ВЫСОКОВОЛЬТНЫЙ ПЕРЕХОД
HIGH-VOLTAGE JUNCTION

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано для ввода электрических проводников в загрязненную зону через стены и перекрытия герметичных зон, испытательных стендов и других аналогичных объектов, в частности взрывозащитной камеры (ВК).
Одна из самых важных и ответственных операций при проведении взрывных экспериментов - это подача специального высоковольтного импульса для приведения в действие объекта испытаний. При этом в месте установки перехода не должна нарушаться герметичность ВК как во время проведения, так и после окончания экспериментов при длительном сроке хранения камеры.
Известен высоковольтный переход для ввода электрических проводников в загрязненную зону [патент РФ №2457564, МПК Н01В 17/26, опубл. 27.07. 2012], который содержит герметично установленный в стенке металлический корпус, в осевом отверстии которого герметично закреплен изолятор, размещенный между двумя изоляционными элементами, через которые проходит электрический проводник, частью длины впаянный в изолятор, с внешних торцов оба изоляционных элемента уплотнены с корпусом при помощи подвижных гаек, на посадочной поверхности корпуса выполнены канавки для установки в них уплотнительных колец, а материалы корпуса, изолятора (керамики и стекла) и проводника согласованы по коэффициенту линейного теплового расширения.
Изолятор выполнен керамическим и установлен в корпусе при помощи стекла припоечного, а электрический проводник, выполненный из тантала с элементами из титана, запаян стеклом в керамическом изоляторе. Корпус выполнен из титана.
Данное устройство принимается за прототип, как наиболее близкое по технической сущности к заявляемому.
Указанный переход надежен в эксплуатации, однако недостатком является повышенная трудоемкость при изготовлении. Соединение керамического изолятора с корпусом и проводником методом активной пайки (при помощи стекла припоечного) предполагает обеспечение определенных зазоров. При этом сопрягаемые поверхности должны иметь точные посадки, что особенно трудоемко при изготовлении керамического изолятора, где посадки наружных и внутренних поверхностей выполняют шлифовкой и требуют специального инструмента. А сопрягаемые детали перехода (для обеспечения необходимых зазоров) должны быть строго сориентированы друг относительно друга, что требует необходимости изготовления оснастки также повышенной точности. Кроме этого для изготовления электрического проводника составным (из тантала с элементами из титана) необходима сварка, требующая специальной разделки кромок и последующей совместной обработки, что также увеличивает трудоемкость изготовления перехода, соответственно стоимость его возрастает. На трудоемкость влияет также то, что впайка изолятора и проводника в корпус перехода осуществляется последовательно в два этапа: проводник -керамическая втулка, корпус - керамическая втулка (с проводником), в связи с различными температурными режимами применяемого стеклоприпоя. При этом после воздействия температуры (при впекании изолятора), выполненный из титана корпус требует доработки и дополнительных мер для обеспечения дальнейшей сборки, т.к. он меняет геометрию, поверхность металла становится более зернистой, что отрицательно влияет на качество сопрягаемых поверхностей, это особенно важно для создания герметичного перехода, используемого в ВК. В собранном переходе, описанном в прототипе, контроль паяных швов, необходимый для подтверждения условия герметичности перехода, затруднен, т.к. поверхности паяных швов скрыты, и контроль качества производится разрезкой технологических образцов, что также требует дополнительных расходов. Все вышесказанное указывает на повышенную трудоемкость изготовления высоковольтного перехода для обеспечения герметичности, ударостойкости и электрических характеристик при контроле процессов в ВК, содержащих экологически опасные материалы, а также после проведения эксперимента при длительном сроке хранения ВК.
Технический результат, на достижение которого направлено изобретение, заключается в снижении трудоемкости при изготовлении, удешевлении стоимости высоковольтного перехода при обеспечении сохранения герметичности, ударостойкости и электрических характеристик, в т.ч. после проведения эксперимента при длительном сроке хранения ВК.
Технический результат достигается тем, что в высоковольтном переходе в загрязненную зону через металлическую стенку защитной конструкции, содержащем герметично установленный в стенке металлический корпус, в осевом отверстии которого герметично закреплен изолятор, размещенный между двумя изоляционными элементами, через которые проходит электрический проводник, частью длины впаянный в изолятор, с внешних торцов оба изоляционных элемента уплотнены с корпусом при помощи подвижных гаек, на посадочной поверхности корпуса выполнены канавки для установки в них уплотнительных колец, а материалы корпуса, изолятора и проводника согласованы по коэффициенту линейного теплового расширения, согласно изобретению изолятор выполнен стеклокерамическим в виде стеклотаблетки с впеченными в нее с двух сторон керамическими втулками, сопряженными с изоляционными элементами, при этом корпус выполнен из нержавеющей стали, а электрический проводник - из ковара.
