СИЛОВОЙ ИСКРОВОЙ РАЗРЯДНИК Российский патент 2022 года по МПК H01T2/02 H01T1/20 

Изобретение относится к высоковольтной импульсной технике, в частности к силовым коммутирующим устройствам генераторов импульсного тока при использовании в электроразрядных технологиях для электрогидроимпульсного разрушения, дробления и дезинтеграции материалов.

Известны искровые разрядники при атмосферном давлении с различным способом инициирования разряда, в том числе каскадные разрядники (Техника больших импульсных токов и магнитных полей. Под ред. B.C. Комелькова. М.: Атомиздат, 1970), представляющие собой несколько последовательно соединенных искровых промежутков, образованных двумя основными электродами и управляющим электродом. Срабатывание разрядника обеспечивается каскадным пробоем последовательно включенных промежутков при подаче на управляющий электрод управляющего поджигающего импульса. Несмотря на простоту устройства, его недостатками являются неустойчивая работа входящих воздушных искровых промежутков при многоповторных режимах коммутации и несанкционированные самопроизвольные пробои, обусловленные потерей электрической прочности разрядника под влиянием множества эксплуатационных факторов и изменений условий окружающей среды (степени ионизации воздуха, напряженности электрического поля, влажности, давления, наличия пыли). Зависимость пробоя межэлектродного промежутка от множества внешних факторов приводит к нестабильности функционирования искрового разрядника. Эти обстоятельства сдерживают широкое применение искровых разрядников атмосферного давления в качестве силовых коммутаторов в разрядных контурах генераторов импульсного тока при осуществлении ответственных технологических процессов, уступая место более дорогостоящим и сложным типам коммутирующих устройств на основе тиратронов, игнитронов.

Другим недостатком коммутаторов при соединении положительного полюса вымоковольтного емкостного накопителя с нагрузкой, является возникновение значительных по уровню помех в схеме управления поджигом, цепи заряда и внешней питающей сети электроснабжения при осуществлении коммутации в силовом разрядном контуре генератора импульсного тока. В электрогидроимпульсных технологиях установка разрядников, коммутирующих положительный полюс емкостного накопителя на нагрузку, обусловлена требованиями техники безопасности работ, когда глухому заземлению подлежит другой вывод нагрузки и отрицательный полюс емкостного накопителя. Сложности в устранении «просачивания» высоковольтных импульсных помех в схему поджига разрядником и цепь заряда при реализации схемы управления поджига исключает возможность использования современных инверторных источников питания (зарядных устройств) для заряда высоковольтных емкостных накопителей электрической энергии генераторов импульсного тока.

Известен «Разрядник» (патент СССР на изобретение №995176. Опубл. 07.02.1983 г.), содержащий электроды, образующие разрядный промежуток, в котором помещен диэлектрик, снабженный механизмом возвратно-поступательного перемещаения. Срабатывание разрядника определяется нахождением или отсутствием диэлектрика в разрядном промежутке. Недостатками подобного устройства является выгорание диэлектрической пластины, дополнительное энергопотребление по причине необходимости использования двигателя, а также появление высоковольтных помех в зарядной цепи и сети электроснабжения при коммутации.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому устройству является «Силовой разрядник (варианты)», (патент Российской Федерации на полезную модель №87837. Опубл. 20.10.2009 г.), содержащий размещенные в изолирующем корпусе электроды, расположенные относительно друг друга с образованием разрядного промежутка, первый из электродов неподвижно закреплен на корпусе, а второй жестко соединен с подвижным штоком, связанным с блоком управления, обеспечивающим его возвратно-поступательное перемещение. Блок управления по первому варианту выполнен в виде пневмоцилиндра с разделенной внутренней полостью с помощью жестко соединенного со штоком подвижного поршня на две изолированные друг от друга части, каждая из которых через штуцер соединена с соответствующим выходом источника управляющих пневмосигналов. Блок управления по второму варианту, выполненный в отдельном корпусе, содержит приводимый во вращение профилированный диск с наружным пазом, наружная поверхность которого входит в соприкосновение с роликом, закрепленном на одном из концов коромысла, жестко закрепленного на ходовой части подвижной каретки, установленной в направляющих, которые соединены корпусом блока управления, связанным посредством возвратной пружины со вторым концом коромысла, причем ходовая часть каретки соединена через изолятор с ведомым ею штоком, обеспечивая его возвратно-поступательное перемещение.

