СПОСОБ ПОДБОРА ФОРМЫ ЭЛЕКТРОДОВ ВЫСОКОВОЛЬТНЫХ РАЗРЯДНИКОВ
METHOD OF ELECTRODES SHAPES SELECTION FOR HIGH VOLTAGE CHARGE NEUTRALISERS

Изобретение относится к газоразрядной технике и может быть использовано при разработке высоковольтных газоразрядных приборов, например разрядников-обострителей для малогабаритных генераторов импульсов высокого напряжения наносекундной длительности.
Известен способ подбора профиля электродов газонаполненного металлокерамического разрядника (авторов Авилова Э.А., Эльяш С.Л. и Юрьева А.Л., а.с. №2120153, кл. МПК H01J 17/02, опубл. в Бюл. №28, 1998 г.), в соответствии с которым электроды выполняют монолитными, а в качестве профиля их поверхности выбирают профиль Брюса.
Недостатком указанного способа подбора профиля электродов является ограничение по напряжению срабатывания разрядника, которое вызвано монолитностью электродов. При увеличении напряжения пробоя межэлектродного промежутка разрядника выше 200-250 кВ (и, соответственно, увеличении габаритов разрядника) масса и жесткость монолитного электрода, закрепленного на керамическом изоляторе, резко возрастает. Увеличение массы электрода приводит к снижению качества (и прочности) пайки металлокерамического узла, поскольку температурная инерция массивных деталей не позволяет выдержать одно из основных требований технологии пайки (малые времена выдержки при температуре расплавления припоя). Повышение жесткости, в свою очередь, способствует возрастанию остаточных механических напряжений в спае, что в совокупности со снижением прочности шва приводит к появлению течи в паяных швах, отрыву изолятора от металлических деталей и т.д.
Наиболее близким к заявляемому является способ подбора формы электродов газонаполненного разрядника (авторов Белкина Н.В., Гольченко А.Н. и Меркулова Б.П., а.с. №1804263, опубл. в бюл. №27 27.09.96 г., кл. МПК H01T 2/02), в соответствии с которым электрод, расположенный на изоляторе, был разделен на две соосные части в виде тел вращения, имеющих гладкую поверхность. Одна часть является рабочим электродом, образующим с противоположным электродом межэлектродный промежуток, а вторая выполняет роль экрана, снижающего напряженность электрического поля в зоне спая малого основания изолятора. При этом диаметр рабочего электрода может быть в 1.5-2 раза меньше диаметра экрана. Разделение электрода на две части позволило уменьшить массу рабочего электрода и обеспечить пайку обеих частей на изоляторе через тонкостенные детали, что дало возможность повысить качество и надежность паяных швов.
Недостатками способа подбора формы электродов по прототипу является то, что для округления острых кромок электродов были использованы только радиусные поверхности, а подбор формы и взаимного расположения частей электрода, закрепленного на изоляторе, был произведен в достаточной степени произвольно без какого-либо научного обоснования. Это является причиной высокого значения напряженности электрического поля на отдельных участках электрода вне межэлектродного промежутка. Поэтому разрядник по способу-прототипу может надежно работать только при заполнении его рабочим газом с высокой электропрочностью (например, азотом или элегазом). Однако эти газы обладают большим временем восстановления электропрочности и не позволяют обеспечить работу разрядника с частотой выше 100 Гц, что сужает область их применения. Использование в качестве рабочего газа, например, водорода, обладающего значительно меньшим временем восстановления электропрочности, позволяет увеличить частоту работы разрядника на порядок (примерно до 1000 Гц). К тому же в ряде случаев водород позволяет существенно снизить разброс напряжений срабатывания разрядника. Однако заполнение разрядника по прототипу водородом со сравнительно низкой электропрочностью не приведет к положительным результатам: либо будет низким напряжение срабатывания разрядника, либо из-за высокого значения напряженности электрического поля на отдельных участках электрода начнутся несанкционированные пробои вне межэлектродного промежутка (например, с экрана на корпус).
