СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ РАЗРЯДНИКА С ВОДОРОДНЫМ НАПОЛНЕНИЕМ Российский патент 2019 года по МПК H01J17/20 H01J9/38 

Изобретение относится к газоразрядной технике и может быть использовано при разработке газонаполненных разрядников с водородным наполнением и позволит значительно уменьшить трудоёмкость их изготовления при сохранении высокой стабильности динамического напряжения пробоя (относительный среднеквадратичный разброс динамического напряжения пробоя порядка 1%) и большой долговечности - не менее 10⁷пробоев в заданном эксплуатационном режиме.

Известен способ изготовления разрядника с водородным наполнением, заключающийся в размещении элементов конструкции в оболочке, включающей изолятор, наполнении оболочки электроотрицательным газом (элегазом) или его смесью с инертным газом и/или азотом, тренировке с последующим удалением газа из оболочки, промывке её водородом и наполнении рабочим газом до давления, обеспечивающего заданное динамическое напряжение пробоя [Патент РФ № 2313849, Н0Ш7/20, 2007 г.].

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 8Р4, 82Р2, 8Р2, окислы материала электродов и сера, которые осаждаются на внутренней поверхности элементов разрядника. Продукты разложения и напыление на внутреннюю поверхность изолятора не являются токопроводящими, поэтому они не влияют на распределение электрического поля вдоль образующей изолятора и, следовательно, не снижают его электрическую прочность.

В процессе работы газонаполненного 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 осаждённого 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.

Известен также способ изготовления газонаполненного 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 её водородом и наполнении рабочим газом до давления, обеспечивающего заданное динамическое напряжение пробоя между электродами, после чего на электроды подают импульсы напряжения в виде затухающей синусоиды с малым декрементом затухания с пробоем разрядника на переднем фронте первой полуволны напряжения и проводят тренировку в рабочем режиме при условии, что динамическое напряжение пробоя между электродами находится на уровне напряжения скользящего пробоя по внутренней поверхности изолятора с исключением возможности пробоя по изолятору [Патент РФ № 2560096, НО 1Л 7/02,2015 г.].

Высокая электрическая прочность и стабильность динамического напряжения пробоя в разрядниках, изготовленных указанным способом, осуществляется за счёт 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 создаёт 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, предотвращает его от пробоя, что способствует значительному увеличению электрической прочности разрядника и, следовательно, долговечности.

При подаче импульсного высоковольтного напряжения на электроды разрядника возникают коронирующие разряды в непосредственной близости от спаев изолятора с острых кромок металлизации, заходящей на сопряжённую внутреннюю поверхность изолятора в виде усечённого конуса. При положительном напряжении на острой кромке металлизации у нижнего большего основания изолятора в результате действия импульсной короны образуется поверхностный ионный слой отрицательного заряда из-за прилипания электронов на продукты напыления с присутствием элементов галогенной группы (в нашем случае 8Р4, 82Р2, 8Р2, окислы материала электродов и сера). Очевидно, этот поверхностный слой отрицательного заряда влияет на процессы развития разряда в основном разрядном промежутке и по изолятору. Он стабилизирует вспышечную импульсную корону и гасит отдельные интенсивные стримеры, обеспечивая при этом опережающий пробой основного разрядного промежутка. Излучение импульсной короны с нижнего основания изолятора пронизывает весь объём разрядника, вызывая предыонизацию разрядного промежутка.

Из многолетних наблюдений в процессе исследований, разработок и производства разрядников-обострителей, импульсная корона, вероятно, возникает практически одновременно с искровым скользящим пробоем по внутренней поверхности изолятора с небольшим опережением. А при определённом выборе геометрических размеров изолятора (длины образующей), межэлектродного расстояния и давления наполняющего газа (водорода) энергия излучения импульсной короны будет максимальной и достаточной для обеспечения пробоя основного разрядного промежутка с очень высокой стабильностью, шунтирующее действие которого исключает скользящий пробой по изолятору. Недостатком такого способа изготовления разрядника является сильное влияние неточности выбора соотношения динамического напряжения пробоя и напряжения скользящего пробоя по внутренней поверхности изолятора при изготовлении группы приборов с разными межэлектродными расстояниями на стабильность динамического напряжения пробоя разрядника и его долговечность в заданном эксплуатационном режиме.