Несмотря на достигнутые в устройстве повышение устойчивости работы воздушных искровых промежутков за счет устранения ложных срабатываний, не разрешена проблема появления высоковольтных помех в зарядной цепи и сети электроснабжения при коммутации в разрядном контуре генератора, что исключает возможность использования современных инверторных источников питания. Другим недостатком двух вариантов устройства является его значительные удорожание и усложнение конструкции из-за необходимости использования дополнительных элементов в блоке управления, снижающих общую надежность. Наличие этих недостатков не позволяет использовать данный разрядник в эксплуатационных условиях с широким диапазоном влияющих факторов при осуществлении ответственных технологических процессов, в мобильных передвижных генераторах импульсного тока электрогидроимпульсных устройств.

Задачами предлагаемого технического решения являются увеличение надежности и стабильности функционирования управляемого силового искрового разрядника, исключающего его самопроизвольные пробои и гарантирующего управляемые срабатывания в диапазоне возможных изменений условий окружающей среды и эксплуатации, подавление возникновения высоковольтных помех в управляющей и зарядной цепи, сети внешнего электроснабжения в режиме коммутации силового разрядного контура, позволяющее использовать для заряда емкостных накопителей современные инверторные источники питания.

Для решения поставленной задачи в «Силовой искровой разрядник», конструкция которого содержит размещенные в изолирующем корпусе электроды, расположенные относительно друг друга с образованием разрядного промежутка, первый из электродов неподвижно соединен к корпусу, а второй жестко соединен с подвижным штоком, возвратно-поступательное перемещение которого управляется блоком управления, устанавливают индуктор для приведения в движение штока посредством магнитноимпульсного действия и одновременного электрического размыкания контактов высоковольтного емкостного накопителя и зарядного устройства друг от друга при переходе разрядника из непроводящего в проводящее состояние.

Существенным отличием данного технического решения является реализация в устройстве стабильно управляемого без самопроизвольных пробоев процесса коммутации во всем диапазоне возможных изменений условий окружающей среды, а также электрического разъединения зарядного устройства от высоковольтного емкостного накопителя энергии, предшествующего процессу коммутации. Реализация предлагаемого технического решения стала возможной благодаря конструктивным и технологическим особенностям исполнения разрядника и принципу его функционирования по заданному безопасному алгоритму.

Технический результат - увеличение надежности и стабильности функционирования управляемого силового искрового разрядника, работа которого не зависит от возможных изменений условий окружающей среды и эксплуатации, устранение появления высоковольтных помех в схеме управления, цепи заряда, сети внешнего электроснабжения, позволяющее использовать инверторные источники питания для заряда высоковольтных емкостных накопителей. Это достигается тем, что в широком диапазоне возможных изменений условий окружающей среды и эксплуатации исключается несанкционированный самопроизвольный межэлектродный пробой за счет увеличенного межэлектродного расстояния в исходном «закрытом» состоянии разрядника; гарантируется стабильный управляемый пробой по команде блока управления за счет уменьшения межэлектродного расстояния до величины надежного срабатывания при коммутации в «открытом» состоянии разрядника, с предшествующим при этом электрическим разъединением цепи заряда от силового разрядного контура в генераторе импульсного тока.