Кроме того, разрядник по прототипу имеет большее отношение диаметра корпуса к рабочему напряжению разрядника по сравнению с аналогом (у аналога этот параметр равен K=50 мм/220 кВ=0.23 мм/кВ; у прототипа K=80 мм/300 кВ=0.27 мм/кВ, т.е. примерно на 20% больше), что приводит к существенному возрастанию габаритов и массы малогабаритных импульсных генераторов, создаваемых на базе таких разрядников.
При создании данного изобретения решалась задача определения способа оптимального подбора профиля поверхности и взаимного расположения частей составных электродов разрядников на напряжения 500 кВ и выше, который позволит обеспечить минимальный диаметр разрядника, повысить его стабильность и надежность при использовании водорода в качестве рабочего газа вместо азота или элегаза.
Техническим результатом является обеспечение максимального значения напряженности электрического поля в зоне межэлектродного зазора и уменьшение ее на периферийной части электродов и поверхностях других деталей разрядника.
Указанный технический результат достигается тем, что по сравнению с известным способом подбора формы электродов для высоковольтных разрядников, заключающимся в том, что, по меньшей мере, один электрод составляют из соосных частей в виде тел вращения, имеющих гладкую поверхность, новым является то, что для определения конфигурации и взаимного расположения частей предварительно создают систему из двух вспомогательных электродов, состоящих из соосно расположенных дисков и/или стержней, и/или цилиндров, определяют форму эквипотенциальных поверхностей электрического поля между ними, выбирают эквипотенциальную поверхность с потенциалом, лежащим в пределах 0.4-0.6 U относительно любого из вспомогательных электродов, где U - напряжение между вспомогательными электродами разрядника, и стыкуемые части электрода располагают внутри касательно и максимально приближенно к выбранной эквипотенциальной поверхности.
Кроме того, стыковку частей осуществляют в зоне с пониженным значением напряженности электрического поля, а части составного электрода могут иметь форму эллипсоида вращения.
Как уже было сказано выше, по меньшей мере один электрод в заявляемом способе выполняют составным по технологическим причинам для обеспечения высокого качества пайки металлокерамического узла разрядника с напряжением срабатывания 500 кВ и выше. При этом, с физической точки зрения, подобранный специальным способом монолитный электрод в лучшей степени позволил бы обеспечить оптимальные характеристики разрядника. Расположение соосных частей составного электрода внутри касательно и максимально близко к поверхности, форма которой совпала бы с формой монолитного электрода, позволит создать электрическое поле в разряднике практически такой же оптимальной конфигурации, что и полученное при помощи монолитного электрода.
Вспомогательные электроды служат для создания электрического поля, эквипотенциальные поверхности которого могут использоваться в качестве поверхности монолитного электрода, обеспечивающего оптимальные характеристики разрядника. Как показывают классические примеры (например, способ подбора профиля электродов Роговского (К.А. Резвых. Расчет электростатических полей в аппаратуре высокого напряжения. - М.: Энергия, 1967, стр.35-39), применение эквипотенциальных поверхностей электрического поля, созданного вспомогательными электродами, позволяет осуществить подбор оптимальной формы электродов, используемых в измерительных и коммутирующих разрядниках.
Поэтому одна из эквипотенциальных поверхностей, полученных при помощи вспомогательных электродов, используется для определения конфигурации и взаимного расположения частей составного электрода. Выбор оптимальной (например, с точки зрения электропрочности зазора между электродом, закрепленным на изоляторе, и корпусом) эквипотенциальной поверхности производится для потенциалов, лежащих в пределах 0.4-0.6 U относительно любого из вспомогательных электродов, где U - напряжение между вспомогательными электродами разрядника, что позволяет значительно сузить круг поиска. Как правило, этот потенциал близок к 0.5 U.
