РАЗРЯДНИК Советский патент 1994 года по МПК H01T1/00 

Изобретение относится к высоковольтной импульсной технике, а конкретно к сильноточным импульсным газонаполненным разрядникам, и может быть использовано в качестве коммутатора в высоковольтных цепях для формирования импульсов большого тока или высокого напряжения, например, в генераторе умножения напряжения по методу Адкадьева-Маркса.

Известен разрядник, содержащий соосно расположенные сообщающиеся разрядную и расширительную камеры, разделенные токопроводящей дисковой диафрагмой с отверстиями, и электроды, расположенные в разрядной камере, причем один электрод закреплен в центре указанной диафрагмы, разрядная камера соединена воздуховодом с внешним компрессорным устройством, а расширительная камера сообщается через воздушный дроссель с окружающей разрядник атмосферой.

Под действием проходящего через разрядник коммутируемого тока газ нагревается, повышается его давление, и он расширяется в расширительную камеру, уменьшая тем самым импульсное нагружение несущих элементов конструкции разрядника, а непрерывный поток воздуха под давлением через разрядную камеру способствует охлаждению ее деталей, очищает их и удаляет продукты эрозии электродов и окислы азота, повышает тем самым электрическую прочность разрядной камеры.

Недостатком этого разрядника является сложность его эксплуатации в связи с необходимостью принудительной продувки разрядника, которая не позволяет поддерживать постоянным во времени давление воздуха в разрядной камере, что приводит к разбросу пусковых характеристик разрядника. Такой разрядник и система газообеспечения не позволяют продувать через разрядник сильноэлектроотрицательные газы (например, элегаз), улучшающие электропрочостные и пусковые характеристики коммутатора; выпуск этих газов в атмосферу нецелесообразен из-за их высокой стоимости, а потому должна обеспечиваться принудительная циркуляция газа в замкнутом контуре с очисткой и регенерацией газа, что существенно усложнило бы систему газообеспечения.

Наиболее близким из известных технических решений к предлагаемому разряднику по конструкции и по достигаемому результату является разрядник, содержащий электроды, установленные в герметичном газонаполненном корпусе.

В указанном разряднике имеются две соосно расположенные разрядная и расширительная камеры, разделенные токопроводящей диафрагмой с отверстиями; электроды, расположенные в разрядной камере, внутренняя боковая поверхность которой выполнена соплообразной и образует с боковой поверхностью электрода, закрепленного на диафрагме, кольцевое сопло; диафрагма снабжена выпускными в расширительную и впускным из расширительной камеры клапанами, установленными в указанных отверстиях, из которых отверстия выпускных клапанов выполнены тоже соплообразными, причем пропускная способность выпускных клапанов больше, чем пропускная способность впускного, а внутренняя поверхность расширительной камеры выполнена с наклонными в направлении открывания выпускных клапанов ребрами.

Указанный разрядник более надежен и более прост в эксплуатации, в нем увеличен срок службы заполняющего газа. Под действием протекающего через разрядный канал тока газ нагревается, в нем возникает ударная волна и повышается давление, в результате чего открываются выпускные клапаны, пропуская в расширительную камеру нагретый газ вместе с взвешенными в газе продуктами эрозии электродов и продуктами разложения газа при разрядах. При этом движущийся газ очищает поверхности элементов разрядного объема. По мере прохождения расширительной камеры газ остывает, а взвешенные частички осаждаются на поверхностях ребер. После протекания тока через разрядный канал газ в разрядной камере охлаждается за счет отвода тепла деталями, давление в камере снижается, а по достижении в обоих камерах равного давления выпускные клапаны закрываются. При последующем уменьшении в разрядной камере давления открывается впускной клапан, и очищенный газ начинает через этот клапан перетекать из расширительной в разрядную камеру до тех пор, пока давления в камерах не уравновесятся. При таком выполнении разрядника отпадает необходимость в присоединении к нему громоздких газопроводов, разрядник можно наполнять сильноэлектропрочными, тяжелыми и дорогостоящими газами, а также смесями тяжелых и легких газов, в разряднике эффективно очищаются поверхности деталей от загрязнений, что увеличивает ресурс стабильных срабатываний разрядника.

Недостатком этого разрядника является его сложность, связанная с наличием выпускных и впускного клапанов, с соплообразными отверстиями для выпускных клапанов, с седлами для обоих типов клапанов с диафрагмой, с наличием и герметизацией расширительной камеры.

