ГАЗОНАПОЛНЕННЫЙ РАЗРЯДНИК
GAS-FILLED DISCHARGER

Изобретение относится к газоразрядной технике и может быть использовано при создании газоразрядных приборов, например газоразрядных искровых разрядников с высокой механической и электрической прочностью.
Известен газонаполненный искровой разрядник, содержащий оболочку, состоящую из изолятора в виде полого усеченного конуса и металлического корпуса, образованного цилиндром с отбортовкой и ввинченной в него крышкой, сваренных по месту соединения, катод, закрепленный на внутренней поверхности крышки, анод, расположенный на торцевой поверхности меньшего основания изолятора, соединенного сваркой другим основанием с отбортовкой цилиндра [Высоковольтные разрядники-обострители / Ю.В.Киселев, Б.П.Меркулов / - Электронная техника. Серия 4. Электровакуумные и газоразрядные приборы. Выпуск 2(79) / 1980 г., стр.37].
Жесткость конструкции таких разрядников обеспечивается за счет того, что изолятор, выполненный в виде усеченного конуса, выпуклая поверхность которого обращена внутрь разрядника, испытывает усилия на сжатие, при этом изолятор опирается непосредственно на внутреннюю отбортовку металлического корпуса. Вакуумная плотность разрядников со стороны места соединения изолятора с металлическим корпусом осуществляется охватывающим цилиндрическим спаем. Такой спай изолятора с металлическим корпусом возможен при сравнительно небольших геометрических размерах спаиваемых деталей (диаметр деталей не более 50 мм), так как при увеличении их размеров из-за большой разницы теплового расширения спаиваемых деталей при температуре пайки возникает большой зазор, что снижает качество спая, а при толщине стенки металлического корпуса значительно более 1 мм после пайки в массе изолятора в непосредственной близости от места спая возникают сжимающие усилия, приводящие к его разрушению.
Таким образом, недостатком данного разрядника является низкая механическая прочность при использовании металлического корпуса с толщиной стенки более 1 мм.
Известен газонаполненный разрядник, содержащий оболочку, состоящую из металлического корпуса в виде цилиндрического стакана с отбортовкой и размещенного в нем изолятора в виде полого усеченного конуса с боковой цилиндрической поверхностью в его нижней части, два электрода, один из которых закреплен на внутренней поверхности дна цилиндрического стакана, а второй - на поверхности меньшего основания изолятора, внутри которого проходит осевой вывод второго электрода, манжета, расположенная с внутренней стороны нижней части металлического корпуса и соединенная с основанием нижней части изолятора [Авторское свидетельство №932578, H01J 17/02,1982 г.]
Данный газонаполненный разрядник отличается от предыдущих тем, что с целью повышения его механической прочности и надежности за счет устранения изгибающих усилий в спае, между внутренней поверхностью металлического корпуса и торцевой поверхностью нижней части изолятора размещен узел, состоящий из переходного кольца и манжеты, причем переходное кольцо соединено с металлическим корпусом, а манжета - с торцевой поверхностью нижней части изолятора. Конструкция спая позволяет выдерживать высокие избыточные давления (десятки атмосфер) при больших геометрических размерах. Избыточное давление наполняющего газа в такой конструкции вызывает сжимающие усилия в спае, так как усилие на изолятор передается через компенсирующее кольцо и переходное кольцо на внутреннюю отбортовку металлического корпуса.
Недостатком разрядника является ограничение пространства между осевым выводом электрода, расположенного на изоляторе, и металлическим корпусом разрядника, что снижает электрическую прочность разрядника между осевым выводом второго электрода и металлическим корпусом, и создает неоднородность электрического поля при коаксиальном включении нагрузки.