Использование вспомогательных электродов, состоящих из соосно расположенных дисков и/или стержней, и/или цилиндров в различных комбинациях, позволяет осуществить подбор формы поверхности самых различных электродов, пригодных для использования как в открытых разрядниках, так и в разрядниках с металлическим корпусом.
Наилучшее прилегание частей составного электрода к выбранной эквипотенциальной поверхности достигается при близком совпадении профиля каждой из частей с профилем участков этой поверхности, что значительно упрощает и подбор профиля каждой части и взаимного расположения этих частей. В зонах с наименьшей напряженностью поля можно производить стыковку частей составного электрода.
Таким образом, в данном изобретении реализуется указанный технический результат, поскольку при сохранении принципа разделения электрода, по меньшей мере, на две части и закреплении их на изоляторе методом пайки через тонкостенные манжеты (что дает возможность создать разрядники диаметром 120 мм и более на напряжения 500 кВ и выше) способ подбора профиля частей составного электрода позволяет оптимизировать форму электрода, этим повысить электропрочность разрядника, предельно уменьшить его диаметр, повысить стабильность и надежность при использовании в качестве рабочего газа, например, водорода вместо азота или элегаза.
На фиг.1 показана конструкция разрядника по аналогу с монолитным электродом на изоляторе.
На фиг.2 показана конструкция разрядника по прототипу с составным электродом на изоляторе.
На фиг.3 приведены эквипотенциальные линии электрического поля в разряднике по прототипу.
На фиг.4 показан график распределения напряженности электрического поля вдоль образующей составного электрода разрядника по прототипу.
На фиг.5 показаны линии равного потенциала электрического поля в модели разрядника по заявляемому способу, состоящей из вспомогательных электродов в виде дисков, стержней и цилиндров заданных размеров.
На фиг.6 показан электрод разрядника по заявляемому способу, построенный в программе математических вычислений.
На фиг.7 показана конструкция разрядника по заявляемому способу.
На фиг.8 показан график распределения напряженности электрического поля вдоль образующей составного электрода разрядника по заявляемому способу.
На фигурах обозначены следующие элементы:
1 - корпус;
2 - изолятор;
3 - электрод, закрепленный на изоляторе;
4 - электрод, закрепленный на корпусе;
5 - торцевая часть электрода 3 (рабочий электрод);
6 - экранирующая часть электрода 3 (экран);
7 - стержень;
8 - диск;
9 - стержень;
10 - стержень;
11 - диск;
12 - цилиндр;
13 - образующая выбранной эквипотенциальной поверхности;
14 - зона соединения рабочего электрода с экраном;
15 - тонкая Г-образная манжета;
16 - переходник.
Газонаполненные разрядники, выполненные по аналогу и прототипу (фиг.1, фиг.2), содержат оболочку, образованную металлическим корпусом 1 и изолятором 2 в виде полого усеченного конуса, на меньшем основании которого расположен один электрод 3 в виде тела вращения, а другой электрод 4 закреплен на внутренней торцевой поверхности корпуса 1. Электрод 3 металлокерамического разрядника по патенту-аналогу выполнен сплошным, что является серьезным препятствием для увеличения габаритов разрядника с целью увеличить его напряжения срабатывания до 300-500 кВ и выше.
