ПРОХОДНОЙ СЕКЦИОНИРОВАННЫЙ ИЗОЛЯТОР Российский патент 2016 года по МПК H01B17/26 

Изобретение относится к электротехнике, в частности к высоковольтной импульсной технике, и может быть использовано при проектировании высоковольтных секционированных изоляторов для вакуумных камер.

Известен проходной секционированный изолятор, содержащий чередующиеся изоляционные слои и электропроводящие прокладки [1].

Однако в местах соединений изоляционных слоев и прокладок из-за неплотностей, образуются повышенные напряженности электрического паля, которые могут вызвать перекрытие по боковой вакуумной поверхности диэлектрика.

Известен секционированный изолятор, в котором электропроводящие прокладки снабжены кольцевыми выступами, повышающими плотность соединения изоляционных слоев и прокладок [2].

Недостатком этого устройства является незащищенность диэлектрических поверхностей, находящихся в вакууме, от попадания электронов, которые, накапливаясь, изменяют распределение потенциала по длине изолятора, стимулируют ионизационные процессы на стенках, участвуют в разрушении элементов секций вследствие бомбардировки.

Известен проходной секционированный изолятор, являющийся корпусом высоковольтной разрядной трубки, в котором между положительно и отрицательно заряженными электродами размещены изоляционные слои, разделенные электропроводящими прокладками. С вакуумной стороны прокладки снабжены металлическими экранами, представляющими собою тонкостенные цилиндрические поверхности, отходящие от прокладок в сторону отрицательно заряженного электрода.

Назначение экранов - предотвратить попадание электронов на поверхность диэлектриков [3]. Однако для уменьшения влияния поля экранов на распределение потенциала по высоте поверхности диэлектрического слоя они удалены от указанной поверхности на расстояние, значительно превышающее зазор между ними. Тем самым радиальные размеры изолятора увеличены. Кроме того, на границе раздела вакуум - твердый диэлектрик вблизи расположения отрицательно заряженного электрода молекулы твердого диэлектрика поляризуются и вызывают усиление электрического поля. Это приводит к снижению электрической прочности вдоль боковой поверхности изоляционных слоев, а вследствие этого снижается надежность всего изделия.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату является проходной секционированный изолятор, содержащей два плоских электрода, один из которых имеет по оси отверстие, расположенные между ними и чередующиеся между собой изоляционные слои в виде колец и электропроводящие прокладки, и электропроводящие экраны в виде цилиндров, соединенные с внутренней поверхностью прокладок и направленные в сторону другого электрода, геометрические размеры элементов секций выбраны из условий

h - расстояние между торцом экрана и соседней электропроводящей прокладкой;

d - высота изоляционного слоя;

а - радиус закругления торцовой части экрана;

V - рабочее напряжение на изоляторе;

N - количество секций;

U_σ - энергия первичных электронов, при которой коэффициент вторичной эмиссии материала изоляционного слоя о на исходящей ветви зависимости равен 1;

b - расстояние между проекцией экрана на соседнюю проводящую прокладку и внутренним краем изоляционного слоя;

ε_д - относительная диэлектрическая проницаемость материала изоляционного слоя.

Основным недостатком прототипа является то, что экраны в секционированном изоляторе имеют фиксированные геометрические размеры, что не позволяет изменять степень экранировки изоляционных слоев изолятора, и за счет этого подстраивать изолятор на максимальную электрическую прочность вдоль вакуумной боковой поверхности изоляционных слоев, а вследствие этого повысить надежность всего изделия.

Кроме того, для реализации конструкции, необходимо осуществлять расчеты величин h, d, и b, используя, априори выбранные величины а и N, а также весьма статистически неоднозначные величины U_σ, σ. Расстояние h между торцом экрана и соседней электропроводящей прокладкой выбирается из неравенства (1), указанного выше, и может принимать значение, отличающиеся один от другого почти в 2 раза. Все это усложняет процесс определения параметров элементов изолятора и не позволяет настраивать изолятор на максимальную электрическую прочность.

Техническая задача, стоящая в рамках настоящего изобретения состоит в придании изолятору возможности регулировки степени экранирования изоляционных слоев, что позволяет настраивать изолятор на максимальную электрическую прочность без изменения его габаритов, улучшать его эксплуатационные характеристик.

