ПЕРЕХОД ВЫСОКОВОЛЬТНЫЙ
HIGH-VOLTAGE TRANSITION

Изобретение относится к области электротехники, а именно к изготовлению вводов электрических проводников в загрязненную зону, в частности во внутреннее пространство герметичного взрывозащитного контейнера (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.
Известен переход высоковольтный в загрязненную зону через металлическую стенку защитной конструкции, в частности взрывозащитной камеры [патент RU №2457564 МПК Н01В 17/26, опуб. 27.07.2012]. Данный переход содержит герметично установленный в стенке металлический корпус с размещенными в нем двумя изоляционными элементами, между которыми помещен керамический изолятор, установленный в корпусе с зазором, заполненным стеклоприпоем, и электрический проводник, который проходит через изоляционные элементы и запаян стеклом в изоляторе, с внешних торцов оба изоляционных элемента уплотнены с корпусом при помощи подвижных гаек, на посадочной поверхности корпуса выполнены канавки для установки в них угаютнительных колец, а материалы корпуса, стекла и керамики согласованы по коэффициенту линейного теплового расширения.
Конструкция данного перехода предусматривает выполнение зазора между корпусом и изолятором, а также электрическим проводником и изолятором, обеспечивающего капиллярное течение стеклоприпоя, что позволяет добиться герметичности. Данный переход выбран в качестве прототипа.
Однако, недостатком известного перехода является недостаточная надежность устройства из-за возможной неоднородности заполнения стеклоприпоем капиллярного зазора между керамическим изолятором и корпусом. Заполнение данного зазора стеклоприпоем проводится по технологии высокотемпературной пайки, качество которой определяется сплошным заполнением стеклоприпоя между сопрягаемыми поверхностями корпуса и керамического изолятора. Однако в зависимости от объема сопрягаемых зазоров возможны наличия дефектов в виде пустот большого размера, что, является браком и отрицательно сказывается на герметичности соединения. Данный дефект является скрытым и практически не подлежит выявлению. Качество паяного шва изделий партии определяется разрезкой контрольных образцов.
Как правило, в данном переходе неоднородности объемов стеклоприпоя возникают при пайке керамического изолятора в корпус, что связано с большой протяженностью паяного шва. Заполнение стеклоприпоем зазора паяного соединения сопровождается следующими физико-химическими процессами:
- капиллярный эффект, который создается за счет величины зазора;
- эффект смачивания стеклоприпоем сопрягаемых поверхностей;
- сила тяжести, под действием которой стеклоприпой доставляется к капиллярному зазору.
Смачиваемость поверхностей достигается вследствие использования специального стеклоприпоя, который химически активно взаимодействует с материалом корпуса и керамикой, минимизируя при этом силы поверхностного натяжения припоя.
Неоднородность объема стеклоприпоя возникает из-за разной величины паяльного зазора между сопрягаемыми поверхностями корпуса и изолятора, определяемой технологическими возможностями изготовления, а также разной шероховатости поверхностей сопрягаемых корпуса и изолятора. Стеклоприпой активно поступает в зазор по поверхностям, обладающим меньшим сопротивлением прохождения (высокая химическая чистота и высокая шероховатость обработки сопрягаемых поверхностей), а участки с большим сопротивлением прохождения создают застойные зоны в виде пустот, при этом дополнительный прогрев изделия не дает положительного результата.
Кроме того, при формировании стеклоспая используют технологические упоры, как правило, из графита. При соприкосновении с керамическими поверхностями изолятора и, особенно со стеклоприпоем, графит внедряется в сопрягаемый материал и снижает изоляционные характеристики устройства. Все это оказывает отрицательное влияние на надежность электрических характеристик герметичного перехода.
Задачей заявляемого изобретения является повышение надежности перехода с обеспечением высокой степени герметичности.
Техническим результатом, на достижение которого направлено заявляемое изобретение, является возможность получения надежного качественного паяного соединения путем вытеснения воздушных пробок между изолятором и корпусом и усиления возможного капиллярного эффекта, обеспечивая создание равномерного сплошь заполненного стеклоприпоем зазора.
