Разрядник Советский патент 1980 года по МПК H01T1/00 

I

Изобретение относится к высоковольтной импульсной технике, а конкретно - к сильноточным импульсным газонаполненным разрядникам, предназначенным для использования в качестве коммутаторов в высоковольт-, ных цепях при формировании импуль- сов высокого напряжения или большого тока.

Известны разрядники, содержащие два и более электродов, которые для ускорения срабатывания, уменьшения их индуктивности и увеличения крутизны нарастания тока, -заполнены газом под давлением выше 1 ат (1.

Недостатком таких разрядников является то, что в сжатом газе разряд происходит в узком канале, в результате чего в нем создаются высокие плотности тока, вызыва ющие более сильную эрозию элек тродов, чем в разрядниках при атмосферном или меньшем давлении. Высокая температура в канале способствует разложению газа на активные составляющие, которые, взаимодействуя с продуктами эрозии электродов и с поверхностями деталей, вызывают их ,кор- , розию и образуют остаточные продукты, дополнительно загрязняющие поверхности электродов и изоляторов. Кроме того, при разряде в сжатом га.зе инициируется ударная волна, создающая ц дополнение, к механическим статическим нагрузкам импульсное нагружение элементов и узловразряднИка. Перечисленные факторы уменьшают надежность и ресурс работы раз- рядников, особенно при сильноточной

10

коммутации.

Наиболее близким по своей технической сущности к данному изобретению является разрядник, содержащий заполненные га.зом под давлением со15 осно расположенные с6Ь|5щаю1ЩЙесд разрядную камеру и расширительную камеру, разделенные токопроводящей дисковой диафрагмой с отверстиями, и два электрода, расположенные в

20разрядной камере по оси, причем один из электродов закреплен в центре указанной диафрагмы 2.

В расширительной камере расширяется газ при поВьпиении давления в

21разрядном промежутке под действием проходящего через него коммутируемого тока, уменьшая тем самым импульсное нагружение несущих элементов конструкции разрядника, а непрерывный поток воздуха под давлением

30

через разрядный промежуток способствует охлаждению изолятора, повьалая тем его электрическук прочность, и очищает поверхности изолятора и электродов, удаляя продукты эрозии электродов и окислы азота.

Недостатком указанного разрядника является сложность его эксплуа тации в связи с необходимостью принудительной продувки разрядника, .которая не позволяет поддерживать постоянньп«1 во времени давление воздуха в разряднике, что приводит к разбросу пусковых характеристик разрядника. Такой разрядник и система его газообеспечения не позволяют продувать через разрядник сильноэлетроотрицательные газы (например, злегаз), улучшающие пусковые и электропрочйостные характеристики коммутаторов, выпуск таких газов в атмосферу нецелесообразен вследствие их высокой стоимости, и потому должна юбеспечиваться принудительная циркуляция Газа в замкнутом контуре с очисткой и регенерацией газа.

Цель изобретения - повышение надежности, упрощение эксплуатации и повышение срока службы заполняющего газа.

Цель достигается тем, что в известном разряднике, содержащем заполненные газом под давлением соощающиеся изоляционную разрядную камеру и расширительную камеру, разделенные токопроводящей дисковой диафрагмой с отверстиями, и два электрода, расположенные в разрядно камере, один из котогэых закреплен в указанной диафрагме, внутренняя боковая поверхнобть разрядной лс амеры выполнена соплообразной и образует с боковой поверхностью электрода, закрепленного на диафрагме, кольцевое сопло, диафрагма снабжена выпусными в расширительную камеру и впусным из расширительной камеры клапанами, установленными в указанных отверстиях, из которых отверстия выпускных клапанов выполнены соплообразными, причем пропускная способность выпускных клапанов выбрана большей,чем пропускная способность впускного клапана, а внутренняя поверхность расширительной камеры выполнена с наклоннь1ми в направлении открывания выпускных клапанов ребрги ш, а сообщающиеся разрядная . и расишрительная камеры герметизированы.

Для уравновешивания давления газа в разрядной к амере и в расширительной камере очередным инициированием .срабатывания разрядника кг1меры соединяйны посредством дополнительного перепускного (дросселирующего) устройства, например в виде отверстия в разделяющем

объемы диафрагме, а именно во впускном клапане, причем пропускная способность перепускного отверстия меньше пропускной способности впускного клапана.

Для улучшения очистки объема разрядника при наполнении его элегазом или в смеси его с другими газами в расширительную камеру помещен селективный поглотитель низших фторидов, например активированный глинозем.

Йа фиг. 1 показан предложенный

-разрядник с тремя электродами; на фиг. 2 - разрез по Б-Б; на фиг. 3разрез по А-тА.

