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 необходимого для проведения эксперимента с минимальными потерями высоковольтного импульса через стенку во внутреннее пространство герметичного взрывозащитного контейнера. 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 №2685243, МПК Н01В 17/26, опуб. 17.04.2019 бюл. №11], который наиболее близок к заявляемому и поэтому принят за прототип. Данный переход содержит герметично установленный в стенке металлический корпус с размещенными в нем с внешних торцов двумя изоляционными элементами, между которыми помещен керамический изолятор, установленный в осевом канале корпуса с зазором, заполненным стеклоприпоем, и электрический проводник, который проходит через изоляционные элементы и запаян стеклом в изоляторе, с внешних торцов оба изоляционных элемента сопряжены с корпусом, на посадочной поверхности корпуса выполнены канавки для установки в них уплотнительных колец, на внутренней поверхности корпуса со стороны поступления в зазор стеклоприпоя выполнена кольцевая проточка, а со стороны выхода припоя из зазора - кольцевой бурт, при этом керамический изолятор установлен в корпусе с упором в указанный бурт, по внутренней кольцевой поверхности которого организованы выемки.
В данном переходе с внешних торцов оба изоляционных элемента уплотнены с корпусом при помощи подвижных гаек. Материалы корпуса, стекла и керамики согласованы по коэффициенту линейного теплового расширения, т.е. представляют собой согласованный спай. Выполнение на внутренней поверхности корпуса со стороны поступления в зазор стеклоприпоя кольцевой проточки, а со стороны выхода припоя из зазора -кольцевого бурта, а также установка изолятора в корпусе с упором в указанный бурт, по внутренней кольцевой поверхности которого организованы выемки дает возможность достичь 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.
Однако прототип имеет ряд недостатков:
- во-первых, подвижные гайки, с помощью которых оба изоляционных элемента с внешних торцов уплотнены с корпусом, образуют составной токоведущий корпус. В этом случае общее электрическое сопротивление токоведущего корпуса суммируется из сопротивлений его составных частей, а именно: корпуса и двух гаек, а также двух переходных сопротивлений (гайка - корпус). Для минимизации переходных сопротивлений в прототипе применяют дополнительные конструктивно-технологические меры: гайки с корпусом скрепляют при помощи резьбового соединения с дополнительным использованием токопроводящего клея. Однако величина переходных сопротивлений остается значительной по сравнению с электрическим сопротивлением собственно корпуса, что приводит к ухудшению электрических характеристик перехода в целом;
во-вторых, величина затухания полезного сигнала высоковольтного перехода зависит от волнового сопротивления керамического изолятора, которое определяется его габаритами и материалом, и должно быть мало (единицы ом). В этом случае обеспечить изготовление соответствующего, высоковольтного, вакуумно-плотного керамического изолятора со стабильной диэлектрической проницаемостью и соотношением наружного и внутреннего диаметров не более 1:0,75 практически невозможно. Однако задача уменьшения диаметра осевого канала корпуса и соответственно наружного диаметра керамического изолятора остро стоит перед разработчиками переходов. В этом случае разработка керамического изолятора с тонкой стенкой приближает волновое сопротивление перехода к «идеальному» и тем самым минимизирует потери полезного сигнала. Как правило, рассматриваемые высоковольтные переходы являются частью общей токопроводящей системы, состоящей из стандартизованных составных частей (генератор, кабельные линии и т.д.). При этом соединители кабельных линий, стыкуемые с переходом, имеют габариты несравнимо больше диаметра осевого канала. Соответственно проходное отверстие под переход в гермостенке должно быть как минимум не менее диаметра ответных частей, а может быть и больше, то есть определяться условиями эксплуатации. Таким образом, в прототипе металлокерамический спай, ограниченный диаметром осевого канала, окружен металлоемким цилиндром, ограниченным проходным отверстием гермостенки ВК, как правило, стандартизованным. Иными словами, значения внешнего диаметра корпуса высоковольтного перехода и внутреннего диаметра его осевого канала в зоне пайки керамического изолятора могут значительно отличаться друг от друга, создавая металлоемкую силовую стенку, конструкция которой должна соответствовать перепадам давления, определяемым условиям эксплуатации;
- в третьих использование материалов корпуса, стеклоприпоя и керамики с согласованными коэффициентами линейного теплового расширения (ТКЛР) значительно ограничивает выбор материала корпуса. Если выбор керамики определяется широким спектром требований: вакуумная плотность, механическая и электрическая прочность, малый коэффициент диэлектрической проницаемости, то выбор металла корпуса ограничивается требованием согласования ТКРЛ с выбранным керамическим материалом. Однако согласованные по ТКЛР металлы не всегда отвечают другим значимым конструктивным требованиям по электросопротивлению и механической прочности, что значительно снижает технические характеристики перехода и собственно его надежность.
Необходимо отметить, что заявленный в прототипе согласованный металлокерамический спай имеет постоянные внутренние напряжения сжатия, независящие от габаритов корпуса. При значительных внешних механических нагрузках, инструментом повышения прочности согласованного спая является развитие спая в осевом направлении, что ведет к излишней металлоемкости собственно перехода.
