ГАЗОНАПОЛНЕННЫЙ РАЗРЯДНИК
GAS-FILLED DISCHARGER

Изобретение относится к высоковольтной импульсной технике, а именно к сильноточным импульсным газонаполненным разрядникам, предназначенным для использования в качестве коммутаторов в скважинных электрогидравлических установках.
В Институте импульсных процессов и технологий (г.Николаев, Украина, см. статью K.V.Dubovenko, Yu.I.Kurashko,"The Design, Fabrication end Testing of a Closing Switch for Compact Electrical Discharge Industrial Equipment", 11 th IEEE Pulsed Power Conference, Baltimore, Maryland, 1997, pp.868-874) разработан неуправляемый газонаполненный разрядник для скважинных электрогидравлических аппаратов, работающих в довольно жестких условиях: внешнее гидростатическое давление до 50 МПа, температура до +100°С, рабочее напряжение 27-31 кВ. Разрядник содержит наружный металлический корпус и два рабочих внутренних электрода, расположенных вдоль оси корпуса с зазором 12-13 мм друг относительно друга. Электроды выполнены из нержавеющей стали или молибдена и изолированы от корпуса с помощью длинных гофрированных изоляторов, закрепленных на торцах корпуса. Электроды имеют стержневые токоотводы. Корпус заполнен азотом под атмосферным давлением. Диаметр разрядника 90 мм.
Недостатками разрядника являются большие длина 685 мм и индуктивность 500 нГн. Кроме того, профиль электродов и газовая среда не обеспечивают высокие стабильность срабатывания (разброс напряжения срабатывания достигает 4-5 кВ) и ресурс разрядника.
6
Наиболее близким к заявляемому устройству - прототипом является газонаполненный разрядник (см. Авилов Э.А., Картелев А.Я., Юрьев А.Л., патент РФ №2093917, МПК H01J 17/00, опубл. 20.10.97 г. в БИ №32), содержащий электроды, установленные друг против друга в металлическом корпусе, и изоляторы в виде усеченных конусов, меньшие основания которых закреплены на электродах, а большие - на торцах корпуса, при этом длина образующей изолятора, работающего под импульсным напряжением, выполнена равной 0,4-0,6 длины образующей изолятора, работающего под статическим напряжением.
Корпус разрядника тонкостенный цилиндрический, выполнен из нержавеющей стали, электроды расположены соосно и состоят из рабочей части сферической формы, нерабочей части цилиндрической формы и электродной ножки - токоотвода. Конические изоляторы изготовлены из керамики и имеют различную длину образующих: электрод с укороченным изолятором подключен к нагрузке, а электрод с удлиненным изолятором - к конденсаторной батарее и работает под высоким статическим напряжением. Разрядник заполнен техническим водородом. Диаметр разрядника 84 мм, длина 128 мм. Материалоемкость и индуктивность разрядника примерно в 5 раз меньше, чем у аналога.
Недостатком разрядника-прототипа является его неприспособленность к работе в составе скважинных электрогидравлических установок (при большом гидростатическом давлении и импульсных ударных нагрузках) вследствие малой толщины корпуса и жесткого присоединения электродов к керамическим изоляторам.
При создании данного изобретения решалась задача обеспечения надежных условий работы заявляемого разрядника в составе скважинных электрогидравлических установок, где на установку действует большое гидростатическое давление до 300-500 атм и где токоведущие и изоляционные элементы установки при каждом электрическом разряде в скважинной жидкости подвергаются действию ударных волн амплитудой до 1000 атм.
Техническим результатом изобретения является повышение устойчивости разрядника к повышенным гидростатическим давлениям и импульсным ударным нагрузкам.
Указанный технический результат достигается тем, что по сравнению с известным газонаполненным разрядником, содержащим рабочие электроды с токовыводами, установленные друг против друга в металлическом корпусе, и изоляторы в виде усеченных конусов, меньшие основания которых закреплены на электродах, а большие - на торцах корпуса, новым является то, что разрядник размещен в защитном металлическом кожухе, токовыводы отделены от корпуса и защитного кожуха дополнительными изоляторами, по крайней мере, один из токовыводов содержит упругий элемент.