В конструкции разрядника выделены два рабочих состояния - «закрытое» (непроводящее) и «открытое» (проводящее), определяемые межэлектродным расстоянием Межэлектродное расстояние в «закрытом» состоянии находится в области гарантированного непробоя, а в «открытом» состоянии - в области гарантированного пробоя, переключение между которыми достигается движением штока, управляемого по заданному безопасному алгоритму, обеспечивающему стабильность работы, независимо от случайных факторов внешней среды и условий эксплуатации. Выполняется следующее соотношение

На фиг. 1 и 2 представлены схематические чертежи силового искрового разрядника при исходном положении штока, соответствующего гарантированному «закрытому» (непроводящему) состоянию, и при конечном положении штока, соответствующего «открытому» (проводящему) состоянию, в котором гарантирован процесс коммутации в силовой разрядной цепи генератора импульсного тока. Переход разрядника из одного состояния в другое (из непроводящего в проводящее, из проводящего в непроводящее) обеспечивается за счет поступательно-возвратного движения штока, сокращающего и увеличивающего соответственно межэлектродное расстояние При этом наибольшее межэлектродное расстояние находится в области гарантированного непробоя, а наименьшее межэлектродное расстояние - в области гарантированного пробоя.

Устройство содержит размещенные в изолирующем корпусе 1 электроды 2 и 3, расположенные относительно друг друга с образованием разрядного промежутка. «Неподвижный» электрод 2 соединен гибкими электрическими проводниками 4 с нагрузкой (рабочим искровым каналом), неподвижно закреплен на корпусе 1. «Подвижный» электрод 3 соединен гибкими электрическими проводниками 5 с положительным полюсом высоковольтного емкостного накопителя генератора импульсного тока и через электрический контакт 10 с зарядным устройством, механически жестко закреплен к подвижному диэлектрическому штоку 6, поступательно-возвратное перемещение которым управляется. В исходном положении разрядника его «закрытое» (непроводящее) состояние, гарантирующее отсутствие самопроизвольных пробоев при любых граничных условиях окружающей среды, обеспечивается запасом прочности за счет увеличенного расстояния между электродами 2 и 3, превышающим вдвое или более раз расстояния, необходимого по условию межэлектродного пробоя при заданном рабочем напряжении емкостного накопителя В этом положении разрядника межэлектродное расстояние находится в области гарантированного непробоя.

В основании штока 6 механически установлен электропроводящий диск 7. Возвратно-поступательное перемещение штока 6 обеспечивается за счет приведения в движение электропроводящего диска 7 по команде блока управления от возникающей внешней силы магнитного поля индуктора 8, закрепленного к основанию корпуса 1. Направленное движение штока 6 осуществляется и ограничивается посредством охватывающей с двух сторон направляющей 9, зафиксированной к корпусу 1. В «открытом» (проводящем) состоянии гарантированное срабатывание разрядника обеспечивается за счет уменьшения расстояния между электродами 2 и 3 на расстояние, меньшее вдвое или более раз, чем необходимо по условию электрического пробоя при заданном рабочем напряжении емкостного накопителя и любых условиях окружающей среды В этом положении разрядника межэлектродное расстояние находится в зоне гарантированного пробоя.

Электрические соединение и разъединение зарядного устройства (современного инверторного или классического трансформаторного блока питания) и высоковольтного емкостного накопителя между собой обеспечивается посредством замыкания и размыкания электрических контактов 10, специально закрепленных на направляющей 9, через электропроводящую контактную полоску 11, размещенную на диэлектрическом штоке 6.

В «закрытом» состоянии разрядника шток находится в исходном положении и обеспечивается электрическое соединение 10 и 11, что позволяет производить накопление электрической энергии высоковольтным емкостным накопителем посредством пропуска зарядного тока от зарядного устройства к накопителю. Переход к «открытому» состоянию разрядника сопровождается электрическим размыканием 10 и 11 друг от друга вследствие перемещения электропроводящей контактной полоски 11 при движении штока 6. Электрическое размыкание 10 и 11, обеспечивающее электрическое разъединение зарядного устройства от высоковольтного емкостного накопителя, продолжается в течение времени поступательно-возвратного перемещения штока и соответствует времени, когда разрядник не находится в исходном положении. Это позволяет использовать современные инверторные зарядные устройства; гарантировать стабильную и управляемую работу разрядника; повысить эффективность технологического процесса за счет целенаправленного и полного энерговыделения емкостным накопителем в нагрузку при разряде.