Поставленная задача решается тем, что в проходной секционированный изолятор, содержащий два плоских электрода, один из которых имеет по оси отверстие, расположенные между ними чередующиеся между собой изоляционные слои в виде колец и электропроводящие прокладки, и электропроводящие экраны в виде цилиндров, соединенных с внутренней поверхностью прокладок и направленных в сторону другого электрода, экраны выполнены из электропроводной тонкостенной ленты в виде сильфонов с двойными стенками, межу которыми образована герметичная полость, внутренний диаметр экранов выполняют равным внутреннему диаметру градиентного кольца, один торец экранов герметично соединяют с соответствующими градиентными кольцами, в каждом из которых выполняют радиальные каналы, один конец канала сообщается с внутренней герметичной полостью между стенками сильфона, а к другому концу канала прикреплен штуцер с золотником, причем экраны располагают так, чтобы торец каждого экрана, не соединенный с градиентным кольцом, был направлен по градиенту электрического поля в сторону соседнего градиентного кольца, имеющего более электроотрицательный потенциал по отношению к экрану.

На фиг. 1 изображено предлагаемое устройство, общий вид. На фиг 2 изображен график зависимости пробивного напряжения вакуумной поверхности секции изолятора от расстояния h между торцом экрана и соседним градиентным кольцом. Фиг. 1 и фиг. 2 служат для пояснения сущности изобретения. На фиг. 1 введены следующие обозначения: 1 - электрод (крышка изолятора); 2 - второй электрод, имеющий по оси отверстие (фланец изолятора); 3 - изоляционные слои; 4 - электропроводящие слои (градиентные кольца); 5 - экраны; 6 - сварочный шов; 7 - герметичная полость межу стенками экрана; 8 - диэлектрические шпильки; 9 - катододержатель; 10 - радиальные каналы; 11 - гайки; 12 - штуцер с золотником; 13 - делитель напряжения; 14 - уплотняющая манжета.

Сущность заявляемого устройства заключается в следующем. Электрическая прочность диэлектрика в вакууме зависит от ряда факторов. Среди них можно назвать такие, как толщина диэлектрика, конфигурация поля, материал диэлектрика, вид и форма напряжения, величины остаточного давления с вакуумной стороны и др. В высоковольтных проходных изоляторах, используемых, в частности в виде корпусов пушек электронных импульсных ускорителей, на крышку 1 изолятора обычно подают отрицательный потенциал, а фланец 2 изолятора заземляют. При достаточно высоком отрицательном напряжении с поверхности крышки изолятора 1 (фиг. 1) и поверхности катододержателя 9 начинают эмитироваться электроны, которые попадают на поверхность диэлектрических секций (изоляционных слоев) 3, вызывая вторичную эмиссию, что, в конечном счете, приводит к пробою по вакуумной поверхности изолятора. Опыты показывают, что уровень пробивного напряжения вакуумной поверхности секции изолятора 3 в значительной степени зависит от того, насколько хорошо экранирована упомянутая вакуумная сторона секции. Для экранировки поверхности изолятора используют экраны, которыми снабжены градиентные кольца (электропроводящие слои) 4. Экраны своими торцами должны быть направлены по градиенту электрического поля в сторону соседнего градиентного кольца, имеющего более электроотрицательный потенциал по отношению к экрану. Такое направление экранов обусловлено тем, что пробивное напряжение вакуумного промежутка зависит от того, насколько электрическое поле вакуумного промежутка неоднородно, и возле какого электрода сильнее выражена эта неоднородность. Это наглядно демонстрируют, например графики, приведенные в работе [5]. Из этих графиков следует, что электрическая прочность одного и того же по величине вакуумного промежутка при неоднородности в области катода в 2-2,5 раза ниже, чем электрическая прочность такого же по величине вакуумного промежутка при смене полярности электродов. Именно по этой причине экраны располагают так, чтобы основная неоднородность электрического поля приходилась на положительный электрод, а именно на незакрепленный торец экрана. Пробивное напряжение вакуумной стороны диэлектрической секции зависит от степени ее экранировки. Этот факт наглядно демонстрирует график, приведенный на фиг. 2, показывающий зависимость электрической прочности поверхности вакуумной стороны секции изолятора, характеризующийся уровнем пробивного напряжения, от величины зазора h между торцом экрана и соседним градиентным кольцом, заряженным отрицательно по отношению к экрану. При отсутствии экранов величина напряжения на диэлектрической секции 3 изолятора ограничена электрической прочностью вакуумной поверхности толщиной d диэлектрической секции (см. фиг. 2). С присутствием экранов величина напряжения на секции изолятора определяется уже электрической прочностью совокупности параллельно соединенных между собой экранированной вакуумной поверхности диэлектрической секции 3 и вакуумного зазора h между торцом экрана и соседним градиентным кольцом, заряженным отрицательно по отношению к экрану. Величину электрической совокупности можно изменять в широких пределах, изменяя величину вакуумного зазора h. При электрическом контакте торца экрана со смежным градиентным кольцом (h=0), прочность совокупности вакуумный зазор h - боковая поверхность вакуумной стороны секции изолятора равна 0 (секция закорочена). При увеличении вакуумного зазора h электрическая прочность указанной совокупности возрастает и определяется, до точки h=h_опт, электрической прочностью вакуумного зазора. В точке h=h_опт электрическая прочность вакуумного зазора становится равной электрической прочности вакуумной поверхности диэлектрической секции 3 изолятора. Причем электрическая прочность боковой поверхности секции 3 с экранированием от внешних воздействий в точке h=h_опт в несколько раз выше электрической прочности той же поверхности, но без экранирования. При дальнейшем увеличении вакуумного зазора (h>h_опт) электрическая прочность совокупности изоляционный слой вакуумной поверхности диэлектрической секции изолятора и вакуумного зазора величиной h снижается. При этом снижение электрической прочности боковой поверхности секции происходит из-за снижения эффективности экранировки секции. При равенстве величины вакуумного зазора толщине боковой поверхности диэлектрической секции h=d (экранировка отсутствует) электрическая прочность указанной выше совокупности равняется электрической прочности неэкранированной поверхности секции изолятора.