Кроме того, защитный кожух имеет на концах присоединительные элементы в виде резьбы или фланца; дополнительные изоляторы перекрывают токовыводы по всей их длине; токовыводы и дополнительные изоляторы выполнены с возможностью непроворота друг относительно друга и защитного кожуха; упругий элемент в токовыводе выполнен из пружины, сильфона или оплетки коаксиального кабеля; между корпусом и защитным кожухом установлена амортизирующая прокладка.
Установка внешнего защитного кожуха на газонаполненный разрядник исключает гидростатическое раздавливание разрядника при нахождении скважинной электрогидравлической установки на большой глубине. Кроме того, внешний кожух обеспечивает защиту основных и дополнительных изоляторов разрядника от грязи, масла, воды, соответственно не снижается электропрочность разрядника.
Соединение рабочих электродов газонаполненного разрядника с токовыводами, включающими в себя упругие элементы, обеспечивает:
- гашение осевых механических усилий, возникающих при стыковке разрядника с конденсаторным модулем и электроразрядной камерой скважинной электрогидравлической установки, и исключение передачи осевых усилий - деформаций на электроды и керамические изоляторы газонаполненного разрядника;
- ослабление мощных импульсных ударов, которым подвергается токовывод разрядника, соединенный с анодом электроразрядной камеры, при электрических разрядах в скважинной жидкости;
- ослабление ударной нагрузки на вакуумные спаи между рабочими электродами и основными керамическими изоляторами разрядника, что очень важно при заполнении разрядника водородом (самым сверхтекучим газом).
Установка на токовыводы дополнительных изоляторов уменьшает напряженность электрического поля между токовыводами и корпусом, внешним защитным кожухом разрядника и исключает появление шунтирующих электрических пробоев между ними.
Выполнение токовыводов и дополнительных изоляторов с возможностью непроворота друг относительно друга способствует тому, что при стыковке (свинчивании) разрядника с конденсаторным модулем и электроразрядной камерой скважинной электрогидравлической установки усилие вращения, которое передается через цанги на токовыводы разрядника, не передается далее на рабочие электроды и основные керамические изоляторы газонаполненного разрядника и вакуумные спаи между ними. Соответственно не происходит разрушение основных керамических изоляторов и мест пайки и разрядник не разгерметизируется.
Выполнение торцов (концов) внешнего защитного кожуха с присоединительными элементами, например резьбами или фланцами, упрощает присоединение разрядника к конденсаторному модулю и электроразрядной камере скважинной электрогидравлической установки и, одновременно, обеспечивает хорошие условия контактирования центральных токовыводов и внешнего кожуха разрядника с анодами и корпусами конденсаторного модуля и электроразрядной камеры скважинной электрогидравлической установки.
Установка между корпусом разрядника и внешним защитным кожухом амортизирующей прокладки обеспечивает повышение устойчивости газонаполненного разрядника к внешним механическим ударам, которые наблюдаются при наземной транспортировке узлов скважинной электрогидравлической установки и при быстром спуске ее непосредственно внутрь нефтяной скважины, а также при случайных падениях разрядника.
Таким образом, совокупность новых отличительных признаков обеспечивает работоспособность разрядника при высоких гидростатических давлениях, высоких рабочих напряжениях и механических ударах.
На фиг.1 и 2 изображены в разрезе конструкции заявляемого газонаполненного разрядника для диапазона рабочих напряжений 5-6 кВ и 30-35 кВ соответственно.
На фиг.3 приведена фотография токовывода с упругим элементом в виде сильфона.
На фиг.4 показан общий вид заявляемого разрядника в защитном кожухе.
Газонаполненный разрядник для диапазона рабочих напряжений 5-6 кВ (см. фиг.1) содержит электроды 1 и 2, установленные друг против друга в металлическом корпусе 3, основные изоляторы 4 и 5 в виде усеченных конусов, меньшие основания которых закреплены на электродах 1 и 2, а большие - на торцах корпуса 3. Рабочая полость разрядника заполнена техническим водородом под давлением 3-5 атм. Диаметр корпуса 3 разрядника 84 мм, длина 128 мм. Электроды 1 и 2 выполнены из вольфрамового сплава ВНЖ, основные изоляторы 4 и 5 - из керамики типа ВК94-1.
