СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ РАЗРЯДНИКА С ВОДОРОДНЫМ НАПОЛНЕНИЕМ
METHOD OF MANUFACTURING HYDROGEN-FILLED DISCHARGER

Изобретение относится к газоразрядной технике и может быть использовано при разработке газонаполненных разрядников с водородным наполнением, имеющих большую долговечность и высокую стабильность динамического напряжения пробоя.
Известен способ изготовления газонаполненного разрядника, включающий сборку прибора, пайку, тренировку в среде инертного газа, откачку и наполнение рабочим газом [Патент США №3023069, 316-26, 1926].
Недостатком указанного выше способа является то, что он не пригоден для изготовления газонаполненных разрядников с водородным наполнением, т.к. в процессе работы таких разрядников при изготовлении их указанным способом наблюдается напыление токопроводящих продуктов эрозии материала электродов на изоляционную оболочку прибора, приводящее к неравномерному распределению потенциала электрического поля вдоль образующей поверхности изоляционной оболочки, которое по мере напыления продуктов эрозии материала электродов создает на поверхности изоляционной оболочки напряженность электрического поля, превышающую критическую, при которой развивается пробой, приводящий к потере электрической прочности.
Известен способ изготовления разрядника с водородным наполнением, заключающийся в размещении элементов конструкции в оболочке, включающей изолятор, наполнении оболочки электроотрицательным газом (элегазом) или его смесью с инертным газом и/или азотом, тренировке с последующим удалением газа из оболочки, промывке ее водородом и наполнении рабочим газом до давления, обеспечивающего заданное динамическое напряжение пробоя [Патент РФ №2313849, H01J 17/20, 2006 г.].
4
2
2
2
Тренировка газонаполненных разрядников в элегазе приводит к разложению шести-фтористой серы в результате окислительно-восстановительной реакции с металлическими парами материала электродов, образующихся в разряде. Продуктами разложения являются SF, SF, SF, окислы материала электродов и сера, которые осаждаются на внутренней поверхности элементов разрядника. Продукты разложения не являются токопроводящими, поэтому они не влияют на распределение электрического поля вдоль образующей изолятора и, следовательно, не снижают его электрическую прочность.
В процессе работы газонаполненного разрядника с водородным наполнением на изоляционной поверхности его оболочки вследствие неравномерного осаждения токопроводящих продуктов эрозии материалов электродов, образующихся в восстанавливающей среде водорода, происходит перераспределение потенциала электрического поля вдоль образующей поверхности изолятора и создаются условия для скользящего пробоя по изолятору. Наличие же предварительно осажденного материала, содержащего низшие фториды серы, тормозит развитие разряда по внутренней поверхности изолятора и способствует экранированию неоднородностей металлических поверхностей оболочки разрядника, образующихся при изготовлении в процессе механической обработки и, тем самым, повышает электрическую прочность разрядника.
Основным недостатком данного способа изготовления разрядника является низкая стабильность динамического напряжения пробоя в процессе наработки, что является важным фактором, ограничивающим его долговечность.
Наиболее близким к заявленному изобретению является способ изготовления газонаполненного разрядника с водородным наполнением, заключающийся в размещении элементов конструкции в оболочке, включающей изолятор, наполнении оболочки электроотрицательным газом, тренировке с последующим удалением газа из оболочки, промывке ее водородом и наполнении рабочим газом до давления, обеспечивающего заданное динамическое напряжение пробоя между электродами, после чего на электроды подают импульсы напряжения и проводят тренировку в рабочем режиме при условии, что динамическое напряжение пробоя между электродами находится на уровне напряжения скользящего пробоя по внутренней поверхности изолятора с исключением возможности пробоя по изолятору [Патент РФ №2560096, H01J 17/02, 2015 г. - прототип].