Межэлектродные расстояния, находящиеся в областях гарантированного непробоя и гарантированного пробоя, соответствующие «закрытому» (непроводящему) и «открытому» (проводящему) состоянию силового искрового разрядника, представлены на фиг. 3. Межэлектродные расстояния образованы расстоянием между неподвижным электродом 1 и подвижным электродом 2. В случае возможных изменений условий окружающей среды и эксплуатации, при многоповторных режимах коммутации расстояние межэлектродного пробоя также может измениться в границах зоны межэлектродного пробоя, поэтому сокращение и увеличение межэлектродного расстояния, находящегося в областях гарантированного пробоя и гарантированного непробоя при «открытом» и «закрытом» состояниях соответственно, позволяет обеспечить стабильную работу разрядника.

На фиг. 4 и 5 представлен принцип работы разрядника при исходном и конечном положениях штока, соответствующих «открытому» и «закрытому» состоянию соответственно, в составе генератора импульсного тока.

Приняты следующие обозначения: С1 - емкость высоковольтного накопителя энергии на основе импульсных конденсаторов; ЗУ1 - зарядное устройство 1 (современный инверторный или классический трансформаторный источник питания); БУ - микропроцессорный блок управления, подключаемый к емкости накопителя через делитель напряжения R_дел; ЗУ2 - зарядное устройство 2; С2 - емкость накопителя энергии; L - индуктор; S2 - управляемый коммутатор, коммутирующий разряд емкости С2 на индуктор L.

Устройство в составе генератора импульсного тока работает следующим образом.

Перед включением генератора импульсного тока в БУ задается программная настройка значения рабочего напряжения, до которого производится заряд емкостного накопителя от ЗУ1. В БУ осуществляется анализ положения штока 6, по которому определяется текущее состояние разрядника. Если шток 6 находится в исходном положении, что соответствует «закрытому» (непроводящему) состоянию разрядника и увеличенному межэлектродному расстоянию в области гарантированного непробоя, то БУ подает сигнал включения на ЗУ1, который начинает выдавать зарядный ток на высоковольтный накопитель энергии С1. При достижении заданного в БУ уровня напряжения на емкостном накопителе С7, происходит отключение ЗУ1.

Через настроенную выдержку времени, БУ подает сигнал на ЗУ2, от которого поступает импульс на открытие ключа-коммутатора S2, в качестве которого можно использовать управляемый тиристор, в результате чего емкостной накопительный блок С2 разряжает накопленную ранее от ЗУ2 электрическую энергию на индуктор L, на котором энергия преобразуется в магнитную. Под действием магнитного потока (вихря) в металлическом диске 7 возникает противоположнонаправленная ЭДС, создающая механическое усилие, приводящее к направленному движению диска 7 и закрепленного на нем штока 6 с электродом 3.

С момента начала движения диска 7 со штоком 6 происходит сокращение межэлектродного расстояния (с исходного и электрическое размыкание контактов С1 и ЗУ1 друг от друга за счет перемещения электропроводящей контактной полоски 11 на штоке. Это исключает возможность проникновения помехи и выход из строя ЗУ1 на основе современного инверторного либо классического трансформаторного блока питания, когда при достижении межэлектродного расстояния, соответствующему пробивному при существующих условиях окружающей среды произойдет инициализация разряда с переходом в гарантированный пробой разрядника при дальнейшем поступательном движении штока и сокращении межэлектродного расстояния в области гарантированного пробоя. Соответственно при «открытии» разрядника происходит гарантированный разряд накопленной электрической энергии от высоковольтного накопителя С1 в нагрузку (рабочий искровой канал).