Таким образом, для достижения наибольшей электрической прочности изолятора необходимо настроить изолятор так, чтобы прочность вакуумных зазоров h между торцами экранов и соседними отрицательно заряженными по отношению к экрану градиентными кольцами равнялась электрической прочности экранированных боковых поверхностей диэлектрических секций изолятора. Настройку изолятора на оптимальное напряжение осуществляют при помощи изменения давления Р внутри полостей 7 между стенками гофрированного экрана 5 изолятора, выполненных из электропроводной металлической ленты.

Пример конкретного выполнения. По заявляемому способу изготавливали проходной вакуумный изолятор высокого напряжения. Изолятор собирали из одинаковых по конструкции и геометрическим размерам диэлектрических секций 3, и чередующиеся с ними идентичных между собой электропроводящих градиентных колец 4, которые располагали межу двумя электродами, одним из которых служила отрицательно заряженная крышка 1 изолятора, а другим электродом служит заземленный фланец 2, изолятора. К крышке изолятора был механически присоединен (прикручен по резьбе, на фиг. 1 не показано) катодоржатель 9, выполненный в виде трубы из нержавеющей стали. Крышку 1, упомянутые секции 3, чередующиеся с ними градиентные кольца 4 и фланец 2 стягивали в единую конструкцию при помощи диэлектрических стяжек 8, выполненных из капролактама. Для равномерного распределения рабочего высоковольтного напряжения по секциям изолятора служил делитель напряжения 13, собранный из безиндуктивных сопротивлений R=150. Сопротивления последовательно присоединялись к градиентным проводящим кольцам 4. Каждое электропроводящее градиентное кольцо изолятора 4 было выполнено из нержавеющей листовой стали толщиной 8 мм. Градиентные кольца были снабжены гофрированными двустенными цилиндрическими экранами, выполненными из листовой нержавеющей стали. Толщина стенки экранов δ была равна 0,1 мм. Торцы экранов были повернуты в сторону крышки 1, на которую в процессе эксплуатации изолятора подают отрицательный высоковольтный импульс. Внутренний диаметр цилиндрических экранов выполняли равным внутреннему диаметру градиентных колец, равный, в рассматриваемом случае 300 мм. Внешний диаметр по гофрам был равен 340 мм. Исходная высота экрана L₀=27 мм. Число гофр равнялось 4. Рабочий ход был равен h₁=9 мм. Экраны располагали так, чтобы торец экрана, не соединенный с градиентным кольцом, был направлен по градиенту электрического поля в сторону крышки изолятора 1. Диэлектрические секции 3, изолятора выполняли из полиэтилена. Толщина секции d равнялась 35 мм. В каждом градиентном кольце 4 был просверлен один радиальный канал 10 диаметром 2 мм. Один конец канала сообщается с внутренней герметичной полостью 7 между стенками сильфона, а к другому концу канала прикреплен штуцер с золотником 12.