Задачей изобретения является повышение надежности устройства.
Техническим результатом, на достижение которого направлено заявляемое изобретение, заключается в обеспечении герметичности и конструкционной целостности металлокерамического спая при улучшении электрических характеристик перехода.
1
1
Технический результат достигается тем, что переход высоковольтный в загрязненную зону через металлическую стенку защитной конструкции, содержащий герметично установленный в стенке металлический корпус с размещенными в нем с внешних торцов двумя изоляционными элементами, между которыми помещен керамический изолятор, установленный в осевом канале корпуса с зазором, заполненным стеклоприпоем, и электрический проводник, который проходит через изоляционные элементы и запаян стеклом в изоляторе, с внешних торцов оба изоляционных элемента сопряжены с корпусом, на посадочной поверхности корпуса выполнены канавки для установки в них уплотнительных колец, 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, согласно изобретения корпус выполнен в виде единой сборочной единицы, при этом в зоне сопряжения корпус и оба изоляционных элемента имеют, например резьбу, а спаиваемое соединение материалов корпуса, стекла и керамики по коэффициенту линейного теплового расширения-представляет собой несогласованный спай, дополнительно в корпусе в зоне пайки керамического изолятора выполнена продольная кольцевая проточка, внутренний диаметр которой связан с диаметром осевого канала корпуса следующим соотношением: D ≥ 1, 3 D, где D - внутренний диаметр проточки, D - диаметр осевого канала корпуса.
Выполнение токоведущего корпуса в виде единой сборочной единицы, при этом в зоне сопряжения корпус и оба изоляционных элемента имеют, например резьбу, обеспечивает стабильность электрического сопротивления цельного токоведущего корпуса, что является важным при минимизации потерь рабочего подрывного импульса. Электрическое сопротивление при этом определяется только удельным сопротивлением материала корпуса, в отличие от прототипа, где наличие «паразитных» переходных сопротивлений стыков корпус -подвижные гайки делают общее электрическое сопротивление цепи токоведущего корпуса нестабильным и зависящим от конструктивно-технологических приемов минимизации переходных сопротивлений.
При несогласованном (сжатом) металлокерамическом спае (когда КЛТР корпуса значительно превосходит КЛТР стекла и керамики) присутствуют напряжения сжатия керамики с корпусом, обеспечивая прочность спая и соответствие условиям эксплуатации по механическим перегрузкам и климатическим воздействиям. Достаточная величина напряжений сжатия определяется эмпирическим подбором внутреннего диаметра проточки.
Кроме того использование в конструкции перехода несогласованного спая расширяет линейку применяемых марок металла обоймы, что может привести к минимизации размеров спая и удешевить изготовление перехода. А также при этом конструкция керамического спая не зависит от размеров отверстия гермостенки и обводов перехода, расширяя область его применения.
Из практики разработки металлостеклянных спаев известно, что для получения необходимого напряжения сжатия и стабилизации прочностных характеристик металлокерамического спая по месту спая требуется ограничивать толщину обоймы (охватывающей керамический изолятор цилиндрической части корпуса). Выполнение в корпусе в зоне пайки керамического изолятора продольной кольцевой проточки при определенном соотношении внутреннего диаметра проточки и диаметра осевого канала дает возможность ограничить толщину охватывающей керамический изолятор цилиндрической части корпуса (обоймы), избавляя стеклокерамический спай от излишних внутренних напряжений сжатия, вызванных различием по ТКЛР материалов корпуса, керамического изолятора, стеклоприпоя, предотвращая растрескивание последнего, обеспечивая тем самым высокую механическую прочность и герметичность соединения, что делает спай более стабильным при наличии внешних ожидаемых механических и температурных воздействиях, возникающих при проведении экспериментов во взрывозащитном контейнере. Увеличение же внешнего диаметра проточки регламентируется только размерами отверстия гермостенки взрывозащитного контейнера и сопрягаемых с ним обводами перехода,
1
1
При соотношении внутреннего диаметра проточки D с диаметром осевого канала корпуса D в виде: D<1,3 D в несогласованном спае напряжения сжатия обоймы на керамическую втулку могут быть критично недостаточны, в этом случае спай может потерять свою целостность даже при изготовлении.
Таким образом, совокупность всех изложенных выше признаков создает условия создания надежного устройства с обеспечением герметичности и конструкционной целостности металлокерамического спая при улучшении электрических характеристик перехода. Перечисленные особенности делают конструкцию предлагаемого технического решения более надежной в эксплуатации, что существенно для проходного разъема, используемого при проведении экспериментов в ВК.
