность разрядников, изготовленных указанным способом, достигается за счет стабилизации разрядных процессов в основном межэлектродном промежутке и на внутренней поверхности изолятора, вызванной их взаимным регулирующим воздействием. Примерное равенство динамического напряжения пробоя основного разрядного промежутка напряжению скользящего коронирующего разряда по внутренней поверхности изолятора создает условие для стабильной по времени предварительной ионизации основного разрядного промежутка скользящим коронным разрядом по изолятору в момент, предшествующий пробою основного промежутка. Коронный скользящий разряд по изолятору в этом случае сильно стабилизирует разрядные процессы в основном разрядном промежутке и вызывает его пробой при максимальном динамическом напряжении. Пробой же основного разрядного промежутка шунтирует разрядные процессы по поверхности изолятора и тем самым защищает его от пробоя, что способствует значительному увеличению электрической прочности разрядника и, следовательно, долговечности.

Проведенный заявителем анализ уровня техники, включающий поиск по патентным и научно-техническим источникам информации, и выявление источников, содержащих сведения об аналогах заявленного изобретения, позволяет установить, что заявителем не обнаружен аналог, характеризующийся признаками, идентичными признакам заявленного изобретения, а определение из перечня выявленных аналогов прототипа как наиболее близкого по совокупности признаков аналога позволило выявить совокупность существенных по отношению к усматриваемому заявителем техническому результату отличительных признаков в заявленном объекте, изложенных в формуле изобретения.

Следовательно, заявленное изобретение соответствует требованию ″новизна″. Для проверки соответствия заявленного изобретения требованию ″изобретательский уровень″ был проведен дополнительный поиск известных решений с целью выявления признаков, совпадающих с отличительными от прототипа признаками заявленного изобретения, результаты которого показывают, что заявленное изобретение не следует для специалиста явным образом из известного уровня техники, так как не выявлены способы изготовления разрядников, позволяющие повысить долговечность и стабильность динамического напряжения пробоя за счет стабильной по времени предварительной ионизации разрядного промежутка скользящим коронирующим разрядом по внутренней поверхности изолятора в момент, предшествующий пробою основного разрядного промежутка в непосредственной близости от него, что обеспечивается условиями примерного равенства динамического напряжения пробоя и напряжения скользящего пробоя по внутренней поверхности изолятора, достигаемого выбором геометрических размеров межэлектродного расстояния S и длины образующей изолятора h для заданного вполне определенного значения динамического напряжения пробоя.

Способ изготовления высоковольтного искрового разрядника с водородным наполнением заключается в следующем.