Высокая электрическая прочность и стабильность динамического напряжения пробоя в разрядниках, изготовленных указанным способом, осуществляется за счет стабилизации разрядных процессов в основном межэлектродном промежутке и на внутренней поверхности изолятора, вызванной их взаимным регулирующим воздействием. Примерное равенство динамического напряжения пробоя основного разрядного промежутка напряжению скользящего коронирующего разряда по внутренней поверхности изолятора создает условие для стабильной по времени предварительной ионизации основного разрядного промежутка скользящим коронным разрядом по изолятору в момент, предшествующий пробою основного промежутка. Коронный скользящий разряд по изолятору в этом случае сильно стабилизирует разрядные процессы в основном разрядном промежутке и вызывает его пробой при максимальном динамическом напряжении. Пробой же основного разрядного промежутка шунтирует разрядные процессы по поверхности изолятора и, тем самым, предотвращает его от пробоя, что способствует значительному увеличению электрической прочности разрядника и, следовательно, долговечности.
Недостатком такого способа изготовления разрядника является сильное влияние неточности выбора соотношения динамического напряжения пробоя и напряжения скользящего пробоя по внутренней поверхности изолятора, которая влияет на стабильность динамического напряжения пробоя разрядника и его долговечность в заданном эксплуатационном режиме.
Задачей предлагаемого изобретения является создание способа, позволяющего изготавливать разрядники с водородным наполнением, с большой долговечностью и высокой стабильностью динамического напряжения пробоя за счет правильного выбора равновесного состояния в разряднике, когда динамическое напряжение пробоя разрядного промежутка находится на уровне напряжения скользящего пробоя по внутренней поверхности изолятора.
Указанный технический эффект достигается тем. что в известном способе изготовления разрядника с водородным наполнением, заключающемся в размещении элементов конструкции в оболочке, включающей изолятор, наполнении оболочки электроотрицательным газом, тренировке с последующим удалением газа из оболочки, промывке ее водородом и наполнении рабочим газом до давления, обеспечивающего заданное динамическое напряжение пробоя, после чего на электроды разрядника подают импульсы напряжения и проводят тренировку в рабочем режиме при условии, что динамическое напряжение пробоя находится на уровне напряжения скользящего пробоя по внутренней поверхности изолятора с исключением возможности пробоя по изолятору, в процессе наполнения разрядника рабочим газом первоначально его наполняют до давления, при котором величина динамического напряжения пробоя на 5÷10% больше напряжения равновесного состояния, когда динамическое напряжение пробоя равно напряжению скользящего пробоя по внутренней поверхности изолятора, после чего на электроды разрядника подают импульсы напряжения и тренируют до стабилизации динамического напряжения пробоя, затем постепенно снижают давление до момента установления динамического напряжения пробоя на уровне напряжения скользящего пробоя по внутренней поверхности изолятора с исключением возможности пробоя по изолятору и достижения заданного значения динамического напряжения пробоя, лежащего в пределах:
0
пб.дин.
0,
0.9U<U<1-05 U где
0
U - напряжение равновесного состояния, когда динамическое напряжение
пробоя равно напряжению скользящего пробоя по внутренней поверхности изолятора.
ск.пб
ск.пб.
пб.дин.
0
пб.дин.
пб.дин.
ск.пб.
Определение равновесного состояния в разряднике с заданным динамическим напряжением пробоя заключается в решение системы двух уравнений, выражающих зависимости динамического напряжения пробоя при выбранном межэлектродном расстоянии и напряжения скользящего пробоя по внутренней поверхности изолятора от давления наполняющего газа. Точка пересечения этих кривых есть графическое решение системы уравнений и выражает равновесное состояние разрядника. Данная задача очень трудоемкая и решается для каждого типа разрядника в процессе производства с использованием статистических данных. Следует учитывать, что разрядная кривая изолятора, т.е. U=F(p,h), где: U - напряжение скользящего пробоя по внутренней поверхности изолятора; р - давление наполняющего газа; h - длина образующей изолятора, для каждого из партии изготавливаемых разрядников отличается друг от друга и зависит от многих факторов кроме геометрических размеров изолятора, рода и давления наполняющего газа. На величину напряжения скользящего пробоя по изолятору сильное влияние оказывает состояние кромки металлизации: толщина металлизации и степень ее экранировки. По указанной выше причине разрядные кривые изоляторов с учетом технологии их изготовления (способов приготовления металлизационной пасты и ее нанесение на изолятор) значительно отличаются друг от друга, что заведомо вносит ошибку в определении равновесного состояния. Устранение возможной ошибки при использовании предлагаемого способа изготовления газонаполненного разрядника с водородным наполнением для каждого типа разрядника, определяемого длинной образующей изолятора осуществляется путем наполнения его рабочим газом до давления, при котором величина динамического напряжения пробоя U больше напряжения равновесного состояния U на 5÷10%, после чего на электроды разрядника подают импульсы напряжения и тренируют до стабилизации динамического напряжения пробоя U постепенно снижают давление до момента установления U на уровне U с исключением возможности пробоя по изолятору и достижения заданного значения динамического напряжения пробоя, лежащего в пределах:
0
пб.дин.