Технический результат достигается тем, что переход высоковольтный, содержащий герметично установленный в стенке металлический корпус с размещенными в нем двумя изоляционными элементами, между которыми помещен керамический изолятор, установленный в корпусе с зазором, заполненным стеклоприпоем, и электрический проводник, который проходит через изоляционные элементы и запаян стеклом в изоляторе, 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, стекла и керамики согласованы по коэффициенту линейного теплового расширения, согласно изобретению на внутренней поверхности корпуса со стороны поступления в зазор стеклоприпоя выполнена кольцевая проточка, а со стороны выхода припоя из зазора - кольцевой бурт, при этом изолятор установлен в корпусе с упором в указанный бурт, по внутренней кольцевой поверхности которого организованы выемки.
Выполнение на внутренней поверхности корпуса со стороны поступления в зазор стеклоприпоя кольцевой проточки формирует положительно влияющий на качество спая, близкий к симметрии относительно продольных сопрягаемых поверхностей корпуса и керамического изолятора заходной канал - «воронку», позволяя расплаву стекла проникать в зазор вслед за вытесняемым воздухом, обеспечивая создание равномерного сплошь заполненного стеклоприпоем зазора. В отличие от прототипа, где эффект неравномерности заполнения припоем данного зазора усиливается тем, что воображаемая ось канала поступления стеклоприпоя в зазор между корпусом и изолятором несимметрична поперечному размеру навески порошка стекла припоечного, она практически совпадает с внутренней сопрягаемой поверхностью корпуса, а геометрический центр стеклоприпоя не совпадает с осью поступления стекла в указанный зазор. Как известно расплав стекла имеет форму вогнутого мениска, при этом порошок в указанном в прототипе устройстве, начиная плавиться с наружных поверхностей, может захватывать воздух из объема порошка, создавая воздушные (газовые) пробки, препятствующие свободному заполнению стеклоприпоем зазора между корпусом и керамическим изолятором и отрицательно влияя на надежность стеклоспая.
Выполнение на внутренней поверхности корпуса со стороны выхода припоя из зазора кольцевого бурта, в который с упором установлен изолятор, ограничивает сопрягаемую с корпусом цилиндрическую поверхность капиллярного зазора для свободного выхода припоя. Тем самым стеклоприпой, активно двигающийся по участкам, имеющим меньшее сопротивление прохождения, «запирается» кольцевым буртом, создавая условия для движения стеклоприпоя по участкам, имеющим более высокое сопротивление прохождения.
Наличие по внутренней кольцевой поверхности бурта выемок организует воздухообменные пазы для вытеснения воздушных пробок из зазора и усиления капиллярного эффекта, обеспечивая создание равномерного сплошь заполненного стеклоприпоем зазора. При этом видимость выступающего из пазов стеклоприпоя позволяет визуально оценивать качество пайки, в отличие от прототипа, где качество паяного шва изделий партии определяют разрезкой контрольных образцов. Так же наличие бурта исключает необходимость использования традиционной графитовой технологической оснастки, удешевляя технологию изготовления изделия без ухудшения изоляционных свойств.
Наличие в заявляемом изобретении признаков, отличающих его от прототипа, позволяет считать его соответствующим условию «новизна».
Новые признаки не выявлены в технических решениях аналогичного назначения. На этом основании можно сделать вывод о соответствии заявляемого изобретения условию «изобретательский уровень».
Изобретение иллюстрируется чертежами:
на фиг. 1 - показан общий вид перехода высоковольтного (стрелкой Г показано направление поступления стеклоприпоя в зазор между корпусом и изолятором);
на фиг. 2 - вид А на фиг. 1, показан кольцевой бурт;
на фиг. 3 - показано сечение Б-Б на фиг. 2;
на фиг. 4 - показан вид В на фиг. 1, где Д - ось канала поступления стеклоприпоя.
Устройство выполнено следующим образом.
Переход высоковольтный (фиг. 1) содержит титановый корпус 1, в котором размещены изоляционные элементы 2, 3 с установленным между ними керамическим изолятором 4. Изолятор 4 установлен в корпусе герметично с зазором 5, заполненным стеклоприпоем бис упором в выполненный на внутренней поверхности корпуса 1 со стороны выхода припоя 6 из зазора 5 кольцевой бурт 7 (фиг. 2). Бурт 7 имеет по внутренней кольцевой поверхности выемки 8 (фиг. 3). Со стороны поступления стеклоприпоя 6 в зазор 5 корпус 1 имеет кольцевую проточку 9 (фиг. 4). Изоляционные элементы 2, 3 выполнены из поликарбоната, обладающего высокими механическими и изоляционными свойствами. Каждый изоляционный элемент 2, 3 поджат с внешнего торца к корпусу 1 подвижной гайкой 10. Через изоляционные элементы 2, 3 и керамический изолятор 4 проходит электрический проводник 11. Проводник 11, выполненный из титана с элементом из тантала, посеребренной бронзы, впаян в керамический изолятор 4 при помощи стеклоприпоя 12. На посадочной поверхности корпуса 1 имеются канавки для установки в них уплотнительных колец 13, обеспечивающих герметичность перехода высоковольтного в стенке (не показано) ВК. Переход высоковольтный снабжен элементами для установки других ответных частей. Материалы корпуса, стеклоприпоя и керамики согласованы по коэффициенту линейного теплового расширения.