Управляющий электрод 1 герметично установлен во втулке 2 из дизлектрика, и размещен соосно в отверстии основного электрода 3,

.герметично закрепленного в изоляционной разрядной камере 4, другой основной электрод 5 присоединен к токопроводящей диафрагме 6 с отверстиями, разделяющей разрядную камеру 4 и расширительную камеру 7. В отверстиях диафрагмы 6 установлены симметрично вокруг электрода 5 выпускные клапаны 8, например в количестве -6 шт., а в электроде 5, расположенном на диафрагме - выпускной клапан 9, тарелка этого клапана выполнена с перепускным отверстием 10. Поверхность разрядной камеры 4 имеет внутри обтекаемую форму и не образует совместно с другими деталями разрядника п.азух или уступов, где могли бы концентрироваться продукты эрозии электродов и коррозии поверхностей, а образует совместно с поверхностью основного электрода 5 кольцевое сопло, плавно сопряженное с поверхностями отдельных, также соплообразной формы, отверстий выпускных клапанов в диафрагме 6. Отверстия разделены ребрами, края которых, обращенные в расширительную камеру, служатбёдлами выпускных клапанов. Внутренняя поверхность расширительной камеры выполнена с наклонными ребрами 11. Каждый из выпускных и впускных клапанов представляют собой подпружиненИую с нaиkeньшeй массой тарелку в виде полого конуса из тонкого

диэлектрического материала или из проводящего, не приваривающегося к материалу диафрагмы или злектроконтактной сварке, например конус выполнен из титановой фольги, а диафрагма - из. меди. Такое сочетани металлов не позволяет при протекан разрядного тока по диафрагме свариватьсяг им между собой при возможной искрении в местах их контактов или при размыкании контактов; седла клапанов можно выполнять из диэлектрического материала. При совмещении оси разрядника с вертикалью возврат

впускного клапана в закрытое положение может осуществляться только силой собственного веса тарелки. В расширительном объеме помещен поглотитель 12 активных продуктов разложения газа в разряде, например активированный глинозем, при наличии в рабочей смеси газов элегаза, электроды подключены к токонесущим шинам 13. Разрядная и расширительная выполнены разъемными, например имеют болтовое соединение с уплотняющей прокладкой из резины. Выступ 14 диафрагмы в тело разрядной камеры 4 позволяет уменьшить напряженность электрического поля в зоне примыкания изолятора к диафрагме.

Принцип действия разрядника состоит в следующем. Разрядник заполняется рабочей газовой средой до требуемого давления ( 1 ат) . -При подаче на электрод 1 импульса управляющего напряжения пробивается промежуток между электродами 3 и 5. Под воздействием протекающего через разрядный канал тока происходит нагрев газа как в канале разряда, так и в разрядном объеме за счет иелучёния из канала и теплопроводности газа. Одновременно с возникновением ударной волны, распространяющейся по направлению от канала, повышается давление газа в разрядном объеме, в результате чего открываются клапаны 8, пропуская в расшири-тельную камеру нагретый газ вместе с взвешенными в газе продуктами эрозии электродов и остаточными про дуктами разложения газа в разрядах. При этом движущийся газ очищает поверхности элементов разрядного объема, что особенно характерно для сильноточных разрядов, высоких давлений и тяжелых газов. Направление перемещения газа показано на чертеже стрелками. По мере прохождения расширительной камеры газ остывает, периодически расширяясь в пазухи между ребрами, кинетическая энергия движущегося газа уменьшается, взвешенные частицы осаждаются на поверхностях ребер. При этом максимальное количество загрязнений будет концентрироваться в пазухах из-за .меньших начальных температур поверхностей в них. Чем ниже температура поверхностей ребер и чем больше площадь этих поверхностей, тем эффективней будет очищаться . Охлаждению разрядной камеры способствует, конвекция окружающей её среды. например жидкого диэлектрика. По ;окончании протекания тока через разрядный канал газа в разрядной камере охлаждается за счет отвода тепла деталями, образующими ее замкнутый объем, давление в объеме снижается,

и по достижении равенства давлений

в камерах - разрядной и расширитель, ной - выпускные клапаны 8 закрываются. При последующем уменьшении в разрядном объеме давления открывается выпуйкной клапан 9 и очищенный газ начинает через него перетекать в разрядную камеру до тех пор, пока не уравновесятся давления в обеих камерах. Разъемность корпусов разрядного и расширительного

Q объемов позволяет через определенное число включений разрядника заменять корпус расширительного объема другим, предварительно подготовленным, а также обеспечивает смену

селективного пйглотителя ;или очистку

расширительного объема отнакопившихся продуктов эрозии и коррозии. Кольцевое сопло наиболее целесообразно создавать вокруг ,того основного электрода, наличие грязи

0 около которого в наибольшей степени критично к возможности неуправляемого пробоя Tto объему газа или по поверхности изолятора между основными электродами; при .наполнении

5 элегазом и статическом Напряжении наиболее вероятен пробой с катодного электрода,при импульсном напряжении - с анодного. При необходимости разрядник может быть

0 снабжен и вторым расширительным

объемом со стороны другого основного электрода.