Наиболее близким к заявленному изобретению является способ изготовления газонаполненного 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 её водородом и наполнении первоначально рабочим газом до давления, при котором величина динамического напряжения пробоя и_Пб.дин. больше напряжения равновесного состояния Щ когда 11пб.дин..равно напряжению скользящего пробоя по внутренней поверхности изолятора 1Лж.пб. на 5 10%, после чего на электроды разрядника подают импульсы напряжения и тренируют до стабилизации динамического напряжения пробоя 11пб.дин., постепенно снижают давление до момента установления и_Пб.дин. на уровне напряжения скользящего пробоя Цж.пб. по внутренней поверхности изолятора с исключением возможности пробоя по изолятору и достижения заданного значения динамического напряжения пробоя, лежащего в пределах: 0,9 Уо < 11пб.дин.< 1,05 Щ где 1)о - напряжение

равновесного состояния, когда Ипб.дин.^ск.пб. [Патент РФ № 2658320, Н01Л7/02, НОШ/44, Н01Т1/00, 2018 г.- прототип].

Нахождение равновесного состояния в разряднике с заданным динамическим напряжением пробоя заключается в решение системы двух уравнений, выражающих зависимости динамического напряжения пробоя при выбранном межэлектродном расстоянии и напряжения скользящего пробоя по внутренней поверхности изолятора от давления наполняющего газа (водорода). Точка пересечения этих кривых есть графическое решение системы уравнений, и выражает равновесное состояние разрядника. Данная задача очень трудоёмкая и решается для каждого типа разрядника в процессе производства с использованием статистических данных. Следует учитывать, что разрядная кривая изолятора, т.е. 11_Ск.пб. = Р(р,Ь), где : и_ск.пб- напряжение скользящего пробоя по внутренней поверхности изолятора; р- давление наполняющего газа; Ь- длина образующей изолятора, для каждого из партии изготавливаемых разрядников отличается друг от друга и зависит от многих факторов, кроме геометрических размеров изолятора, рода и давления наполняющего газа. На величину напряжения скользящего пробоя по изолятору сильное влияние оказывает состояние кромки металлизации: толщина металлизации и степень её экранировки. По указанной выше причине разрядные кривые изоляторов с учётом технологии их изготовления (приготовление металлизирующей пасты и её нанесение вручную на изолятор) значительно отличаются друг от друга, что заведомо вносит ошибку в определении равновесного состояния.

Устранение возможной ошибки в предлагаемом способе изготовления газонаполненного разрядника с водородным наполнением для каждого типа разрядника, определяемого длинной образующей изолятора, осуществляется путём наполнения рабочим газом (водородом) до давления, при котором величина динамического напряжения пробоя Ппб дин. больше напряжения равновесного состояния (\]_Пб.т». ⁼ Пск.пб) = 11о) на 5 ^ 10%, после чего на электроды разрядника подают импульсы напряжения и тренируют до стабилизации динамического напряжения пробоя 11_пб.дин., постепенно снижают давление до момента установления 1_1пб.дин. на уровне 11<ж.пб. с исключением возможности пробоя по изолятору и достижения заданного значения динамического напряжения пробоя, лежащего в пределах: 0,9 11о < Ппб.дин. < 1,05 Щ, где 11о - напряжение равновесного состояния, когда 11_Пб.дин. = иск.пб.

Для рабочей точки, лежащей на динамической кривой выше точки равновесного состояния 11о характерны пробои по внутренней поверхности изолятора, которые фиксируются по осциллограмме напряжения между электродами разрядника. Уменьшение

давления внутри разрядника приводит к смещению рабочей точки вниз по динамической кривой и когда рабочая точка динамической кривой станет общей точкой с разрядной кривой (зависимость напряжения скользящего пробоя 11_Ск.пб. от давления р) изолятора наступит равновесное состояние, при котором отсутствуют скользящие пробои по изолятору.

Постоянство и высокая стабильность динамического напряжения пробоя после изготовления разрядника указанным выше способом, характеризует правильность выбора межэлектродного расстояния и давления наполняющего газа-водорода с целью получения равновесного состояния для заданного динамического напряжения пробоя разрядника.

К недостаткам этого способа изготовления следует отнести сравнительно большие временные затраты на нахождение равновесного состояния из-за непостоянства межэлектродного расстояния в партии приборов, вызванного разбросом геометрических размеров деталей.

Задачей предлагаемого изобретения является создание высокопроизводительного способа изготовления разрядников со снижением поля допуска межэлектродного промежутка в партии приборов каждого типа в зависимости от величины динамического напряжения пробоя.