Наиболее близким к предлагаемому изобретению является газонаполненный разрядник, содержащий оболочку, состоящую из металлического корпуса в виде цилиндрического стакана с отбортовкой и размещенного в нем изолятора в виде полого усеченного конуса с боковой цилиндрической поверхностью в его нижней части, два электрода, один из которых закреплен на внутренней поверхности дна цилиндрического стакана, а второй - на торцевой поверхности меньшего основания изолятора, внутри которого проходит осевой вывод второго электрода, манжету, расположенную на внутренней поверхности нижней части металлического корпуса, повторяя ее форму с образованием уступа, в котором установлено основание нижней части изолятора, боковая цилиндрическая поверхность которой соединена с внутренней поверхностью верхней части манжеты швом герметизации, а нижние части манжеты и металлического корпуса соединены друг с другом, например, аргонно-дуговой сваркой [Патент РФ № 2321097, H01J 17/02, H01T 1/00, 2008 г. - прототип]
Недостатком данного разрядника является низкая стабильность динамического напряжения пробоя и ограниченный срок службы, вызванные наличием концентратора напряженности электрического поля. Появление концентратора напряженности электрического поля связано с тем, что при аргонно-дуговой сварке нижней части манжеты с корпусом между ними образуется зазор, величина которого увеличивается к одной из сторон этого соединения, при этом толщина манжеты, спаиваемой с керамикой, имеет размер менее 1 мм. Концентратор напряженности электрического поля на острой кромке манжеты около точки с максимальным зазором между манжетой и внутренней поверхностью корпуса является источником предварительной ионизации непривязанным по уровню и по времени. Это значит, что данный источник ионизации, является дестабилизирующим фактором в работе разрядника. Кроме того, появление концентратора около точки острой кромки манжеты в месте максимального зазора с корпусом вносит асимметрию электрического поля во внутреннем объеме разрядника. Односторонний коронирующий разряд с кромки манжеты вызывает смещение основного разряда между электродами на границу его рабочих поверхностей и приводит к сильному напылению продуктов эрозии на ту часть поверхности изолятора, которая обращена в сторону источника импульсной короны, что влечет за собой снижение электропрочности изолятора и уменьшение долговечности разрядника.
Задачей изобретения является создание газонаполненного разрядника с высокой электрической прочностью и стабильностью динамического напряжения пробоя, при обеспечении согласованности с нагрузкой при коаксиальном включении.
Указанная цель достигается тем, что в известном газонаполненном разряднике, содержащем оболочку, состоящую из металлического корпуса в виде цилиндрического стакана с отбортовкой и размещенного в нем изолятора в виде полого усеченного конуса с боковой цилиндрической поверхностью в его нижней части, два электрода, один из которых закреплен на внутренней поверхности дна цилиндрического стакана, а второй - на торцевой поверхности меньшего основания изолятора, внутри которого проходит осевой вывод второго электрода, манжету, расположенную на внутренней поверхности нижней части металлического корпуса, повторяя ее форму с образованием уступа, в котором установлено основание нижней части изолятора, боковая цилиндрическая поверхность которой соединена с внутренней поверхностью верхней части манжеты швом герметизации, а нижние части манжеты и металлического корпуса соединены друг с другом, например, аргонно-дуговой сваркой, на внутренней поверхности корпуса на уровне верхней границы соединения изолятора с манжетой выполнен дополнительный уступ, а верхняя часть манжеты выше верхней границы ее соединения с изолятором имеет утолщение, выступающее за внешнюю поверхность манжеты над дополнительным уступом, причем утолщение манжеты равно ширине дополнительного уступа и выполнено со скругленными краями, обращенными внутрь полости, образованной корпусом и изолятором.
В предлагаемой конструкции разрядника верхняя часть манжеты выше верхней границы ее соединения с изолятором, охватывающим слоем, имеет утолщение со скругленными краями, обращенными внутрь разрядника, расположенными над дополнительным уступом шириной, равной величине утолщения манжеты. Такое конструктивное исполнение соединения манжеты и корпуса значительно снижает напряженность электрического поля около точки верхней части манжеты, имеющей максимальный зазор с корпусом, и практически не влияет на распределение электрического поля в пространстве разрядника. В этом случае напыление продуктов эрозии равномерно по всей поверхности изолятора, что повышает электрическую прочность разрядника и долговечность в заданном эксплуатационном режиме.
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, позволил 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".
