СПОСОБ ПОДБОРА ПРОФИЛЯ ПОВЕРХНОСТИ ЭЛЕКТРОДОВ ДЛЯ ВЫСОКОВОЛЬТНЫХ РАЗРЯДНИКОВ
METHOD TO SELECT PROFILE OF ELECTRODES SURFACE FOR HIGH-VOLTAGE DISCHARGERS

Изобретение относится к высоковольтной технике и может быть использовано при разработке высоковольтных малогабаритных разрядников с электродами самых различных конфигураций.
Известен способ подбора профиля электродов, при котором в качестве поверхности электродов измерительных и коммутирующих разрядников используют сферические поверхности (А.А.Воробьев. Высоковольтное испытательное оборудование и измерения. - М.-Л.: Госэнергоиздат, 1960, стр.444-450). Недостатком этого способа являются большие габариты сферических электродов и требование достаточной удаленности электродов от заземленных деталей; в противном случае нельзя гарантировать надежную работу и высокую стабильность разрядника в течение длительного промежутка времени. Указанные недостатки приводят к возрастанию габаритов разрядника или ухудшению его параметров.
Известен способ подбора профиля электродов, при котором в качестве поверхности электродов используют более компактный профиль Брюса (А.А.Воробьев. Высоковольтное испытательное оборудование и измерения. - М.-Л.: Госэнергоиздат, 1960, стр.451-452). Брюс для измерения статического и импульсного напряжений использовал электроды в виде двух параллельных плоскостей, края которых скруглены участками, образующая одного из которых является дугой окружности, а образующая другого описывается синусоидой при изменении ее аргумента от 0 до π/2. При этом края электродов имеют плавно изменяющуюся кривизну, что позволяет значительно уменьшить габариты электродов по сравнению со сферическими.
Недостатком этого способа является также необходимость удаления электродов от заземленных деталей разрядника и невозможность коррекции профиля поверхности электродов для адаптации их к конкретному разряднику с целью увеличения электропрочности, надежности и долговечности.
Наиболее близким к заявляемому является способ подбора профиля поверхности электродов, при котором в качестве поверхности электродов используют профиль Роговского (К.А.Резвых. Расчет электростатических полей в аппаратуре высокого напряжения. - М.: Энергия, 1967, стр.35-39).
Профиль Роговского был предназначен для создания обкладок плоских конденсаторов (например, керамических), электродов разрядников и т.д. Поверхности таких электродов отличаются плавным изменением радиуса кривизны вдоль своей образующей и позволяют создавать участки однородного электростатического поля с максимальной электропрочностью межэлектродного промежутка.
Образующие поверхностей электродов Роговского имеют форму эквипотенциальных линий электрического поля, образованного двумя вспомогательными электродами в виде плоскости и полуплоскости. Эти линии описываются формулами
,
,
где ∞<φ<∞ - промежуточный параметр;
0<ψ=π - параметр, определяющий вид эквипотенциали и, соответственно, форму электродной поверхности;
- расстояние между плоскостью и полуплоскостью;
S - параметр, равный половине зазора между электродами Роговского.
В отличие от электродов со сферической поверхностью и электродов Брюса, кривизна поверхности электродов Роговского может изменяться путем подбора параметров S и ψ, что позволяет в какой-то степени регулировать значения напряженности электрического поля на разных участках электродной поверхности.
Недостатками этого способа подбора профиля электродов является то, что:
- электроды Роговского, как и все вышеперечисленные, должны быть удалены от заземленных узлов высоковольтного устройства на достаточно большое расстояние, что создает большие трудности при создании компактных разрядников с минимальными габаритами; последнее особенно относится к разрядникам с металлическим корпусом;
- изменение формы электродной поверхности может производиться только в ограниченных пределах по той причине, что семейство эквипотенциальных линий электрического поля по Роговскому формируется вспомогательными электродами только одного вида (плоскость и полуплоскость);
- при попытке значительно увеличить радиусы скругления острых кромок электродов путем увеличения параметра S на их торцах (которые для обеспечения однородного электрического поля в межэлектродном зазоре должны быть плоскопараллельны) появляется конический участок с острием, что приводит к снижению стабильности напряжений пробоя и ресурса работы разрядника;
- напряженность поля на скругленных краях электродов Роговского, как правило, на 10%-15% выше, чем в центре межэлектродного промежутка. Это практически не сказывается на работе плоского конденсатора с обкладками в виде электродов Роговского, но в разряднике может привести к пробоям вне искрового промежутка, что, в свою очередь, приводит к существенному снижению стабильности и ресурса работы разрядника.