Электрод 3 металлокерамического разрядника по способу-прототипу выполнен из двух частей, соединенных друг с другом и с изолятором через тонкостенные переходники, что позволяет обеспечить надежный спай деталей разрядника. Однако недостаточно проработанная конфигурация и взаимное расположение составных частей приводит к высокому значению напряженности электрического поля на отдельных участках электрода вне межэлектродного промежутка. На фиг.3 приведены результаты расчетов электрического поля в разряднике по способу-прототипу в виде эквипотенциальных линий электрического поля. Буквами А, Б, В обозначены характерные зоны на поверхности составного электрода, которые соответствуют округлениям на экранирующей части и торце рабочей части электрода. Около скруглений этих участков наблюдается заметное сгущение эквипотенциальных линий, что означает повышенную напряженность поля. Количественно ее можно оценить по приведенному на фиг.4 графику распределения напряженности электрического поля вдоль образующей составного электрода разрядника по способу-прототипу. На графике видны всплески напряженности поля на округлениях А и Б экранирующей части. Эти всплески в разряднике заводского исполнения меньше напряженности в межэлектродном зазоре, но при попытке исправить недостатки прототипа (т.е. уменьшить диаметр разрядника или увеличить межэлектродный зазор с целью использования водорода в качестве рабочего газа) напряженность поля на участках А и Б будет превышать напряженность в межэлектродном промежутке, что приведет к несанкционированным пробоям вне промежутка, резкому увеличению разброса напряжений срабатывания и уменьшению ресурса разрядника.
Применяя заявляемый способ подбора формы электродов, можно оптимизировать форму и взаимное расположение частей составного электрода в проектируемом разряднике. Для этого первоначально создается модель разрядника со вспомогательными электродами в виде дисков и/или стержней, и/или цилиндров. На фиг.5 показан пример модели металлокерамического разрядника на 500 кВ. Вспомогательный электрод на изоляторе состоит из стержня 7, диска 8 и стержня 9. При этом стержень 7 служит для формирования поверхности рабочего электрода, диск 8 - экрана, стержень 9 позволяет учитывать влияние токоподвода к электроду на конфигурацию электрического поля. Ответный вспомогательный электрод состоит из стержня 10, диска 11 и цилиндра 12 и позволяет учитывать влияние второго электрода, крышки и корпуса разрядника на конфигурацию электрического поля. Диаметр цилиндра задан заранее и равен внутреннему диаметру корпуса разрядника. Для модели были произведены расчеты координат семейства эквипотенциальных поверхностей, образующие которых показаны на фиг.5. Далее в модели по фиг.5 вспомогательный электрод на изоляторе заменялся промежуточным монолитным электродом, форма которого повторяла форму одной из эквипотенциальных поверхностей с потенциалом, лежащим в пределах 0.4-0.6 U относительно любого из вспомогательных электродов, где U - напряжение между вспомогательными электродами, и производился расчет максимального значения напряженности поля на боковой поверхности промежуточного электрода. Эти расчеты производились для всего семейства эквипотенциальных поверхностей в указанном диапазоне потенциалов. Из всех поверхностей выбиралась та, которая будучи используемой в качестве поверхности промежуточного электрода обеспечивала минимальное значение максимума напряженности на его боковой поверхности (что соответствует максимальной электропрочности разрядника). Выбранная поверхность 13 (фиг.5) использовалась в качестве поверхности, в которой по заявляемому способу (внутри, касательно и максимально приближенно к выбранной эквипотенциальной поверхности) были расположены части рабочего электрода будущего разрядника.
На фиг.6 показан контур составного электрода разрядника на 500 кВ. Здесь же показаны элементы вспомогательного электрода. Конфигурация частей составного электрода (рабочего электрода и экрана) была рассчитана в программе математических вычислений. Поверхность электрода аппроксимировалась эллиптическими кривыми таким образом, чтобы части электрода находились внутри, являлись касательными и были максимально приближены к выбранной поверхности равного потенциала 13. Кроме того, учитывались требования технологии соединения рабочего электрода 5, экрана 6 и изолятора 2. После подбора профиля поверхности составного электрода была разработана конструкция заявляемого разрядника на 500 кВ. Его конструкция приведена на фиг.7.