Указанный технический эффект достигается тем, что в известном способе изготовления разрядника с водородным наполнением, заключающемся в размещении в полом металлическом корпусе в виде цилиндра первого металлокерамического электродного узла, включающего изолятор в виде полого усеченного конуса с первым электродом на его меньшем основании и второго электродного узла, состоящего из резьбовой крышки с вторым электродом по ее центру, герметизации разрядника, наполнении его электроотрицательным газом, тренировке с последующим удалением электроотрицательного газа, промывке водородом и наполнении рабочим газом до давления, обеспечивающего заданное динамическое напряжение пробоя с превышением на 5+10% относительно напряжения равновесного состояния, когда динамическое напряжение пробоя равно скользящему напряжению пробоя по изолятору (Ппб.дин.^ск.пб.), после чего на электроды разрядника подают импульсы напряжения и тренируют до стабилизации динамического напряжения пробоя 11пб.дин., постепенно снижают давление до момента установления 11_Пб._Дин. на уровне 11ск пб. с исключением возможности пробоя по изолятору и достижения заданного значения динамического напряжения пробоя, лежащего в пределах: 0,9 11о< и_пб.дин.< 1,05 11о, где 11о - напряжение равновесного состояния, когда и_пб.дин = Иск.пб., после размещения электродных узлов в металлическом корпусе замеряют значение статического напряжения

пробоя 11ст межэлектродного промежутка на воздухе, затем сравнивают величину измеренного напряжения 11ст. с величиной статического напряжения пробоя Истном номинального межэлектродного промежутка каждого типа разрядника, и их разницу уменьшают путём изменения межэлектродного расстояния до величины, при котором статическое напряжение пробоя равно статическому напряжению пробоя номинального разрядного промежутка с допуском ±0,3 кВ, после чего проводят герметизацию разрядника.

Приведение межэлектродного расстояния группы разрядников к номинальному значению приборов каждого типа в зависимости от выбранного типа прибора и заданного значения динамического напряжения пробоя позволяет определить с высокой точностью давление наполняющего газа (водорода) с превышением номинального давления на 5-10%. Что, в конечном итоге, значительно сокращает время тренировки, а, следовательно, и трудоёмкость изготовления.

Проведённый 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 проведён 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 значительно уменьшить их трудоёмкость за счёт того что после сборки и пайки металлокерамического электродного узла его размещают в металлическом корпусе в виде цилиндра и соединяют с одного конца аргонодуговой сваркой, второй электродный узел, состоящий из резьбовой крышки и электрода по центру, устанавливают со второго конца цилиндра с помощью резьбового соединения до упора и замеряют значение статического напряжения пробоя межэлектродного промежутка 11_ст на воздухе., после чего величину измеренного напряжения 11_ст. сравнивают с величиной статического напряжения пробоя номинального межэлектродного промежутка каждого

типа разрядника 11ст._Ном. и их разницу уменьшают путём изменения межэлектродного расстояния до величины, при котором статическое напряжение пробоя равно статическому напряжению пробоя номинального разрядного промежутка с допуском ±0,3 кВ

Следовательно, заявленное изобретение соответствует требованию "изобретательский уровень ".

Предлагаемый способ изготовления газонаполненного разрядника с водородным наполнением был опробован при изготовлении серийно выпускаемых разрядников-обострителей РО-43, РО-49 с динамическим напряжением пробоя 190 и 260 кВ соответственно.

На Фиг.1 показана базовая конструкция газонаполненных разрядников-обострителей РО - 43 и РО - 49.

На фиг.2 представлены кривые изменения динамического напряжения пробоя разрядника РО - 43 для пяти фиксированных значений межэлектродного расстояния з, зависимость импульсного напряжения скользящего пробоя ТЛск.пб. = Р(р,Ь) при Ь = 30 мм от давления наполняющего газа и относительный среднеквадратичный разброс напряжения пробоя от давления в разряднике для фиксированного значения межэлектродного расстояния з =3,2 мм.

На фиг.З представлены кривые изменения динамического напряжения пробоя разрядника РО - 49 для четырёх фиксированных значений межэлектродного расстояния з, зависимость импульсного напряжения скользящего пробоя ТЛж.пб. ⁼ Р(р,Ь) при Н = 42 мм от давления наполняющего газа и относительный среднеквадратичный разброс напряжения пробоя от давления в разряднике для фиксированного значения межэлектродного расстояния з = 3,5 мм.