Выполнение изолятора стеклокерамическим в виде стеклотаблетки с впеченными в нее с двух сторон керамическими втулками, сопряженными с изоляционными элементами, обеспечивает снижение трудоемкости изготовления перехода при обеспечении высокой ударостойкости, герметичности соединения, т.к. впекание стеклотаблетки в корпус, керамических втулок в стеклотаблетку и впекание проводника в стеклотаблетку происходит одновременно при одинаковом температурном режиме.
При этом впекание в стеклотаблетку керамических втулок дает возможность получить изолятор с большой протяженностью изоляционной поверхности, что обеспечивает электроизоляционные свойства высоковольтного перехода. Кроме этого стеклотаблетка в большинстве случаев стандартизирована, а керамические втулки просты в изготовлении и не имеют высокоточных посадок, поэтому трудоемкость изготовления оснастки также снижена. Химический состав керамики и стекла позволяет создать соединение, в котором стекло диффундирует в поверхностные поры керамики, создавая высокопрочное соединение. Керамическая втулка при впекании частично заглубляется в стеклотаблетку, которая растекаясь, заполняет зазоры между керамикой, корпусом и проводником, создавая дополнительное механическое крепление в виде «замка», которое увеличивает запасы прочностных и электроизоляционных характеристик перехода. Выполненная таким образом конструкция перехода позволяет осуществить первичный визуальный контроль швов сопрягаемых элементов (корпус, стекло-таблетка, проводник), упростив тем самым отбор переходов при проверке на герметичность, необходимую для использования в ВК.
Корпус, выполненный из нержавеющей стали более дешевый в изготовлении по сравнению с титановым корпусом прототипа (меньшая стоимость материала, более технологичные режимы резания). Корпус из нержавеющей стали при впекании проводника после высокотемпературного воздействия не меняет конфигурации и качества обрабатываемых поверхностей, что не требует доработки и дополнительных мер для обеспечения дальнейшей сборки, требующей согласование поверхностей, тем самым, по сравнению с прототипом, снижается трудоемкость изготовления перехода. При этом корпус из нержавеющей стали обеспечивает высокую прочность при ударных нагрузках, возникающих при взрыве в ВК. Выполнение электрического проводника из ковара позволяет, по сравнению с прототипом, исключить дефицитные и дорогостоящие материалы такие как титан и тантал, т.е. удешевить конструкцию и снизить трудоемкость, исключив необходимые для соединения частей проводника (тантал, титан) технологические операции сварки и совместной обработки. При этом единый коваровый проводник обеспечивает минимальное переходное электрическое сопротивление при стыковке с ответной частью и тем самым минимизирует потери, имеющие место при передаче электрического импульса.
Все вышесказанное говорит о том, что конструкция заявляемого высоковольтного перехода, по сравнению с прототипом, обеспечивает снижение трудоемкости изготовления, требует меньших материально-технических затрат и как следствие имеет меньшую стоимость при обеспечении сохранения герметичности, ударостойкости и электрических характеристик, в т.ч после проведения эксперимента при длительном сроке хранения ВК.
Изоляционные элементы выполнены из поликарбоната, обладающего высокими механическими и электроизоляционными свойствами. Наличие уплотнительных колец на посадочной поверхности корпуса перехода высоковольтного обеспечивает его герметичность в стенке ВК.
Для дальнейшего повышения надежности (ударостойкости) конструкции в ВК высоковольтный переход выполнен составным из двух равноценных частей, скрепленных внутри по внешним торцам изоляционных элементов, а снаружи место стыка частей закреплено резьбовым элементом (не показано). В случае подрыва взрывных устройств, содержащих экологически опасные материалы, в полости камеры при возможном разрушении одной из частей перехода (внутренней), другая часть сохраняет свою герметичность и конструкционную целостность после проведения испытаний и продолжает сохранять при длительном сроке хранения ВК, обеспечивая экологическую безопасность окружающей среды.
Наличие в заявляемом изобретении признаков, отличающих его от прототипа, позволяет считать его соответствующим условию «новизна».
Новые признаки, которые содержит отличительная часть формулы изобретения, не выявлены в технических решениях аналогичного назначения.
На этом основании можно сделать вывод о соответствии заявляемого изобретения условию «изобретательский уровень».
На чертеже показана конструкция высоковольтного перехода.
Устройство выполнено следующим образом.