Конечное положение штока 6 в результате его поступательного движения, ограничивается направляющей 9, и соответствует сближению электродов 2 и 3 на минимальное расстояние После достижения штоком 6 конечного положения, происходит под действием силы тяжести обратное его возвратное движение, сопровождаемое увеличением межэлектродного расстояния до исходного положения Далее процесс может повторяться.

В результате поступательного движения штока межэлектродное расстояние сокращается от исходного до конечного а в результате обратного движения штока, наоборот, межэлектродное расстояние увеличивается от конечного до исходного При этом исходное межэлектродное расстояние разрядника находится в области гарантированного непробоя, конечное - в области гарантированного пробоя во всем диапазоне возможных изменений условий окружающей среды и эксплуатационных факторов. Во время движения штока и достижении межэлектродным промежутком расстояния, соответствующего пробивному которое зависит от условий внешней среды, происходит инициализация разряда за счет появления стримеров, переходящая в лидерную стадию при дальнейшем сокращении межэлектродного расстояния.

На фиг. 6 представлены характерные временные диаграммы состояний при одном срабатывании (интервал t₀ - t₅) силового искрового разрядника в составе генератора импульсного тока.

В интервале времени t₀ - t₁ - разрядник находится в «закрытом» (непроводящем) состоянии, обеспечиваемом исходным положением штока, при котором межэлектродное расстояние максимальное, находящееся в области гарантированного непробоя; при этом обеспечивается электрическое соединение источника питания ЗУ1 и высоковольтного емкостного накопителя С1. В интервале t₁ - t₃ осуществляется поступательное движение штока от магнитно-импульсного действия индуктора. В интервале t₃ - t₅ осуществляется возвратное движение штока. В интервале t₁ - t₅ - электрическое разъединение высоковольтного емкостного накопителя С1 от источника питания ЗУ1. В интервале t₂ - t₄ - разрядник находится в «открытом» (проводящем) состоянии за счет нахождения межэлектродного расстояния в области гарантированного пробоя, при этом происходит инициализация разряда и непосредственно коммутация. Как правило, полное выделение накопленной электрической энергии высоковольтным емкостным накопителем в нагрузку происходит до момента достижения штоком конечного положения.

Поясним технический результат решения поставленной задачи - увеличение надежности и стабильности функционирования управляемого силового искрового разрядника, работа которого не зависит от возможных изменений условий окружающей среды и эксплуатации, устранение появления высоковольтных помех в схеме управления, цепи заряда, сети внешнего электроснабжения, позволяющее использовать инверторные источники питания для заряда высоковольтных емкостных накопителей.

В первой стадии, соответствующей исходному «закрытому» состоянию разрядника, осуществляется накопление электрической энергии высоковольтными импульсными конденсаторами С1 от современного инверторного или классического линейного блока питания ЗУ1 через электропроводящую контактную полоску на диэлектрическом штоке. Отсутствие самопроизвольного срабатывания разрядника в этом состоянии обеспечивается запасом прочности за счет увеличенного межэлектродного расстояния в области гарантированного непробоя превышающим вдвое или более раз расстояния, необходимого по условию межэлектродного пробоя при заданном рабочем напряжении емкостного накопителя и любых условиях окружающей среды

При переходе к «открытию» разрядника по управляющему сигналу от БУ за счет магнитно-импульсного действия индуктора на металлический диск, связанный с диэлектрическим штоком, происходит поступательное движение штока с размещенной на нем электропроводящей контактной полоской, приводящее к электрическому размыканию контактов плюсового вывода емкостного накопителя С1 от ЗУ1, за счет чего происходит их электрическое разъединение и отсутствие появления высоковольтных помех в цепи заряда и сети внешнего электроснабжения при пробое межэлектродного промежутка.