При создании данного изобретения решалась задача подбора оптимального плавного профиля электродов разрядника, который обеспечивает максимальную электрическую прочность устройства, максимальное значение напряженности в зоне однородного поля и уменьшение напряженности поля к периферийной части электродов.
Техническим результатом является повышение электрической прочности разрядника, увеличение его надежности, стабильности и ресурса работы.
Указанный технический результат достигается тем, что по сравнению с известным способом подбора профиля поверхности электродов для высоковольтных разрядников, заключающимся в том, что создают вспомогательные электроды, определяют форму эквипотенциальных поверхностей электрического поля между ними и выбирают образующую электродной поверхности по форме образующей одной из эквипотенциальных поверхностей, новым является то, что вспомогательные электроды составляют из тонких дисков, и/или цилиндров, и/или стержней, при этом потенциал эквипотенциальной линии относительно любого из двух вспомогательных электродов выбирают равным 0.4-0.6 U, где U - напряжение между вспомогательными электродами.
Как и в прототипе, подбор образующей линии поверхности электродов разрядника по эквипотенциальной линии электрического поля, образованного двумя вспомогательными электродами, позволяет обеспечить плавное изменение кривизны поверхности электродов вдоль образующей и избежать скачков напряженности электрического поля на электродах.
В отличие от прототипа, построение эквипотенциальных линий проводится не в двумерной плоской геометрии, а для тел вращения, что позволяет более точно подбирать конфигурацию поверхности электродов разрядника с точки зрения снижения напряженности электрического поля на опасных участках. При этом независимо от диаметра электрода и радиуса кривизны участков его образующей вся поверхность электрода остается гладкой. Это одно из главных отличий от профиля Роговского, у которого при попытке существенно увеличить радиусы скругления острых кромок на их торцах появляется конический участок с острием.
Выполнение части вспомогательного электрода в виде диска определенного диаметра позволяет сформировать электродную поверхность с соответствующим диаметром торцевой рабочей зоны, в которой происходят пробои межэлектродного промежутка. От этого диаметра в большой степени зависит стабильность напряжений пробоя разрядника и ресурс работы электродов. Оптимальный выбор диаметра торцевой рабочей зоны при заданной величине межэлектродного промежутка позволяет обеспечить максимальную напряженность электрического поля в рабочей торцевой зоне поверхности электрода и монотонный спад напряженности к его периферийным участкам, что способствует локализации пробоев в межэлектродном промежутке и ликвидации пробоев вне промежутка. Следствием этого является повышение электрической прочности разрядника, увеличение его надежности, стабильности и ресурса.
Выполнение части вспомогательного электрода в виде стержня позволяет учитывать влияние других элементов разрядника (например, токоподвода к электроду) на формирование электрического поля в разряднике. Это дает возможность повысить электрическую прочность изолятора за счет снижения напряженности поля в зоне заделки изолятора в электрод, что способствует повышению надежности разрядника.
Выполнение части вспомогательного электрода в виде цилиндра позволяет моделировать металлический корпус, внутренний экран и т.д. При заданном диаметре корпуса заявляемым способом можно подобрать оптимальную форму и размеры электродов.
Комбинирование дисковых, стержневых и цилиндрических элементов во вспомогательных электродах позволяет осуществить подбор пар электродов самой различной конфигурации. Сферические электроды, электроды с профилем Брюса, с профилем Роговского и др. используются для разрядников, в которых электроды имеют одинаковую форму. В разрядниках с металлическим корпусом, с экранами для защиты изолятора от загрязнения от продуктов эрозии электродов и другими электропроводящими деталями часто требуется применение рабочих электродов, отличающихся друг от друга формой своей поверхности. В таких случаях подобрать оптимальный профиль электродов (для обеспечения максимальной электропрочности разрядника) вышеперечисленными способами практически невозможно. Однако эта задача успешно решается с помощью предлагаемого способа. При этом обеспечивается повышение электрической прочности разрядника, увеличение его надежности, стабильности и ресурса работы по сравнению с прототипом.
На фиг.1 показана конструкция разрядника РИМ-200 с электродами, форма которых подбиралась с использованием профиля Брюса (Авилов Э.А., Юрьев А.Л. Газонаполненные металлокерамические разрядники высокого давления // ПТЭ. - 2000. №2, стр.78), где:
1 - корпус;
2 - изолятор;
3 - электрод, закрепленный на изоляторе;
4 - электрод, закрепленный на корпусе.