1
2
3
3
1
2
Высоковольтный переход содержит герметично установленный в стенке ВК корпус 1 из нержавеющей стали, в осевом отверстии которого герметично закреплен стеклокерамический изолятор, размещенный между двумя изоляционными элементами 2. Стеклокерамический изолятор выполнен в виде стеклотаблетки 3 с впеченными в нее с двух сторон керамическими втулками 4, сопряженными с изоляционными элементами 2, через которые проходит электрический коваровый проводник 5, частью длины впаянный в стеклотаблетку 3. К обеим концам проводника 5 присоединена посеребренная бронзовая цанга 6. Целостность общей конструкции перехода со стеклокерамическим изолятором обеспечивается выполнением следующего условия: материалы корпуса, стекла и проводника согласованы по КЛТР таким образом, что если КЛТР материала стекла - α, КЛТР проводника - α, а КЛТР материала корпуса соответственно α, то выполняется следующая зависимость α≥α≥α. В результате выполнения этого условия стекло находится в состоянии напряжения сжатия, что необходимо для сохранения целостности металло-стеклянного спая. Сжатый спай обеспечивает герметичность устройства и конструкционную целостность при подрыве взрывных устройств (не показано) в полости камеры и после проведения эксперимента при длительном ее хранении. Изоляционные элементы 2 выполнены из поликарбоната, обладающего высокими механическими и изоляционными свойствами. Каждый изоляционный элемент 2 поджат с внешнего торца к корпусу 1 подвижной гайкой 7. Торцы перехода высоковольтного защищены заглушками 8. На посадочной поверхности корпуса 1 выполнены канавки для установки в них уплотнительных колец 9, обеспечивающих герметичность высоковольтного перехода в стенке ВК (не показано). Для обеспечения монолитности конструкции компенсационные зазоры между стеклокерамическим изолятором, изоляционными элементами 2, корпусом 1 и проводником 7 заливают клеем. Переход высоковольтный снабжен элементами для установки других ответных частей.
Сборка перехода высоковольтного осуществляется следующим образом.
Стеклотаблетку 3, керамические втулки 4 и проводник 5 ориентируют в корпусе 1 специальными графитовыми приспособлениями (центраторами). Полученную сборку помещают в печь, где происходит расплавление стеклотаблетки 3, которая растекаясь, выбирает технологические зазоры между стеклотаблеткой 3 и корпусом 1, а также стеклотаблеткой 3 и проводником 5. Одновременно происходит спекание стеклотаблетки 3 с торцами керамических втулок 4 путем диффундирования стекла в поры керамики. Частично стеклотаблетка 3 затекает в технологические зазоры между керамическими втулками 4 и проводником 5, между керамическими втулками 4 и корпусом 1, создавая тем самым дополнительное механическое крепление в виде «замка», которое обеспечивает прочностные и электрические характеристики перехода. К электрическому проводнику 5 приваривают цанги 6 посеребренной бронзы. Далее в корпус 1 устанавливают изоляционные элементы 2. Для обеспечения монолитности конструкции компенсационные зазоры между стеклокерамическим изолятором и изоляционными элементами 2, корпусом 1 и проводником 7 заливают клеем. Каждый изоляционный элемент 2 с внешних торцов поджимают к корпусу 1 подвижной гайкой 7. Торцы перехода высоковольтного защищают заглушками 8.
На предприятии переход высоковольтный был установлен в загрязненную зону через металлическую стенку взрывозащитной камеры. Были проведены испытания, результаты которых подтверждают герметичность камеры в месте установки перехода, как во время, так и после проведения испытаний. Переход выдержал ударные нагрузки до 5000 g при испытательном напряжении не менее 16 кВ, сохранив герметичность. Попадание продуктов взрыва в окружающую среду при использовании известных методик и средств регистрации не было зафиксировано, что особенно важно при наличии экологически опасных материалов.
Итак, представленные сведения свидетельствуют о выполнении при использовании заявляемого изобретения следующей совокупности условий:
- использование для ввода электрических проводников в загрязненную зону через стены и перекрытия герметичных зон, испытательных стендов и других аналогичных объектов, в частности взрывозащитной камеры;
- снижение трудоемкости при изготовлении, удешевлении стоимости высоковольтного перехода при обеспечении сохранения герметичности, ударостойкости и электрических характеристик, в т.ч после проведения эксперимента при длительном сроке хранения камеры;
- для заявляемого устройства в том виде, в котором оно охарактеризовано в формуле изобретения, подтверждена возможность его осуществления с помощью описанных в заявке и известных до даты приоритета средств и методов.
Следовательно, заявленное изобретение соответствует условию «промышленная применимость».