Цель изобретения - упрощение конструкции разрядника.

Это достигается тем, что в известном разряднике, содержащем электроды, установленные в герметизированном газонаполненном корпусе, один из электродов выполнен в форме стакана, внутри которого коаксиально установлен профилированный патрубок, один торец которого расположен с зазором относительно дна и боковой поверхности стакана, а второй сопряжен с боковой поверхностью стакана, причем второй электрод установлен коаксиально внутри указанного патрубка и образует с дном стакана искровой промежуток.

Кроме того, предлагается патрубок и стакан выполнять с наклонными в направлении от дна стакана ребрами на боковых поверхностях, а патрубок изготовлять в виде конического раструба, большее основание которого расположено напротив дна стакана.

При таком техническом исполнении разрядника продукты загрязнений непосредственно из области канала разряда забрасываются ударной волной в расширительный между боковыми стенками стакана и раструба объем, где загрязнения оседают на поверхностях стенок и ребер, в результате чего поверхности деталей в разрядной камере не загрязняются от включения к включению разрядника, что стабилизирует работу разрядника в течение всего ресурса включений. Поэтому отпадает необходимость в размещении диафрагмы между разрядной и расширительной камерами, в выполнении в диафрагме соплообразных и других отверстий с седлами для клапанов, в размещении в этих отверстиях выпускных клапанов из разрядной в расширительную камеру и впускного клапана из расширительной, в герметизации расширительной камеры, что в совокупности упрощает разрядник при сохранении им высокой эффективности работы.

На чертеже показан разрядник с профилированным патрубком в виде конического раструба.

Он содержит герметичную разрядную камеру 1, образованную изоляционным корпусом 2 и основными электродами 3 и 4, образующими разрядный промежуток, для инициирования пробоя которого имеется вспомогательный электрод 5, электрод 3 выполнен в виде стакана с рабочей частью 6 в дне и коническим раструбом 7, сопряженным со стенками стакана. Пространство между стенками стакана 3 и раструба 7 представляет собой расширительный объем 8. На стенках стакана и раструба 7 в области расширительного объема 8 выполнены наклонные ребра 9. Разрядная область 10 и расширительный объем 8 сообщаются через кольцевое сопло 11.

Работает разрядник следующим образом. Разрядная камера 1 заполняется предварительно газом под давлением свыше 10⁵ Па. Целесообразно применять тяжелые сильноэлектроотрицательные газы, например элегаз или его смесь с легкими газами, как обладающих высокой электропрочностью и стабильностью напряжения неуправляемого пробоя. Создается между электродом 4 и рабочей частью электрода 6 рабочая разность потенциалов.

После подачи вспомогательным электродом 5 импульса пускового напряжения развивается разрядный канал, между электродом 4 и рабочей частью 6 электрода 3 в окрестности торца электрода 5. Под воздействием протекающего через разрядный канал тока происходит импульсный нагрев в нем газа и возникает в разрядной области 10 ударная волна, распространяющаяся по направлению от канала к входу в кольцевое сопло 11. Движущийся газ вместе с взвешенными в нем частицами загрязнений проходит через кольцевое сопло 11 в расширительный объем 8, по мере перемещения по которому газ периодически расширяется в пазухи между ребрами 9 и остывает, кинетическая энергия движущегося газа уменьшается, взвешенные частицы осаждаются на поверхностях ребер. Чем ниже начальная температура поверхностей ребер и чем больше площадь этих повеpхностей, тем эффективнее будет очищаться газ. Охлаждению стенок расширительной камере способствует конвекция окружающей среды, например, жидкого диэлектрика. Особенно эффективно будут удаляться из разрядного объема загрязнения при вертикальном положении разрядника, как это показано на чертеже. Продукты эрозии электродов от предыдущего разряда частично могут концентрироваться под действием гравитации на дне стакана электрода 3. Ударная волна от последующего разряда будет как бы сгребать их и заносить через кольцевое сопло в пазухи расширительной камеры. Плавное сопряжение боковых стенок и дна стакана электрода 3 (т. е. отсутствие по направлению движения газа каких-либо уступов или пазух) улучшает очистку камеры. Уменьшение грязи на электроде 4, рабочей части 6 электрода 3 и корпусе 2 повышает электрическую прочность разрядника, понижает вероятность его неуправляемого пробоя с числом включений и увеличивает ресурс стабильных управляемых срабатываний коммутатора. Такой разрядник целесообразно наполнять смесью тяжелого электроотрицательного и легкого газов, позволяющей иметь минимальное время задержки срабатывания, ибо разделения компонентов смеси не будет из-за малой протяженности разрядника. Замена газа необходима только после серии запусков разрядника, например, в количестве до нескольких тысяч.