Технология изготовления заявляемого технического решения поясняется следующим образом.
Предварительно на внутренней поверхности корпуса 1 со стороны поступления стеклоприпоя 6 в зазор 5 между корпусом 1 и керамическим изолятором 4 выполняют кольцевую проточку 9, а со стороны выхода припоя 6 из зазора 5 - кольцевой бурт 7 с равномерно выполненными по внутренней кольцевой поверхности выемками 8. Проточка 9 и кольцевой бурт 7 имеют, как правило, небольшие размеры и мало влияют на электрические характеристики устройства (например, затухание), которые определяются геометрическими размерами изолятора 4 и корпуса 1.
При пайке керамического изолятора 4 в зазоре 5 основной задачей является получение сплошного, равномерно заполненного стеклоприпоем зазора 5. Стабильность равномерного заполнения стеклоприпоем 6 зазора 5 значительно повышает надежность перехода высоковольтного, повышает технологичность изготовления, минимизирует брак.
Пайка осуществляется следующим образом: переход устанавливают вертикально. При этом изолятор 4 устанавливают в корпусе 1 с зазором 5 и с упором в кольцевой бурт 7. Насыпают порошок стеклоприпоя 6, осуществляют его расплавление. Расплав стекла 6 заполняет зазор 5, доходит до бурта 7, где прекращается его заполнение зазора 5 в вертикальном направлении, но продолжается растекание расплава стекла 6 в радиальном направлении. Дальнейший прогрев перехода приводит к прохождению расплава стекла 6 участков зазора 5, обладающих большим сопротивлением прохождения. За счет наличия на внутренней кольцевой поверхности бурта 7 выемок 8 усиливается эффект растекания расплава стекла 6, вследствие выхода воздушных пробок.
Электрический проводник 11 устанавливают в осевом отверстии (не показано) изолятора 4 при помощи стеклоприпоя 12. Затем в корпус по обе стороны от керамического изолятора 4 устанавливают изоляционные элементы 2,3, компенсационные зазоры между которыми и керамическим изолятором 4 заливают клеем. К электрическому проводнику 11 накручивают наконечник 14 с напаянной на него цангой 15, имеющей направляющую поверхность для подстыковки с другими ответными частями (не показано). Каждый изоляционный элемент 2,3 с внешних торцов поджимают к корпусу подвижной гайкой 10. Торцы перехода высоковольтного защищают закоротками 16. На посадочную поверхность корпуса 1 в имеющиеся канавки устанавливают уплотнительные кольца 13, обеспечивающие герметичность перехода высоковольтного в стенке ВК (не показано). Переход готов к применению.
Перечисленные особенности делают конструкцию предлагаемого технического решения более надежной в эксплуатации, что существенно для проходного разъема, используемого при проведении взрывных экспериментов в ВК.
На предприятии был изготовлен опытный образец, который подтвердил работоспособность заявляемого устройства. Переход высоковольтный был введен в загрязненную зону через металлическую стенку защитной конструкции, в частности взрывозащитного контейнера (ВК). Результаты испытаний подтвердили герметичность ВК в месте установки перехода, как во время, так и после проведения испытаний. Попадание продуктов взрыва в окружающую среду при использовании известных методик и средств регистрации не было зафиксировано, что особенно важно в случае взрыва экологически опасных объектов.
Итак, представленные сведения свидетельствуют о выполнении при использовании заявляемого изобретения следующей совокупности условий:
- устройство, воплощающее заявленное изобретение при его осуществлении, предназначено для ввода электрических проводников в загрязненную зону, в частности, во внутреннее пространство герметичного взрывозащитного контейнера (ВК);
- средство, воплощающее заявленное изобретение при его осуществлении, предназначено для повышения надежности перехода с обеспечением высокой степени герметичности;
- 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".