После размещения элементов конструкции в оболочке разрядника, наполнении ее электроотрицательным газом, например элегазом (8Рб) или его смесью с инертным газом и/или азотом, с тренировкой в испытательном стенде при подаче импульсного напряжения на электроды разрядника с последующим удалением газа из оболочки, наполнении ее рабочим газом до давления, обеспечивающего требуемое динамическое напряжение пробоя, проводят тренировку в рабочем режиме при условии примерного равенства динамического напряжения пробоя разрядного промежутка напряжению скользящего пробоя по внутренней поверхности изолятора, которое определяется выбором геометрических размеров межэлектродного расстояния, габаритных размеров изолятора и величины давления наполняющего газа. Примерное равенство динамического напряжения пробоя разрядника напряжению скользящего пробоя по изолятору дает возможность предварительной ионизации основного разрядного промежутка на самом верхнем уровне в непосредственной близости от момента пробоя между электродами, что значительно повышает стабильность динамического напряжения пробоя. Стабилизирующее действие предварительной ионизации коронирующим разрядом по изолятору, не доводя его до искрового пробоя, определяется наличием предварительно осажденных слоев материала, содержащих низшие фториды серы, которые тормозят развитие разряда по оболочке изолятора, и регулирующим действием интенсивности свечения коронирующего разряда на динамическое напряжение пробоя разрядника. При возрастании напряжения на фронте импульса, приложенного к разрядному промежутку, происходит усиление интенсивности свечения скользящего коронирующего разряда на поверхности изолятора и, как следствие, возникает тенденция к снижению пробивного напряжения, которая, в свою очередь, стабилизирует интенсивность свечения коронирующего разряда и соответственно динамическое напряжение пробоя. Таким образом, происходят регулировка и стабилизация динамического напряжения пробоя при взаимном влиянии физических процессов в основном разрядном промежутке и на поверхности изолятора. По мере тренировки разрядника динамическое напряжение от импульса к импульсу растет и стабилизируется в пределах заданного значения, определяемого межэлектродным расстоянием и выбранным давлением наполняющего газа (водорода). Время тренировки определяется временем образования равномерной микроструктуры рабочих поверхностей электродов в заданном рабочем режиме с установившимся стабильным динамическим напряжением пробоя разрядника без сопутствующих скользящих пробоев по внутренней поверхности изолятора. В процессе тренировки динамическое напряжение пробоя разрядника плавно растет от импульса к импульсу до появления разовых скользящих пробоев, величина напряжения которых является ориентиром для динамического напряжения пробоя разрядника. Динамическое напряжение пробоя разрядника и импульсное напряжение скользящего пробоя по изолятору контролируются по осциллограмме. Осциллограмма напряжения скользящего пробоя по изолятору отличается от осциллограммы динамического напряжения пробоя разрядного промежутка формой импульса после пробоя, вызванной изменением параметров разрядного контура, в частности из-за увеличения индуктивности контура. Динамическое напряжение пробоя разрядника изменяется плавно за изменением напряжения скользящего пробоя по изолятору от импульса к импульсу до момента его стабилизации, при котором отсутствуют скользящие пробои по изолятору, и динамическое напряжение пробоя достигает максимального значения, определяемого межэлектродным расстоянием и давлением наполняющего газа при выполнении условия примерного равенства динамического напряжения пробоя разрядника и напряжения скользящего пробоя по изолятору. В установившемся режиме динамическое напряжение пробоя несколько ниже величины напряжения скользящего пробоя по изолятору из-за влияния коронирующего разряда по поверхности изолятора, поэтому пробой основного промежутка шунтирует коронирующие процессы на поверхности изолятора и защищает его от пробоя.

Для ускорения процесса тренировки в рабочем режиме разрядника с водородным наполнением, изготовленного по способу, оговоренному выше, необходимо подавать на электроды импульс напряжения в виде затухающей синусоиды с малым декрементом затухания (импульс формируется резонансным трансформатором Тесла при коммутации в его первичной цепи) со срабатыванием разрядника на переднем фронте первой полуволны с амплитудой практически в два раза меньшей второй полуволны противоположной полярности, при этом следует уменьшать амплитуду импульса до появления скользящего разряда по изолятору так, чтобы пробой происходил на второй полуволне затухающей синусоиды с последующим увеличением амплитуды до перевода пробоя разрядника на передний фронт первой полуволны импульса затухающей синусоиды и тренировать до установления высокой стабильности динамического напряжения пробоя без скользящих пробоев по внутренней поверхности изолятора. При уменьшении амплитуды импульса в виде затухающей синусоиды, у которого амплитуда первой полуволны значительно меньше второй отрицательной полуволны (форма импульса определена физикой работы резонансного трансформатора), пробой разрядника плавно переходит на передний фронт второй отрицательной полуволны. При этом воздействие импульса напряжения переменной полярности и большей длительности по сравнению с работой на переднем фронте первой полуволны значительно снижает электрическую прочность изолятора, вызывая скользящий пробой, который снижает и стабилизирует динамическое напряжение пробоя разрядного промежутка. Динамическое напряжение плавно растет вместе с ростом напряжения скользящего пробоя, и его величина примерно равна напряжению скользящего пробоя. Такой рост динамического напряжения пробоя продолжается до стабилизации физических процессов на внутренней поверхности изолятора, когда интенсивность свечения коронирующего разряда достигает такого уровня, что вызывает пробой основного разрядного промежутка прежде, чем создадутся условия для скользящего пробоя по изолятору. Пробой основного разрядного промежутка в процессе тренировки в основном опережает пробои по изолятору из-за подсветки промежутка коронирующими процессами на внутренней поверхности изолятора и при стабилизации разрядных процессов шунтирует коронирующие процессы по внутренней поверхности изолятора. Дальнейшая работа разрядника проходит при высокой стабильности динамического напряжения пробоя без сопутствующих скользящих пробоев по внутренней поверхности изолятора, что способствует значительному увеличению долговечности в заданном эксплуатационном режиме.