Элементы изолятора собирали в единую конструкцию при помощи капролактамовых стяжки 8, и гаек 11. Один конец стяжек 8 при помощи гаек 10 закрепляли к фланцу 2. Вторые концы капролактамовых стяжек, с нарезанной на них резьбой закрепляли гайками 10 к крышке изолятора 1. Количество диэлектрических секций в изоляторе было равно 20. Настройку изолятора на оптимальные режимов работы, осуществляли при помощи изменения давления внутри герметичных полостей 7, через золотники 11. Давление внутри полостей 7 плавно изменяли при помощи системы подачи сжатого газа (баллон со сжатым газом и редуктор - на фиг. 1 не показано).

Изменением степени экранировки путем перемещения экранов удается увеличить пробивное напряжение изолятора с 700 кВ при длительности импульсов 0,2 мкс и полном токе 30-35 кА до 1520 кВ при длительности импульсов 0,5 мкс и полном токе 35 кА. Оптимальный вакуумный зазор, при котором наблюдается максимальная электрическая прочность, составлял h=h_опт=4 мм. Давление в полости между стенками экрана, при зазоре в 4 мм было равно 1,7 атм=172,25 кРа.

Для сравнения с прототипом на фиг. 2 отмечены 2 точки h=0,2d и h=0,35d, выбранные по соотношению (1) из прототипа. Как следует на фиг. 2 величина пробивного напряжения в изоляторе - прототипе будет лежать в диапазоне от 1000 до 1360 кВ, что существенно ниже, чем в заявляемом изоляторе.

Таким образом, при изменении степени экранировки удается повысить прочность изолятора по сравнению с прототипом более чем в 1,2-1,5 раза. Преимуществом предлагаемого устройства является возможность изменять электрическую прочность в широких пределах, добиваясь ее оптимального значения, не прибегая при этом к разборке изолятора. Указанное свойство изолятора дает возможность проектировщикам высоковольтных секционированных изоляторов экспериментально определять ту величину вакуумного зазора между экраном и соседним градиентным кольцом, которая необходима для достижения наилучшего эффекта.

Источники информации

1. Приборы и техника эксперимента, 1974, №3, с. 17-20.

2. Авторское свидетельство СССР №547845, кл. H01B 1 7/26, 1977.

3. Патент Великобритании №859544, кл. 39 (1)D, 1961.

4. Авторское свидетельство СССР №866581, МКИ H01B 17/26; H01B 17/42. Проходной секционированный изолятор//Г.М. Кассиров, Г.П. Кокаревич, Г.В. Смирнов и А.Л. Филатов// Опубликовано 23.09.1981. Бюллетень №35. Дата опубликования описания 03.10.1981 (прототип).

5. Смирнов Г.В. Экспериментальное изучение вакуумного пробоя сантиметровых промежутков на импульсах микросекундной длительности. - г. Томск, канд. диссертация, 1974, с. 51 рис. 32.

Изобретение относится к электротехнике, в частности к высоковольтной импульсной технике, и может быть использовано при проектировании высоковольтных секционированных изоляторов для вакуумных камер. Новым является то, что в проходной секционированный изолятор, содержащий два плоских электрода, один из которых имеет по оси отверстие, расположенные между ними чередующиеся между собой изоляционные слои в виде колец и электропроводящие прокладки, и электропроводящие экраны в виде цилиндров, соединенных с внутренней поверхностью прокладок и направленных в сторону другого электрода, экраны выполнены из электропроводной тонкостенной ленты в виде сильфонов с двойными стенками. Изобретение обеспечивает возможность изменять электрическую прочность в широких пределах, добиваясь ее оптимального значения. 2 ил.

Проходной секционированный изолятор, содержащий два плоских электрода, один из которых имеет по оси отверстие, расположенные между ними чередующиеся между собой изоляционные слои в виде колец и электропроводящие прокладки, и электропроводящие экраны в виде цилиндров, соединенных с внутренней поверхностью прокладок и направленных в сторону другого электрода, отличающийся тем, что экраны выполнены из электропроводной тонкостенной ленты в виде сильфонов с двойными стенками, межу которыми образована герметичная полость, внутренний диаметр экранов выполняют равным внутреннему диаметру градиентного кольца, один торец экранов герметично соединяют с соответствующими градиентными кольцами, в которых выполняют радиальные каналы, один конец канала сообщается с внутренней полостью между стенками сильфона, а к другому концу канала прикреплен штуцер с золотником, причем экраны располагают так, чтобы торец каждого экрана, не соединенный с градиентным кольцом, был направлен по градиенту электрического поля в сторону соседнего градиентного кольца, имеющего более электроотрицательный потенциал по отношению к экрану.