На фиг.2 показан электрод (с профилем Брюса) разрядника по фиг.1; точками А, Б, В, Г выделены наиболее характерные зоны с различной напряженностью электрического поля на его поверхности.
На фиг.3 приведен график распределения напряженности электрического поля вдоль образующей электрода по фиг.2.
На фиг.4 приведена фотография основных узлов разрядника по фиг.1, прошедшего ресурсные испытания.
На фиг.5 показан электрод с профилем Роговского для разрядника по фиг.1.
На фиг.6 приведен график распределения напряженности электрического поля вдоль образующей электрода по фиг.5.
На фиг.7 показан электрод Роговского с увеличенным радиусом скругления кромок.
На фиг.8 показана упрощенная модель для подбора оптимального профиля электродов разрядника по фиг.1.
На фиг.9 показана упрощенная модель разрядника по фиг.1, в которой в качестве электрода на изоляторе использована линия равного потенциала с потенциалом, равным половине напряжения, приложенного к разряднику.
На фиг.10 показана полная модель разрядника по фиг.1, в которой присутствуют все детали разрядника, а электрод на изоляторе составлен из части промежуточного электрода по фиг.9 и замыкающего участка; электрод на корпусе разрядника выполнен плоским.
На фиг.11 приведен электрод разрядника по фиг.10.
На фиг.12 приведен график распределения напряженности электрического поля вдоль образующей электрода по фиг.11.
На фиг.13 приведена фотография основных узлов разрядника, в котором профиль электродов был подобран при помощи заявляемого способа; разрядник прошел ресурсные испытания в тех же условиях, что и разрядник по фиг.1.
Представленный на фиг.1 газонаполненный разрядник содержит металлический корпус 1 в виде стакана с отбортовкой и плоской крышкой, полый конический изолятор 2 и соосно установленные на изоляторе и крышке два электрода 3 и 4. Большое основание изолятора 2 закреплено на отбортовке корпуса 1. При включении разрядника в высоковольтную цепь к его электродам прикладывается высокое напряжение. Когда величина напряжения достигает напряжения пробоя межэлектродного промежутка, образованного электродами 3 и 4, разрядник срабатывает и осуществляет коммутацию цепи.
Электроды разрядника по фиг.1 выполнены с применением профиля Брюса. На фиг.2 показано увеличенное изображение электрода 3, закрепленного на изоляторе. Для анализа процессов, происходящих при работе разрядника по фиг.1, были проведены расчеты параметров электрических полей внутри разрядника. В результате расчетов был получен график распределения напряженности электрического поля вдоль поверхности электрода (фиг.3). Точки А, Б, В, Г на графике соответствуют одноименным точкам на электроде по фиг.2. Судя по графику, на участке Б-В напряженность поля примерно на 10% выше, чем в межэлектродном зазоре, что должно приводить к пробоям вне зазора. Это подтверждается практическими результатами испытаний разрядника. На фиг.4 приведена фотография узлов разрядника, выдержавшего около 200000 срабатываний; хорошо видно, что пробои происходили не только в межэлектродном зазоре, но также и на кольцевом участке скругления, который соответствует участку Б-В на фиг.2. Пробои вне зазора, как показала многолетняя практика, приводят к резкому увеличению разброса напряжений пробоя разрядника и снижению ресурса работы, поскольку при этом пробои происходят в непосредственной близости от изолятора, и поэтому он более интенсивно загрязняется продуктами эрозии электродов.
Попытка заменить электрод с профилем Брюса на электрод, форма поверхности которого подобрана методом Роговского, не дает ощутимых улучшений в разрядниках, аналогичных изображенному на фиг.1. Причина заключается в том, что этот разрядник имеет металлический корпус, который, с одной стороны, обладает весьма высокой механической прочностью и экранирует электроды от влияния внешних электрических полей, но при этом является причиной повышенной напряженности поля на участке электрода, обращенного к внутренней стенке корпуса. На фиг.5 в увеличенном виде показан электрод Роговского для разрядника по фиг.1 (параметр ψ был выбран равным оптимальному значению (2/3)·π, что должно способствовать устранению краевого эффекта и уменьшению габаритов электрода). Диаметр электрода был равен диаметру старого электрода с профилем Брюса. Для электрода Роговского были проведены расчеты напряженностей поля на его поверхности. График распределения напряженности приведен на фиг.6 и также свидетельствует о наличии пика напряженности поля вне межэлектродного зазора, т.е. видимого улучшения от замены профиля Брюса на профиль Роговского не произошло. Для снижения напряженности поля на краях электрода необходимо увеличивать радиус скругления; однако при этом вместо плоскопараллельной площадки на торце электрода появляется конический выступ с острием в центре. Пример такого электрода с профилем Роговского показан на фиг.7.