Пример конкретного выполнения.

Предлагаемый способ изготовления разрядника с водородным наполнением был апробирован при изготовлении серийно выпускаемых высоковольтных разрядников-обострителей РО-43, РО-49 с динамическим напряжением пробоя 190 кВ и 250 кВ соответственно. По результатам обработки статистических данных при их производстве и проведенным экспериментальным работам было установлено, что для выполнения условия примерного равенства динамического напряжения пробоя разрядного промежутка напряжению скользящего пробоя по внутренней поверхности изолятора в разрядниках РО-43 с длиной образующей изолятора h=32 мм с динамическим напряжением пробоя 190 кВ необходимо выбирать межэлектродное расстояние S=3^±0,1 мм и давление наполняющего газа - водорода р=70^±2 ати, а в разрядниках РО-49 с длиной образующей изолятора h=42 мм с динамическим напряжением 250 кВ необходимо выбирать S=3,5^±0,3 мм и давление водорода р=70^±3 ати.

Экспериментальные образцы разрядников, изготовленные на базе промышленных образцов разрядников-обострителей РО-43 и РО-49 с выбранными межэлектродными расстояниями и давлением наполняющего газа, необходимых для обеспечения требуемых величин динамического напряжения пробоя основного разрядного промежутка и импульсного напряжения скользящего пробоя по образующей внутренней поверхности изолятора, выполнены по предлагаемой технологии.

Экспериментальные образцы вначале наполнялись смесью газов на основе элегаза (SF₆) и азота N₂ в равном соотношении (50% SF₆, 50% N₂) до давления необходимого для получения заданного динамического напряжения пробоя 190 (РО-43) и 250 кВ(РО-49) и тренировались в рабочем режиме (U_дин.=190 кВ, J_a=1 кА, W_к=2 Дж - для РО-43 и U_дин.=250 кВ, J_a=1 кA, W_к=6 Дж - для РО-49) в течение 10⁵ пробоев. После тренировки отработанная смесь выпускалась в атмосферу и приборы промывались водородом. Затем разрядники наполнялись водородом до давления, обеспечивающего динамическое напряжение пробоя 190 кВ - для РО-43 и 250 кВ - для РО-49, и тренировались в рабочих режимах до момента стабилизации динамического напряжения пробоя разрядника. Для ускорения процесса тренировки в рабочем режиме на электроды разрядника подавались импульсы напряжения в виде затухающей синусоиды со срабатыванием на переднем фронте первой положительной полуволны, амплитуда которой практически в два раза меньше второй отрицательной полуволны. Далее амплитуда импульса уменьшалась до появления скользящего разряда по изолятору так, чтобы пробой происходил на второй полуволне затухающей синусоиды с последующим увеличением амплитуды до перевода пробоя разрядника на передний фронт первой полуволны затухающей синусоиды и проводилась тренировка до установления высокой стабильности динамического напряжения пробоя.

Высокая стабильность динамического напряжения пробоя разрядного промежутка достигается в нашем случае за счет предварительной ионизации основного разрядного промежутка коронирующим разрядом по изолятору на самом верхнем уровне в непосредственной близости от момента пробоя между электродами при выполнения условия равенства динамического напряжения пробоя импульсному напряжению скользящего пробоя по изолятору. Стабилизирующее действие предварительной ионизации коронирующим разрядом по изолятору, не доводя его до искрового пробоя (возможны разовые пробои по изолятору в процессе регулирования динамического напряжения пробоя при тренировке), определяется наличием на внутренней поверхности изолятора предварительно осажденных во время первой тренировки в элегазовой среде слоев материала, содержащих низшие фториды серы, которые тормозят развитие разряда по оболочке изолятора, и регулирующим действием интенсивности свечения коронирующего разряда на динамическое напряжение пробоя разрядника.