0
0.9U<U<1-05U
0
ск.пб.
Для рабочей точки, лежащей на динамической кривой выше точки равновесного состояния U характерны пробои по внутренней поверхности изолятора, которые фиксируются по осциллограмме напряжения между электродами разрядника. Уменьшение давления внутри разрядника приводит к смещению рабочей точки вниз по динамической кривой. И когда рабочая точка динамической кривой станет общей точкой с разрядной кривой изолятора (зависимость напряжения скользящего пробоя U от давления р) наступит равновесное состояние, при котором отсутствуют скользящие пробои по изолятору.
Постоянство и высокая стабильность динамического напряжения пробоя после изготовления разрядника указанным выше способом характеризует правильность выбора межэлектродного расстояния и давления наполняющего газа (водорода) с целью получения равновесного состояния для заданного динамического напряжения пробоя разрядника.
Проведенный заявителем анализ уровня техники, включающий поиск по патентным и научно-техническим источникам информации, и выявление источников, содержащих сведения об аналогах заявленного изобретения, позволяет установить, что заявителем не обнаружен аналог, характеризующийся признаками, идентичными признакам заявленного изобретения, а определение из перечня выявленных аналогов прототипа, как наиболее близкого по совокупности признаков аналога, позволило выявить совокупность существенных по отношению к усматриваемому заявителем техническому результату отличительных признаков в заявленном объекте, изложенных в формуле изобретения.
Следовательно, заявленное изобретение соответствует требованию "новизна".
пб.дин.
0
пб.дин.
ск.пб.
Для проверки соответствия заявленного изобретения требованию "изобретательский уровень" был проведен дополнительный поиск известных решений с целью выявления признаков, совпадающих с отличительными от прототипа признаками заявленного изобретения, результаты которого показывают, что заявленное изобретение не следует для специалиста явным образом из известного уровня техники, так как не выявлены способы изготовления разрядников, позволяющие повысить долговечность и стабильность динамического напряжения пробоя за счет точного выбора равенства динамического напряжения пробоя разрядного промежутка напряжению скользящего пробоя по внутренней поверхности изолятора путем наполнения рабочим газом (водородом) до давления, при котором величина динамического напряжения пробоя U больше напряжения равновесного состояния U на 5÷10%, последующей подачи на электроды разрядника импульсов напряжения и тренировке до стабилизации динамического напряжения пробоя, постепенного снижения давления до момента установления Uна уровне U с исключением возможности пробоя по изолятору и достижения заданного значения динамического напряжения пробоя, лежащего в пределах:
0
пб.дин.
0
0.9U<U<1-05U
Предлагаемый способ изготовления разрядника с водородным наполнением поясняется чертежами.
На фиг. 1 показана базовая конструкция газонаполненных разрядников-обострителей РО-43 и РО-49.
ск.пб.
На фиг. 2 представлены кривые изменения динамического напряжения пробоя разрядника РО-43 для пяти фиксированных значений межэлектродного расстояния s, зависимость импульсного напряжения скользящего пробоя U=F(p,h) при h=30 мм от давления наполняющего газа и относительный среднеквадратичный разброс напряжения пробоя от давления в разряднике для фиксированного значения межэлектродного расстояния s=3,2 мм.