Разрядник-обостритель содержит корпус 1 в виде цилиндрического стакана с отбортовкой, изолятор 2 в виде усеченного конуса, обращенного внутрь металлического корпуса 1, электроды - анод 3, закреплённый на внутренней поверхности дна металлического корпуса 1, и катод 4, размещённый на торцевой поверхности меньшего основания изолятора 2, манжета 5, расположенная на внутренней поверхности нижней части металлического корпуса 1, повторяя форму этой поверхности с образованием уступа, в котором установлено основание нижней части изолятора 2, при этом манжета 5 соединена своей нижней частью с металлическим корпусом 1 швом, выполненным аргонно-дуговой сваркой, а внутренней поверхностью соединена с боковой цилиндрической поверхностью изолятора 2 швом герметизации посредством пайки припоем.

Способ изготовления газонаполненного разрядника заключается в следующем. После сборки и пайки первого металлокерамического электродного узла его размещают в металлическом корпусе в виде цилиндра, соединяют большее основание изолятора с основанием корпуса аргонодуговой сваркой. Второй электродный узел, состоящий из резьбовой крышки и второго электрода, с помощью резьбового соединения закрепляют со вторым основанием корпуса. После чего замеряют значение статического напряжения пробоя \]сг. межэлектродного промежутка каждого типа разрядника на воздухе. Затем величину измеренного напряжения 1]ст. сравнивают с величиной статического напряжения пробоя номинального межэлектродного промежутка 11ст.ном каждого типа разрядника. Их разницу уменьшают путем изменения межэлектродного расстояния до величины, при которой статическое напряжение пробоя равно статическому напряжению пробоя номинального разрядного промежутка с допуском ±0,3 кВ с учетом того, что изменение межэлектродного расстояния на 0,1 мм влечет за собой изменение статического напряжения пробоя на 0,35 кВ. Если 11ст.>1)ст.ном , то необходимо уменьшить межэлектродное расстояние, например, за счет снятия металла с внутренней поверхности крышки в месте контакта с цилиндром на соответствующую величину. Если 11ст<ист.ном , то необходимо увеличить межэлектродное расстояние, например, за счет уменьшения высоты электрода второго электродного узла на соответствующую величину. После приведения межэлектродного расстояния к номинальному значению приборов каждого типа в зависимости от заданного значения динамического напряжения пробоя закрепляют второй электродный узел с помощью резьбового соединения до упора на корпусе и место соединения сваривают аргонодуговым швом. Затем проводят тренировку разрядника в электроотрицательном газе с последующим его удалением. Промывают прибор водородом и снова наполняют водородом до давления, обеспечивающего заданное динамическое напряжение пробоя с превышением на 5+10% относительно напряжения равновесного состояния, когда динамическое напряжение пробоя равно скользящему напряжению пробоя по изолятору (11пб.дин.⁼ ТЛк.пб.), после чего на электроды разрядника подают импульсы напряжения в виде затухающей синусоиды с малым декрементом затухания с пробоем разрядника на переднем фронте первой полуволны напряжения и тренируют до стабилизации динамического напряжения пробоя и_Пб._Дин., постепенно снижают давление до момента установления 11пб.дин. на уровне 11_Ск.пб. с исключением возможности пробоя по изолятору и достижения заданного значения динамического напряжения пробоя, лежащего в пределах: 0,9 11о<ипб.дин.^<1,0511о, где Уо - напряжение равновесного состояния, когда 11_Пб.дин. = 11ск.пб.,

В результате проведённых ранее исследовательских работ и в процессе производства разрядников-обострителей 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 Ь=30мм и динамическим напряжением 180+195 кВ необходимо выбрать межэлектродное расстояние 8= 3±0,2 мм и давление наполняющего газа (водорода) р= 70±5 атм., а в разрядниках РО-49 с длиной образующей изолятора Ь=42 мм с динамическим напряжением 245+255 кВ необходимо выбирать 8=3,5±0,2 мм и давление наполняющего газа (водорода) р=70±5 атм. Эти результаты получены с помощью графического решения системы двух уравнений, выражающих зависимости динамического напряжения пробоя при выбранном межэлектродном расстоянии и напряжения скользящего пробоя по внутренней поверхности изолятора от давления наполняющего газа.