Если вход в сопло 11 расположен ниже плоскости, касающейся поверхности рабочей части 6 электрода 3 в разрядном промежутке и перпендикулярной оси электродов 3 и 4, то часть загрязнений не будет попадать в расширительный объем и будет выноситься в разрядную область, оседая на деталях разрядника и ухудшая его работу, в частности увеличивая вероятность неуправляемого пробоя и уменьшая число стабильных срабатываний. Если вход в сопло 11 расположен выше указанной плоскости, касающейся рабочей части 6 электрода 8, то уменьшается кинетическая энергия ударной волны и ухудшается заброс продуктов загрязнений в расширительный объем, что также уменьшает эффективность работы разрядника.

В других вариантах разрядника может быть более одного расширительного объема; эти объемы могут быть выполнены разъемными для их очистки от загрязнений или для замены другими.

Авторами проведены с положительным результатом испытания макета предложенного разрядника тригатронного типа, установленного вертикально. Разрядник заполнялся смесью 40% SF₆ + 60% N₂ до давления 0,8 МПа и коммутировал емкостный накопитель с запасаемой энергией 2 КДж, заряжаемый до разности потенциалов 100 кВ; амплитуда разрядного тока составляла 80 кА. После заполнения тригатрона смесью газов, герметичного уплотнения его объема и последующего присоединения в разрядную цепь пусковые и электропрочностные характеристики тригатрона не изменились в течение 5 ˙ 10² срабатываний несмотря на небольшой общий объем разрядной и расширительной камер (500 см³). Затем смесь заменяли через каждые 5 ˙ 10² включений при общем числа запусков 2 ˙ 10³. Осмотр тригатрона показал, что поверхности деталей в разрядной камере практически не загрязнены, в то время как толщина отложений продуктов эрозии и коррозии в пазухах расширительного объема достигала 2-3 мм. За время испытаний не было случаев каких-либо неуправляемых пробоев по поверхности изолятора разрядника или между его электродами.

Таким образом, предложенное устройство разрядника является более простым, т. е. не требуются выпускные и впускной клапаны, нет необходимости в диафрагме, разделяющей разрядный и расширительный объемы, в выполнении в ней соплообразных и других отверстий с седлами для клапанов, в герметизации расширительной камеры, в то время как разрядник работает с высокой эффективностью. Упрощается при этом технология изготовления и обслуживания разрядника, не требуется начальная и последующие периодические подстройки клапанов, очистка их седел.

Разрядник перспективен для использования в качестве управляемого сильноточного коммутатора в высоковольтных цепях, когда он заполняется сильноэлектроотрицательным тяжелым дорогим газом или его смесью с легкими газами, когда разрядник должен быть автономен или когда по условиям эксплуатации или иным требованиям нельзя разрядник соединять газовой магистралью с внешним компрессорным устройством. (56) Бабыкин М. В. и др. Долговечные малоиндуктивные разрядники с непрерывным потоком газа. ПТЭ, 1974, N 2, с. 105-107.

Авторское свидетельство СССР N 764027, кл. H 01 T 1/00, 1977.

1. РАЗРЯДНИК , содеpжащий электpоды, установленные в геpметичном газонаполненном коpпусе, отличающийся тем, что, с целью упpощения констpукции pазpядника, один из электpодов выполнен в фоpме стакана, внутpи котоpого коаксиально установлен пpофилиpованный патpубок, один тоpец котоpого pасположен с зазоpом относительно дна и боковой повеpхности стакана, а втоpой сопpяжен с боковой повеpхностью стакана, пpичем втоpой электpод установлен коаксиально внутpи указанного патpубка и обpазует с дном стакана искpовой пpомежуток. 2. Разpядник по п. 1, отличающийся тем, что патpубок и стакан выполнены с наклонными в напpавлении от дна стакана pебpами на пpотивостоящих боковых повеpхностях. 3. Разpядник по пп. 1 и 2, отличающийся тем, что патpубок выполнен в виде конического pастpуба, большее основание котоpого pасположено напpотив дна стакана.