ск.пб
На фиг. 3 представлены кривые изменения динамического напряжения пробоя разрядника РО-49 для четырех фиксированных значений межэлектродного расстояния s, зависимость импульсного напряжения скользящего пробоя U=F(p,h) при h=42 мм от давления наполняющего газа и относительный среднеквадратичный разброс напряжения пробоя от давления в разряднике для фиксированного значения межэлектродного расстояния s=3,5 мм.
Зависимости импульсного напряжения скользящего пробоя по изолятору для приборов РО-43 и РО-49 снимались из условия, что импульсная разрядная кривая является геометрическим местом точек равновесного состояния, когда динамическое напряжение пробоя примерно равно напряжению скользящего пробоя по изолятору, т.е. в этих точках наблюдаются скользящие пробои по изолятору. Снятие разрядной кривой для каждого типа разрядника осуществлялось на группе приборов с фиксированными значениями межэлектродного расстояния. Как уже указывалось выше, на характер разрядной кривой сильное влияние оказывает состояние кромки металлизации: толщина и степень ее экранировки. Поэтому разрядные кривые изоляторов приборов РО-43 и РО-49 (фиг. 2, фиг. 3) строились по усредненным значениям с внесением существенной ошибки в определение равновесного состояния. Предлагаемый способ изготовления полностью устраняет ошибку в определении равновесного состояния.
Изготавливаемый согласно заявляемого способа разрядник-обостритель (фиг. 1) содержит корпус 1 в виде цилиндрического стакана с отбортовкой, изолятор 2 в виде усеченного конуса, обращенного внутрь металлического корпуса 1, электроды - анод 3, закрепленный на внутренней поверхности дна металлического корпуса 1, и катод 4, размещенный на торцевой поверхности меньшего основания изолятора 2, манжета 5, расположенная на внутренней поверхности нижней части металлического корпуса 1, повторяя форму этой поверхности с образованием уступа, в котором установлено основание нижней части изолятора 2, при этом манжета 5 соединена своей нижней частью с металлическим корпусом 1 швом, выполненным аргонно-дуговой сваркой, а внутренней поверхностью соединена с боковой цилиндрической поверхностью изолятора 2 швом герметизации посредством пайки припоем.
Способ изготовления высоковольтного искрового разрядника с водородным наполнением заключается в следующем.
6
пб.дин.
0
пб.дин.
пб.дин.
ск.пб
После размещения элементов конструкции в оболочке разрядника, наполнении ее электроотрицательным газом, например, элегазом (SF) или его смесью с инертным газом и/или азотом с тренировкой на испытательном стенде при подаче импульсного напряжения на электроды разрядника с последующим удалением газа из оболочки, промывки разрядника водородом и откачки его из прибора проводят наполнение разрядника водородом до давления, при котором величина динамического напряжения пробоя U. больше напряжения равновесного состояния U на 5÷10%, после чего на электроды разрядника подают импульсы напряжения и тренируют до стабилизации динамического напряжения пробоя U после чего постепенно снижают давление до момента установления U на уровне U с исключением возможности пробоя по изолятору и достижения заданного значения динамического напряжения пробоя, лежащего в пределах:
0
пб.дин
0
0,9U<U<1,05U
При изготовлении в процессе тренировки разрядника напряжение пробоя от импульса к импульсу медленно растет и стабилизируется в пределах заданного значения, определяемого межэлектродным расстоянием, давлением наполняющего газа и правильным выбором геометрических размеров межэлектродного расстояния S и образующей изолятора h, при которых создаются условия примерного равенства динамического напряжения пробоя и напряжения скользящего пробоя по изолятору. Динамическое напряжение пробоя разрядника и импульсное напряжение скользящего пробоя по изолятору контролируются по осциллограммам. Осциллограмма напряжения скользящего пробоя по изолятору отличается от осциллограммы динамического напряжения пробоя разрядного промежутка формой импульса после пробоя, вызванной изменением параметров разрядного контура, в частности, из-за увеличения индуктивности разрядного контура. Стабилизация пробоя основного разрядного промежутка в процессе тренировки осуществляется регулирующим действием интенсивности свечения коронирующего разряда по поверхности изолятора и созданием равномерной микроструктуры рабочих поверхностей электродов. Если в процессе тренировки произошел скользящий пробой по изолятору, то в дальнейшем динамическое напряжение пробоя будет изменяться от импульса к импульсу плавно вслед за изменением амплитуды импульса напряжения скользящего пробоя по изолятору до момента его стабилизации, при котором отсутствуют скользящие пробои по изолятору. Условие опережающего пробоя основного разрядного промежутка объясняется ионизационным воздействием коронирующего разряда по изолятору с максимальной интенсивностью свечения перед пробоем разрядного промежутка и правильным выбором конструктивных параметров разрядника. Такая работа разрядника имеет место при соблюдении условия, когда динамическое напряжение лежит в пределах выражения:
0
пб.дин
0
0,9U<U<1,05U
ск.пб.