Изготовленные разрядники РО-43 и РО-49 по предлагаемой технологии и испытанные в рабочих режимах имеют долговечность более 2·10⁷ пробоев и относительный среднеквадратичный разброс динамического напряжения пробоя не более 1,5% в течение всей наработки.

Те же разрядники, но изготовленные по известной технологии и испытанные в тех же рабочих режимах, имеют долговечность не более 3·10⁶ пробоев и относительный среднеквадратичный разброс динамического напряжения пробоя не более 3% в течение 10⁶ пробоев.

Таким образом, заявленный способ изготовления позволяет создать разрядники с водородным наполнением с высокими долговечностью и стабильностью срабатывания.

Изобретение относится к газоразрядной технике и может быть использовано при разработке и изготовлении разрядников с водородным наполнением с большой долговечностью и высокой стабильностью динамического напряжения пробоя. Технический результат - повышение долговечности и стабильности динамического напряжения пробоя разрядника с водородным наполнением. Способ изготовления разрядника заключается в размещении элементов конструкции в оболочке, включающей изолятор, наполнении оболочки электроотрицательным газом, тренировке с последующим удалением газа из оболочки, промывке ее водородом и наполнении рабочим газом до давления, обеспечивающего заданное напряжения динамического пробоя. После наполнения оболочки рабочим газом на электроды подают импульсы напряжения и проводят тренировку в рабочем режиме при условии равенства динамического напряжения пробоя разрядного промежутка напряжению скользящего пробоя по внутренней поверхности изолятора. Длительность тренировки в рабочем режиме может быть уменьшена, если на электродах формировать импульс напряжения в виде затухающей синусоиды с малым декрементом затухания, срабатывание разрядника обеспечивать на переднем фронте первой полуволны с амплитудой практически в два раза меньшей амплитуды второй полуволны и уменьшать амплитуду импульса до появления скользящего разряда по изолятору на второй полуволне затухающей синусоиды с последующим увеличением амплитуды до перевода пробоя разрядника на передний фронт первой полуволны импульса затухающей синусоиды, после чего тренировать прибор до установления высокой стабильности динамического напряжения пробоя без скользящих пробоев по внутренней поверхности изолятора. 1 з.п. ф-лы.

1. Способ изготовления разрядника с водородным наполнением, заключающийся в размещении элементов конструкции в оболочке, включающей изолятор, наполнении оболочки электроотрицательным газом, тренировке с последующим удалением газа из оболочки, промывке ее водородом и наполнении рабочим газом до давления, обеспечивающего заданное напряжение динамического пробоя, отличающийся тем, что после наполнения оболочки рабочим газом на электроды подают импульсы напряжения и проводят тренировку в рабочем режиме, в процессе которой обеспечивают предварительную ионизацию разрядного промежутка коронным разрядом по изолятору на уровне напряжения в непосредственной близости от напряжения пробоя между электродами с исключением возможности пробоя по изолятору.

2. Способ изготовления разрядника с водородным наполнением по п. 1, отличающийся тем, что в процессе тренировки в рабочем режиме на электроды разрядника подают сформированный резонансным трансформатором при коммутации электрической энергии в его первичной цепи импульс напряжения в виде затухающей синусоиды с малым декрементом затухания и обеспечивают срабатывание разрядника на переднем фронте первой полуволны затухающей синусоиды, уменьшают амплитуду импульса до появления скользящего разряда по изолятору на второй полуволне затухающей синусоиды с последующим увеличением амплитуды до перевода пробоя разрядника на передний фронт первой полуволны затухающей синусоиды и тренируют до установления высокой стабильности динамического напряжения пробоя без скользящих пробоев по внутренней поверхности изолятора.