При таком выполнении разрядника отпадает необходимость в присоединении к нему громоздких газопро1аодов - для непрерывной подачи и отвода газа, так как разрядник может быть поставлен на рабочее место, будучи предварительно наполненд ным рабочим газом до требуемого давления и загерметизированным; возникающие при срабатывании разрядника и оседсшядие -на поверхностях продукты эрозии электродов и коррозии пое верхностей деталей будут срываться С; поверхностей ударной волной и взвешиваться в газе, который, расширяясь в расширительный объем, будет там очищаться, причем твердые частицы будут концентрироваться на

0 поверхностях расширительного объема, особенно в пазухах, например между ребрами; замена газа при таком выполнении разрядника необходима только после серии его запусков,

5 например в количестве До нескольких тысяч раз; сокращается также к рас.ход газа в связи с периодическим наполнением разрядника, а это дает возможность использовать в нем силь0 ноэлектропрочные тяжелые дорогостоящие газы, а также смеси из сильноэле1 троотрицательных тяжелых и легких газов, ибо длина соединительных участков между разрядным и расшириS тельным объемами сведена к минимуму и разделения компонентов смеси не будет. Соплообразность поверхносте разрядного объема и плавное сопря жение их с отверстиями выпускных клапанов (то есть отсутствие по на правлению движения газа каких-либо уступов или пазух) позволяет зффек тивно очищать поверхности изолирую его корпуса и электродов от загря нений, повышая электрическую прочно изоляции разрядника, понижая тем салолм вероятность его неуправляемо го пробоя с числом включений и увели1ивая ресурс его стабильных срабатываний. Размещение отверстий кла панов около того электрода, вёроятйость самопробоя которого больше позволяет дополнительно увеличить электропрочность коммутатора за счёт особо эффективной очистки этог электрода и поверхности примыкания изолирующего корпуса к раэделякицей объемы диафрагме., . Авторами быди проведены с положительным результатом испытания макета предложенного разрядника,тригатронного типа. Разрядник, запол.ненный смесью 30% SP, + 70%N2 до давления 20 ат, коммутировал емкост ной накопитель с запасйемой энергией -2,5 кДж, импульсно заряжаемый ,7 МКС до напряжения 500 кВ, г1мплитуда- разрядного тока составляла «-100 КА, то есть заряд и энергоемкость накопителя были рйвны максимальным аналогичным парайетрам накопителя при испытании, прототипа в рабочем режиме. Исследования показали, что после, заполнения тригатрона газом, герметичного уплотне ния его объема и последующего подсоединения в разрядную цепь пусковые и электропрочностные характерис тики тригатрона не изменились в течение З.Ю срабатываний. Осмот тригатрона показал, что поверхности деталей в разрядном промежутке не загрязнены, в то время как загрязнения сосредоточены на поверхностях расширительного объема при этом толщина отложений продуктов э розии и коррозии в пазухах этого объема достигала 3 мм. За время испытаний наблюдалось случаев каких-либо пробоев по поверхности или по объему изолирующего корпуса разрядника. Формула изобретения 1.Разрядник, содержащий заполненные газом под давлением сообщгиощиеся изоляционную разрядную камеру и расширительную камеру, разделенные токопроводящей дискрвой диафрагмой с отверстиями, и два электрода, расположенные в разрядной камере, один из которых закреплен в указанной диафрагме,отличающийся тем, что, с целью повышения надежностИ и срока службы заполняющего газа и упрощения эксплуатации, внутренняя боковая поверхность разрядной камеры выполнена соплообразной и образует с боковой поверхностью электрода, закрепленного на диафрагме, кольцевое сопло, диафрагма снабжена выпускными в расширительную камеру и впускным из расширительной камеры клапанами, установленными в указанных отверстиях, из которых отверстия выпускных клапанов выполнены соплообразными, причем пропускная способность выпускных клапанов выбрана большей, гем пропускная способность впускного клапана, внутренняя поверхность расширительной камеры выполнена с наклонными в направлении открывания выпускных клапанов ребрами, а сообщающиеся разрядная и расширительная камеры герметизированы. 2.Разрядник по п. 1, о т л и ч аю щ и и с я тем, что диафрагма выполнена с перепускным отверстием, йропускнаяспособность которого выбрана меньшей, чем пропускная способность впускного клапана. 3.Разрядник по пп. 1 и 2, о тличающийся тем, что при выборе в качестве заполняющего газа элегаза или его смеси с другими газами, он снабжен поглотителем низших фторидов, помещённым в расширительной камере. Источники информации, принятые во.внимание при экспертизе 1.Комельков B.C. Книга. Техника больших импульсных токов и магнитных полей. М., Атомиздат, 1970, с. 322. 2.Бабыкин М.В. Долговечные малоиндуктивные разрядники с непрерывным потоком газа.-ПТЭ, 1974, № 2, с. 105-107.

е-в

Фиг.Ъ