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. 1-4) содержит выполненный в виде единой сборочной единицы токоведущий корпус 1 из титана ВТ-20, в котором размещены изоляционные элементы 2, 3 с установленным между ними керамическим изолятором 4 (керамика ВК 94-1). Каждый изоляционный элемент 2, 3 закреплен в корпусе 1 посредством, например резьбы. Изолятор 4 установлен во внутреннем осевом канале 5 корпуса 1 герметично с зазором, заполненным стеклоприпоем 6 (СП-75) и с упором в выполненный на внутренней поверхности корпуса 1 со стороны выхода припоя 6 из зазора кольцевой бурт 7 (фиг. 2). Бурт 7 имеет по внутренней кольцевой поверхности выемки 8 (фиг. 3). Со стороны поступления стеклоприпоя 6 корпус 1 имеет кольцевую проточку 9 (фиг. 4). При этом по КЛТР материалы корпуса 1, стеклоприпоя 6 и керамического изолятора 4 представляют собой несогласованный спай. Изоляционные элементы 2, 3 выполнены из поликарбоната, обладающего высокими механическими и изоляционными свойствами. Через изоляционные элементы 2, 3 и керамический изолятор 4 проходит электрический проводник 10. Проводник 10, выполненный из титана с элементом из тантала, посеребренной бронзы, впаян в керамический изолятор 4 при помощи стеклоприпоя 11. В корпусе 1 в зоне пайки керамического изолятора 4 выполнена также продольная кольцевая проточка 12, внутренний диаметр которой связан с диаметром осевого канала 5 корпуса 1 определенным соотношением, что ограничивает толщину охватывающей керамический изолятор 4 цилиндрической части корпуса 1 (обоймы), избавляя стеклокерамический спай 6 от излишних внутренних напряжений сжатия, вызванных различием по КЛТР материалов корпуса, стеклоприпоя, керамического изолятора, предотвращая растрескивание последнего, обеспечивая тем самым высокую механическую прочность и герметичность соединения.
На посадочной поверхности корпуса 1 имеются канавки для установки в них уплотнительных колец 13, обеспечивающих герметичность перехода высоковольтного в стенке защитной камеры (не показано). Переход высоковольтный снабжен элементами для установки других ответных частей.
Сборка перехода осуществляется следующим образом.
Предварительно на внутренней поверхности корпуса 1 со стороны поступления стеклоприпоя 6 в зазор между корпусом 1 и керамическим изолятором 4 выполняют кольцевую проточку 9, а со стороны выхода припоя 6 из зазора - 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.
1
Также в корпусе 1 в зоне пайки керамического изолятора 4 со стороны входа в стенку защитной конструкции (камеры) выполняют продольную кольцевую проточку 12 с внутренним диаметром D=24 мм. а диаметр осевого канала 5 составляет D=18 мм, что соответствует заявляемому соотношению формулы изобретения. Наличие в корпусе 1 проточки 12 обеспечивает равномерный прогрев и соответственно равномерное остывание стеклокерамического спая, что в свою очередь минимизирует внутренние напряжения спая, возникающие при нестабильных температурных режимах. Как показала практика, при несоблюдении заявляемого соотношения внутреннего диаметра проточки 12 от диаметра осевого канала 5 в процессе пайки происходит растрескивание стеклоприпоя 6 как вследствие недостаточной толщины обоймы корпуса 1 (вследствие потери устойчивости несогласованного металлокерамического спая), так и при избыточной толщине обоймы корпуса.
Далее изолятор 4 устанавливают в корпусе 1 с зазором и с упором в кольцевой бурт 7. Насыпают порошок стеклоприпоя 6. Собранный гермоввод помещают вертикально в печь, при этом осуществляют расплавление стеклоприпоя 6. Расплав стекла 6 заполняет зазор, доходит до бурта 7, где прекращается его заполнение зазора в вертикальном направлении, но продолжается растекание расплава стекла 6 в радиальном направлении.
Дальнейший прогрев перехода приводит к прохождению расплава стекла 6 в участках зазора, 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, что дает возможность получить сплошной, равномерно заполненный стеклоприпоем зазор. Стабильность равномерного заполнения стеклоприпоем 6 зазора значительно повышает надежность перехода высоковольтного, повышает технологичность изготовления, минимизирует брак. Электрический проводник 10 устанавливают в осевом отверстии (не показано) изолятора 4 при помощи стеклоприпоя 11.
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 10 накручивают наконечник 14 с напаянной на него цангой 15, имеющей направляющую поверхность для подстыковки с другими ответными частями (не показано). Изоляционные элементы 2, 3 с внешних торцов вкручивают в корпус 1. Торцы перехода высоковольтного защищают закоротками 16. На посадочную поверхность корпуса 1 в имеющиеся канавки устанавливают уплотнительные кольца 13, обеспечивающие герметичность перехода высоковольтного в стенке защитной камеры (не показано). Переход готов к применению.
На предприятии была изготовлена опытная партия, которая подтвердила надежность заявляемого перехода высоковольтного, который был введен в загрязненную зону через металлическую стенку защитной конструкции, в частности взрывозащитного контейнера. Результаты испытаний подтвердили герметичность контейнера 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;
- средство, воплощающее заявленное изобретение при его осуществлении, предназначено для повышения надежности перехода;
- 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".