Гарантированное срабатывание разрядника достигается уменьшением его межэлектродного расстояния, расположенного в области гарантированного пробоя, при заданном рабочем напряжении емкостного накопителя и любых условиях окружающей среды При этом, за счет того что при электрогидроимпульсных технологиях время разряда значительно меньше времени сближения электродов 2 и 3 друг к другу на расстояние, при котором происходит гарантированный пробой межэлектродного промежутка (в зоне гарантированного пробоя), достигается полное выделение накопленной электрической энергии высоковольтного емкостного накопителя С1 в нагрузку.

На фиг. 7 представлена покадровая съемка (интервал между кадрами 4,15 мс) работы разрядника при коммутации силового разрядного контура с емкостью накопителя 3,8 мкФ и рабочим напряжением 12 кВ. Цикл работы силового искрового разрядника составил около 126 мс, из которых поступательное движение штока - 42 мс (кадры №1 - 10), возвратное движение штока - 84 мс (кадры №11 - 30). Инициализация разряда и последующее полное выделение энергии в нагрузку произошло через 29 мс (кадр №7) после начала поступательного движения вверх штока - и до момента достижения штоком конечного положения и сокращения межэлектродного расстояния на минимальное расстояние. Данное обстоятельство подтверждает стабильность работы разрядника в случае возможных изменений условий окружающей среды, влияющих на напряженность электрического поля.

Данное техническое решение позволяет повысить стабильность функционирования искрового двухэлектродного разрядника при любых возможных изменениях условий окружающей среды, устранить появление высоковольтных помех в цепях управления, заряда, сети внешнего электроснабжения, предоставляет возможность использовать современные инверторные источники питания для заряда высоковольтных емкостных накопителей.

Положительный технический эффект от реализации технического решения заключается в увеличении надежности и снижении стоимости технологических процессов в электроразрядных технологиях за счет сокращения эксплуатационных расходов на приобретение и частую замену высоковольтных коммутаторов и сопутствующего оборудования, уменьшении массогабаритных параметров генератора импульсного тока за счет использования инверторных источников питания.

Предлагаемое техническое решение может быть реализовано промышленным способом.

Изобретение относится к высоковольтной импульсной технике, в частности к силовым коммутирующим устройствам генераторов импульсного тока при использовании в электроразрядных технологиях для электрогидроимпульсного разрушения, дробления и дезинтеграции материалов. Техническим результатом является увеличение надежности и стабильности функционирования управляемого силового искрового разрядника, работа которого не зависит от возможных изменений условий окружающей среды и эксплуатации, устранение появления высоковольтных помех в схеме управления, цепи заряда, сети внешнего электроснабжения, позволяющее использовать инверторные источники питания для заряда высоковольтных емкостных накопителей. Это достигается тем, что конструкция «Силового искрового разрядника» содержит размещенные в изолирующем корпусе электроды, расположенные относительно друг друга с образованием разрядного промежутка, первый из электродов неподвижно соединен с корпусом, а второй жестко соединен с подвижным штоком, возвратно-поступательное перемещение которого из «закрытого» (непроводящего) в «открытое» (проводящее) состояние разрядника осуществляется посредством магнитно-импульсного действия от индуктора по команде блока управления, сопровождаемое электрическим размыканием контактов высоковольтного емкостного накопителя и зарядного устройства друг от друга. 7 ил.

Силовой искровой разрядник, содержащий размещенные в изолирующем корпусе металлические электроды, расположенные соосно друг к другу с образованием разрядного промежутка, один из электродов - неподвижный, соединенный механически с корпусом и электрически с нагрузкой силового разрядного контура, другой электрод - подвижный, соединенный механически с подвижным диэлектрическим штоком и электрически гибкими проводниками с высоковольтной накопительной емкостью силового разрядного контура, отличающийся тем, что установлен дополнительно индуктор для обеспечения магнитно-импульсного действия на электропроводящий диск, механически связанный со штоком, на котором размещена электропроводящая шина, размыкающая электрические контакты цепи заряда от высоковольтной накопительной емкости силовой разрядной цепи при каждом поступательно-возвратном перемещении штока от действия на электропроводящий диск выталкивающей механической силы, образующейся от магнитно-импульсного воздействия.