Заявляемый способ подбора профиля поверхности электродов разрядника позволяет решить задачу снижения напряженности поля на краях электрода и осуществляется следующим образом.
Вначале создается упрощенная модель разрядника, состоящая из вспомогательных электродов в виде тонких дисков, и/или цилиндров, и/или стержней. Изолятор в ней может отсутствовать, поскольку его наличие или отсутствие практически не сказывается на конфигурации электрического поля вблизи электрода. Пример такой модели для разрядника по фиг.1 приведен на фиг.8. Эта модель состоит из стержня 5, дисков 6 и 7 и цилиндра 8. Стержень 5 и диск 6 служат для подбора формы электрода 3 разрядника по фиг.1, диск 7 играет роль электрода 4 (который выполнен плоским для обеспечения минимальной длины разрядника), цилиндр 8 - роль корпуса 1.
В данной модели производится построение семейства линий равного потенциала, находящегося в диапазоне (0.4-0.6)U, где U - напряжение между электродами. На фиг.8 в качестве примера одна из таких линий (поз.9) с потенциалом 0.5U выделена большей толщиной. На фиг.9 показана последующая модель разрядника, в которой линия 9 является образующей промежуточного электрода. Каждой линии равного потенциала соответствует свой промежуточный электрод. Далее из семейства промежуточных электродов выбирается один, наиболее отвечающий требованиям по распределению напряженности поля вдоль своей поверхности (как правило, в эти требования входят минимальная напряженность поля на участке поверхности электрода вне межэлектродного промежутка и монотонный спад напряженности от межэлектродного промежутка к периферии электрода). Участок 10 (фиг.9) выбранного промежуточного электрода используется как часть рабочего электрода в проектируемом разряднике. Наиболее удобно использовать для этого торцевую часть промежуточного электрода до места перехода, где касательная к образующей параллельна осевой линии для облегчения стыковки с завершающим участком электрода, хотя возможны и другие варианты. Завершающий участок может иметь в сечении круговую, эллиптическую форму и др.
После выбора формы электрода производится построение разрядника со всеми его элементами (фиг.10). Электрод 3, форма которого была подобрана заявляемым способом, состоит из части 10 выбранного промежуточного электрода (с образующей в виде линии равного потенциала в модели по фиг.8) и завершающего участка 11. В разряднике было произведено определение параметров электрических полей для проверки соответствия распределения напряженности электрического поля поставленным требованиям. На фиг.11 показан новый электрод, форма которого была подобрана при помощи заявляемого способа, а на фиг.12 - график распределения напряженности электрического поля вдоль образующей электрода. Сравнивая графики на фиг.3, фиг.6 и фиг.12, можно сделать вывод об эффективности заявляемого способа, поскольку с его помощью сразу удалось снизить напряженность поля на боковом участке электрода вне межэлектродного промежутка в таком сложном для проектирования устройстве, как разрядник с металлическим корпусом.
6
Заявляемый способ подбора профиля поверхности электродов разрядника и полученный в результате его применения технический результат был проверен практически на примере разрядника РИМ-200 на 200 кВ. Разрядник РИМ-200 с новым электродом прошел испытания на 200000 срабатываний в тех же условиях, что и разрядник с электродом Брюса. На фиг.13 приведена фотография основных узлов разрядника, в котором профиль электрода на изоляторе был подобран при помощи заявляемого способа. Отчетливо видно, что, в отличие от старого варианта разрядника с электродами Брюса, пробои происходили только в межэлектродном промежутке. Испытания показали высокую стабильность напряжения пробоя разрядника; совершенно отсутствовали пробои на стенку корпуса после 10 пробоев межэлектродного зазора; все пробои локализовались в зоне, представлявшей собой круг диаметром примерно 14 мм. Заявляемый способ подбора профиля электрода, таким образом, полностью пригоден для использования в разрядниках, и можно привести другие примеры его применения.