пб.дин.
ск.пб
Кривые (фиг. 2) были построены путем выбора дискретных значений межэлектродного расстояния разрядника РО-43 и изменения давления наполняющего газа. При этом по осциллограммам напряжений фиксировались точки скользящих пробоев и строился график функции U=F(p), как геометрическое место точек, соответствующих равновесному состоянию в разряднике, когда динамическое напряжение пробоя равно напряжению скользящего пробоя по изолятору для разных значений межэлектродного расстояния. Из Фиг. 2 видно, что кривые семейства U=F(p,s) при увеличении давления р пересекают разрядную кривую U=F(p) в точках равновесного состояния, а при дальнейшем увеличении давления наполняющего газа динамическое напряжение пробоя увеличивается и график функции идет выше разрядной кривой практически повторяя ее форму. Динамическое напряжение пробоя в этой части кривой имеет высокую стабильность, т.к. яркость свечения импульсной короны в этом случае выше яркости свечения в равновесном состоянии, когда динамическое напряжение пробоя равно напряжению скользящего пробоя по изолятору. Данная область изменения динамического напряжения пробоя при превышении давления равновесного состояния характеризуется неустойчивой работой разрядника, т.к. динамическое напряжение пробоя несколько превышает напряжение пробоя по изолятору при выбранном давлении. Равновесное состояние в этом случае поддерживается нестабильным от импульса к импульсу объемным зарядом в непосредственной близости концентратора напряженности в месте спая изолятора с металлом. Электрическое поле объемного заряда противодействует полю от приложенного импульсного напряжения и, тем самым, повышает электрическую прочность изолятора.
o
пб.дин.
0
Области допустимых значений динамического напряжения пробоя и давления наполняющего газа в окрестности точки равновесного состояния, как показала практика работ в процессе серийного производства разрядников-обострителей РО-43, РО-48, РО-49 и РО-50, определяются соотношением 0,9 U<U<1,05U и динамическими характеристиками разрядника.
пб.дин.
0
ск.пб.
При U<1,05U равновесное состояние в разряднике нарушается, т.к. напряжение, приложенное к изолятору, превышает его электрическую прочность (рабочая точка динамической характеристики лежит выше разрядной кривой - U=F(p)) и появляются частые скользящие пробои по поверхности изолятора, приводящие к значительному ограничению долговечности разрядника. Стабильность же динамического напряжения пробоя и напряжения скользящего пробоя в этой области очень высокая.
пб.дин.
0
пр.дин.
пб.дин.
пб.дин.
cк.пб.
пб.дин.
0
0
пб.дин.
0
0
пб.дин.
0
пб.дин.