Использование предлагаемого способа изготовления разрядников-обострителей с водородным наполнением позволил значительно уменьшить трудоёмкость изготовления при сохранении высокой стабильности динамического напряжения пробоя (относительный среднеквадратичный разброс динамического напряжения пробоя порядка 1%) и большой долговечности, которая составляет не менее 10⁷ пробоев в заданном эксплуатационном режиме.

Изобретение относится к газоразрядной технике и может быть использовано при разработке газонаполненных разрядников с водородным наполнением. Технический результат - уменьшение трудоемкости изготовления при сохранении высокой стабильности динамического напряжения пробоя (относительный среднеквадратичный разброс динамического напряжения пробоя порядка 1%) и большой долговечности - не менее 10⁷ пробоев в заданном эксплуатационном режиме. Способ изготовления разрядников с водородным наполнением заключается в размещении в полом металлическом корпусе в виде цилиндра первого металлокерамического электродного узла, включающего изолятор в виде полого усеченного конуса с первым электродом на его меньшем основании, и второго электродного узла, состоящего из резьбовой крышки с вторым электродом по ее центру, герметизации разрядника, наполнении оболочки электроотрицательным газом, тренировке с последующим удалением газа из оболочки, промывке ее водородом и наполнении рабочим газом до давления, обеспечивающего заданное динамическое напряжение пробоя с превышение на 5÷10% относительно напряжения равновесного состояния, когда динамическое напряжение пробоя равно скользящему напряжению пробоя по изолятору, после чего на электроды разрядника подают импульсы напряжения и тренируют до стабилизации динамического напряжения пробоя U_пб.дин., постепенно снижают давление до момента установления U_пб.дин. на уровне U_ск.пб. с исключением возможности пробоя по изолятору и достижения заданного значения динамического напряжения пробоя, лежащего в пределах: 0,9U₀<U_пб.дин.<1,05U₀, где U₀ - напряжение равновесного состояния, когда U_пб.дин.=U_ск.пб., обеспечивается тем, что после размещения электродных узлов в металлическом корпусе замеряют значение статического напряжения пробоя межэлектродного промежутка U_ст на воздухе, затем величину измеренного напряжения U_ст. сравнивают с величиной статического напряжения пробоя номинального межэлектродного промежутка каждого типа разрядника U_ст.ном. и их разницу уменьшают путем изменения межэлектродного расстояния до величины, при котором статическое напряжение пробоя равно статическому напряжению пробоя номинального разрядного промежутка с допуском ±0,3 кВ, после чего проводят герметизацию разрядника. 3 ил.

Способ изготовления газонаполненного разрядника с водородным наполнением, заключающийся в сборке и размещении в полом металлическом корпусе в виде цилиндра первого металлокерамического электродного узла, включающего изолятор в виде полого усеченного конуса с первым электродом на его меньшем основании, и второго электродного узла, состоящего из резьбовой крышки с вторым электродом по ее центру, герметизации разрядника, наполнении его электроотрицательным газом, тренировке с последующим удалением электроотрицательного газа, промывке водородом и наполнении рабочим газом до давления, обеспечивающего заданное динамическое напряжение пробоя с превышением на 5÷10% относительно напряжения равновесного состояния, когда динамическое напряжение пробоя равно скользящему напряжению пробоя по изолятору (U_пб.дин.=U_ск.пб.), после чего на электроды разрядника подают импульсы напряжения и тренируют до стабилизации динамического напряжения пробоя U_пб.дин., постепенно снижают давление до момента установления U_пб.дин. на уровне U_ск.пб. с исключением возможности пробоя по изолятору и достижения заданного значения динамического напряжения пробоя, лежащего в пределах: 0,9 U₀<U_пб.дин.<1,05 U₀, где U₀ - напряжение равновесного состояния, когда U_пб.дин.=U_ск.пб., отличающийся тем, что после размещения электродных узлов в металлическом корпусе замеряют значение статического напряжения пробоя межэлектродного промежутка U_ст. на воздухе, затем величину измеренного напряжения U_ст. сравнивают с величиной статического напряжения пробоя номинального межэлектродного промежутка каждого типа разрядника U_ст.ном. и их разницу уменьшают путем изменения межэлектродного расстояния до величины, при котором статическое напряжение пробоя равно статическому напряжению пробоя номинального разрядного промежутка с допуском ±0,3 кВ, после чего проводят герметизацию разрядника.