Разрядник размещен во внешнем стальном защитном кожухе 6 с присоединительными резьбами на концах. Толщина и материал внешнего кожуха 6 выбраны из условия противостояния внешнему гидростатическому давлению 500 атм. Между корпусом разрядника 3 и внешним защитным кожухом 6 установлена эластичная прокладка 7. Диаметр внешнего защитного кожуха разрядника 102 мм, длина защитного кожуха 340 мм.
К электродам 1 и 2 разрядника присоединены через упругие элементы (вставки) 8 и 9 цилиндрические токовыводы 10 и 11. Упругие элементы (вставки) 8 и 9 выполнены из тонкостенных стальных сильфонов (см. фиг.3). Цилиндрические токовыводы 10 и 11 выполнены из латуни. Упругие элементы (вставки) 8 и 9 присоединены к токовыводам 10 и 11 путем сварки.
Токовыводы 10 и 11 отделены от корпуса 3 и защитного кожуха 6 при помощи дополнительных изоляторов 12 и 13, выполненных из капролона. Кроме того, токовыводы 10 и 11 и изоляторы 12 и 13 зафиксированы от проворота друг относительно друга и внешнего защитного кожуха 6.
В газонаполненном разряднике для диапазона рабочих напряжений 30-35 кВ (см. фиг.2) основные детали поз.1-11 выполнены как у разрядника по фиг.1, но дополнительные изоляторы 12 и 13 выполнены удлиненными и перекрывают токовыводы 10 и 11 по всей их длине. Тем самым повышается электропрочность (пробивное напряжение) между токовыводами 10 и 11 и корпусом 3 и защитным кожухом 6.
Благодаря наличию на концах защитного кожуха 6 разрядника присоединительных резьб, а также фиксации токовыводов 10 и 11 и дополнительных изоляторов 12 и 13 друг относительно друга и внешнего защитного кожуха 6 разрядник легко присоединяется (прикручивается) с одной стороны к конденсаторному модулю скважинной электрогидравлической установки, а с другой стороны к нему прикручивается электроразрядная камера, сообщающаяся со скважинной жидкостью, при этом внешний защитный кожух разрядника соединяется с корпусными элементами скважинной установки, а токовыводы разрядника - с высоковольтным токовыводом конденсатора и анодом электроразрядной камеры.
При работе скважинной электрогидравлической установки разрядник выполняет роль быстродействующего закорачивающего электрического ключа. Внешний кожух и один из электродов разрядника, соединенный с анодом электроразрядной камеры, во время заряда конденсаторного модуля установки находятся под нулевым потенциалом. Другой электрод разрядника, соединенный с высоковольтным выводом конденсаторного модуля, находится под высоким статическим напряжением. При достижении на высоковольтном электроде разрядника статического напряжения, равного пробивному напряжению для данного межэлектродного зазора и давления газа, например 30 кВ, происходит быстрое увеличение числа электронных лавин и формирование искрового канала в разряднике. Результатом этих процессов является закорачивание за время менее 10 наносекунд межэлектродного зазора разрядника и подключение конденсаторного модуля к электроразрядной камере скважинной электрогидравлической установки. Далее энергия из конденсаторного модуля установки через разрядник в течение 5-7 мкс передается в электроразрядную камеру, где преобразуется в мощный электрогидравлический удар (в ударную волну и скоростной гидропоток).
Авторами была спроектирована и изготовлена партия из 10 шт. газонаполненных разрядников с заявляемыми и показанными на фиг.3, 4 и 5 отличительными признаками. Все разрядники выдержали гидростатические (до 300 атм) и тепловые (до +105°С) испытания на базе ВНИИ геофизических исследований скважин (г.Октябрьский, Башкирия), а также электрические (до 42 кВ) испытания на базе ВНИИ экспериментальной физики (г.Саров, Нижегородской обл.). В настоящее время разрядники переданы в опытно-промышленную эксплуатацию.
Таким образом, заявляемый разрядник, по сравнению с прототипом, удовлетворяет условиям работы в составе скважинных электрогидравлических установок. По сравнению с аналогом заявленный разрядник имеет в 2 раза меньшие длину, вес и индуктивность.