При U<0,9U относительный среднеквадратичный разброс динамического напряжения δU>3%, что не соответствует требованиям технических условий на разрядники-обострители. На Фиг. 2 представлена зависимость среднеквадратичного разброса динамического напряжения пробоя разрядника РО-43 для одного фиксированного значения межэлектродного расстояния S=3,2 мм как функция от давления (δU=F(p)). Для межэлектродных расстояний S<3,2 динамические характеристики [δU=F(p,s)] пересекают разрядную кривую [U=F(p)] в точках, лежащих выше точки пересечения динамической кривой разрядника с межэлектродным расстоянием S=3,2 мм. Среднеквадратичный разброс динамического напряжения пробоя в этом случае значительно меньше 3%, т.к. интенсивность подсветки импульсной короной выше, чем для S=3,2 мм. Из Фиг. 2 видно, что исходя из допустимого значения относительного среднеквадратичного разброса динамического напряжения (δU<3%) динамическое напряжение следует выбирать на динамической характеристики разрядника с выбранным межэлектродным расстоянием S=3,2 мм более 0,9 U, но менее 1,05U. Верхний предел значения динамического напряжения пробоя- U=1,05U выбирается исходя из условия стабильной работы без присутствия скользящих пробоев по изолятору, ограничивающих долговечность. Для разрядника РО-43 с выбранным межэлектродным расстоянием S=3,2 мм динамическое напряжение пробоя при условии соблюдения равновесного состояния составляет 186,5 кВ при давлении наполняющего газа водорода Р=64 атм. В этом случае при соблюдении условия 0,9U<U<1.05U динамическое напряжение лежит в пределах U=(166,5÷195) кВ, а давление наполняющего газа Р=(55÷70) ати.
Примерное равенство динамического напряжения пробоя разрядника напряжению скользящего пробоя по изолятору дает возможность предварительной ионизации основного разрядного промежутка на самом верхнем уровне в непосредственной близости от момента пробоя между электродами, а сам способ изготовления дает возможность получения равновесного состояния с очень высокой точностью, что значительно повышает стабильность динамического напряжения пробоя разрядника и его долговечность, а также уменьшить время коммутации, что очень важно при формировании коротких электромагнитных импульсов наносекундной длительности.
Предлагаемый способ изготовления газонаполненного разрядника с водородным наполнением был опробован при изготовлении серийно выпускаемых разрядников-обострителей РО-43, РО-49 с динамическим напряжением пробоя 190 и 260 кВ соответственно. В результате проведенных ранее исследовательских работ и в процессе производства разрядников-обострителей установлено, что для выполнения условия примерного равенства динамического напряжения пробоя разрядного промежутка напряжению скользящего пробоя по внутренней поверхности изолятора в разрядниках РО-43 с длиной образующей изолятора h=30 мм и динамическим напряжением 180÷195 кВ необходимо выбрать межэлектродное расстояние S=3±0,2 мм и давление наполняющего газа (водорода) р=70±5 ати, а в разрядниках РО-49 с длиной образующей изолятора h=42 мм с динамическим напряжением 245÷255 кВ необходимо выбирать S=3,5±0,2 мм и давление наполняющего газа (водорода) р=70±5 ати. Эти результаты получены с помощью графического решения системы двух уравнений, выражающих зависимости динамического напряжения пробоя при выбранном межэлектродном расстоянии и напряжения скользящего пробоя по внутренней поверхности изолятора от давления наполняющего газа.
7
Как показала практика работ при производстве разрядников-обострителей РО-43. РО-48. РО-49, РО-50 и других, использование предлагаемого способа изготовления газонаполненного разрядника позволит значительно повысить стабильность динамического напряжения пробоя, долговечность разрядника (более 10 пробоев) и обеспечить малое время коммутации (менее 1 нс).
Таким образом, заявленный способ изготовления позволяет создать разрядники с водородным наполнением с высокими долговечностью и стабильностью срабатывания. Разрядники-обострители, изготовленные заявленным способом, найдут широкое применение в разработке и изготовлении мощных генераторов сверхкоротких электромагнитных импульсов для проведения исследовательских работ по обеспечению электромагнитной совместимости технических систем, испытания радиотехнических средств на стойкость к воздействию электромагнитных импульсов и других целей.