Как и разрядник по способу-прототипу (см. фиг.2), он содержит оболочку, образованную металлическим корпусом 1 и изолятором 2 в виде полого усеченного конуса, на меньшем основании которого расположен один электрод 3 в виде тела вращения, а другой электрод 4 закреплен на внутренней торцевой поверхности корпуса 1. Электрод 3 разделен на рабочий электрод 5 и экран 6, соединенные друг с другом лазерной сваркой. Сварочный шов располагается в зоне 14 (в углублении между частями 5 и 6) с минимальной напряженностью электрического поля, поэтому микроострия на его поверхности не приводят к пробоям вне межэлектродного промежутка.
К малому основанию изолятора 2 твердым припоем (медью или серебряным припоем) припаяна тонкая Г-образная манжета 15. Электрод 3 закреплен на манжете 15 через переходник 16. Это гарантирует высокую надежность закрепления электрода независимо от габаритов и массы электрода 3. Кроме того, соединение электрода 3, манжеты 15 и переходника 16 осуществляется при помощи аргонодуговой сварки, а не пайки, как в прототипе. Это дает возможность применять для изготовления экрана 6 и переходника 16 вместо традиционного и дорогого ковара более дешевые материалы со сравнительно большим коэффициентом термического расширения (например, сталь 12Х18Н10Т) и проводить контроль конфигурации и состояния электродной системы разрядника перед окончательной сборкой. Последнее способствует уменьшениям трудозатрат на настройку разрядника на рабочие напряжения и повышению стабильности разрядника.
Для разработанного разрядника был построен график распределения напряженности электрического поля вдоль образующей составного электрода 3. График приведен на фиг.8. Участок А-Б на графике соответствует экранирующей части 6 электрода 3, Б-В - рабочему электроду 5. Анализ графика показывает, что максимальная напряженность поля наблюдается в центре электрода, т.е. в зоне межэлектродного промежутка. Она равна 47 кВ/мм, то есть примерно в 1.6 раза меньше, чем в прототипе (75 кВ/мм). Такое снижение напряженности поля в зазоре дает возможность применять водород в качестве рабочего газа. При этом напряженность монотонно спадает к периферии рабочего электрода, что должно способствовать повышению стабильности рабочих напряжений разрядника. Напряженность поля на экране 6 по сравнению с прототипом снижена с 55 кВ/мм до 35 кВ/мм, при этом она значительно меньше напряженности в межэлектродном зазоре. Это гарантирует отсутствие пробоев с экрана 6 на корпус 1 и приводит к повышению ресурса и надежности разрядника.
Разрядник заявляемой конструкции на 500 кВ был изготовлен, заполнен водородом под давлением 3.8 МПа (38 атм) и прошел ресурсные испытания при включении его в разрядную цепь высоковольтного генератора на основе импульсного трансформатора Тесла.
6
Длительность фронта импульса напряжения на разряднике составляла примерно 0.5 мкс, максимум напряжений пробоя - 510 кВ, амплитуда тока через разрядник - около 3-3.5 кА, коммутируемая энергия - 8 Дж. Разрядник был испытан на 10 срабатываний при частоте следования импульсов 5 Гц. В течение цикла испытаний не было отмечено ни одного пробоя на корпус, что доказывает эффективность применения разрядника с заявляемой конструкцией. Относительный среднеквадратичный разброс напряжений срабатывания разрядника не превышал 1.5%, что в 2-3 раза меньше разброса промышленных разрядников РО-49, РО-43, РО-48. Однако при этом удалось повысить рабочее напряжение пробоя разрядника до 500 кВ с обеспечением минимальных габаритов разрядника.
Диаметр разрядника 120 мм, длина 181 мм, величина межэлектродного промежутка 12 мм. Отношение диаметра к рабочему напряжению равно K=120 мм/515 кВ=0.23 мм/кВ, что соответствует этому параметру у аналога и примерно на 20% меньше, чем у прототипа.
Таким образом, применение способа подбора формы составного электрода позволяет создавать разрядники на большие рабочие напряжения срабатывания (500 кВ и выше), предназначенные для малогабаритных импульсных генераторов рентгеновских и электронных пучков и импульсов высокого напряжения наносекундной длительности.