Для проверки соответствия заявленного изобретения требованию изобретательского уровня 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 технические решения, позволяющие повысить электрическую прочность и стабильность динамического напряжения пробоя, а также обеспечить выполнение условия согласования разрядника с коаксиально включенной нагрузкой газонаполненных разрядников, содержащих оболочку, состоящую из металлического корпуса в виде цилиндрического стакана с отбортовкой и размещенного в нем изолятора в виде полого усеченного конуса с боковой цилиндрической поверхностью в его нижней части, два электрода, один из которых закреплен на внутренней поверхности дна цилиндрического стакана, а второй - на торцевой поверхности меньшего основания изолятора, внутри которого проходит осевой вывод второго электрода, манжету, расположенную на внутренней поверхности нижней части металлического корпуса, повторяя ее форму с образованием уступа, в котором установлено основание нижней части изолятора, боковая цилиндрическая поверхность которой соединена с внутренней поверхностью верхней части манжеты швом герметизации, а нижние части манжеты и металлического корпуса соединены друг с другом, например, аргонно-дуговой сваркой, за счет выполнения на внутренней поверхности корпуса на уровне верхней границы соединения изолятора с манжетой дополнительного уступа, а на верхней части манжеты выше верхней границы ее соединения с изолятором утолщения, выступающего за внешнюю поверхность манжеты над дополнительным уступом, причем утолщение манжеты равно ширине дополнительного уступа и выполнено со скругленными краями, обращенными внутрь полости, образованной корпусом и изолятором.
Следовательно, заявленное изобретение соответствует требованию "изобретательский уровень".
Заявленное изобретение поясняется чертежом, где показан один из вариантов предлагаемого газонаполненного разрядника в разрезе.
Газонаполненный разрядник содержит металлический корпус 1 в виде цилиндрического стакана с отбортовкой, изолятор 2 в виде полого усеченного конуса, имеющего боковую цилиндрическую поверхность в его в нижней части, причем выпуклая поверхность изолятора 2 обращена 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 6, в котором установлено основание нижней части изолятора 2, при этом манжета 5 соединена своей нижней частью с металлическим корпусом 1 швом 7, выполненным, например, аргонно-дуговой сваркой, а внутренней поверхностью соединена с боковой цилиндрической поверхностью изолятора 2 швом герметизации 8, сформированным, например, посредством пайки серебросодержащим припоем, дополнительный уступ 9, выполненный на внутренней поверхности корпуса 1 на уровне верхней границы соединения изолятора 2 и манжеты 5, верхняя часть которой выполнена с утолщением 10, имеющим скругленные края, обращенные внутрь полости, образованной корпусом 1 и изолятором 2, при этом утолщение 10 манжеты 5 расположено над дополнительным уступом 9, ширина которого равна величине утолщения 10.
Работает газонаполненный разрядник следующим образом.
Между анодом 3 и катодом 4 прикладывают импульсное напряжение, амплитуда которого нарастает со временем. По достижению напряжения, равного напряжению пробоя, разрядник пробивается и в нагрузке возникает импульс тока, величина и форма которого определяется параметрами разрядной цепи и величиной напряжения пробоя разрядника.
7
6
Использование предлагаемого изобретения позволило создать механически прочный и надежный в работе газонаполненный искровой разрядник-обостритель РО-50 с динамическим напряжением пробоя 250 кВ при давлении наполняющего газа порядка 80 атмосфер и полным согласованием с нагрузкой при коаксиальном включении. Относительный среднеквадратичный разброс динамического напряжения пробоя разрядника-обострителя РО-50 не превышает 1%, а разрядника-обострителя, выполненного согласно конструкции прототипа, составил 3%. Ресурсные испытания данных разрядников подтвердили значительное преимущество разрядника заявленной конструкции. Ресурс РО-50 составил 10 пробоев, что значительно превышает ресурс разрядника-обострителя, взятого за прототип, составляющего 3·10 пробоев.
Такие разрядники найдут широкое применение в рентгеновской дефектоскопии металлоконструкций и при разработке генераторов субнаносекундных импульсов.