Газонаполненный разрядник

 

Изобретение относится к газоразрядной технике и может быть использовано при разработке высоковольтных газонаполненных искровых разрядников, например, для формирования и коммутации импульсов тока наносекундной длительности и большой амплитуды. Техническим результатом является упрощение конструкции при сохранении стабильности геометрических размеров межэлектродного зазора, а также увеличение надежности мест соединения изолятора и электродного узла. Газонаполненный разрядник содержит по меньшей мере один электрод, расположенный на меньшем основании конического изолятора, и манжету, одна поверхность которой соединена с торцевой поверхностью конического изолятора. Манжета выполнена с дисковым или плоским кольцевым участком. Другая поверхность манжеты соединена с внутренней плоской поверхностью электрода. Электрод, конический изолятор и манжета выполнены из материалов с близкими по значению коэффициентами термического расширения. 2 ил., 1 табл.

Изобретение относится к газоразрядной технике и может быть использовано при разработке высоковольтных газонаполненных искровых разрядников, например, для формирования и коммутации импульсов тока наносекундной длительности и большой амплитуды.

Известен "Газонаполненный разрядник" авторов Э.А. Авилова и др. а.с. N 360886, кл. МПК H 01 J 17/18, опубл. в БИ N 43, 1973 г., запатентованный в ряде ведущих стран США - патент N 3758804, Германии - патент N 2160115, Японии - патент N 53-29062 и др. В металлическом корпусе расположены два электрода, один из которых расположен на меньшем основании конического изолятора. Оболочка, образованная корпусом и коническим изолятором, в которой расположены электроды, заполняется газом-наполнителем до высоких давлений порядка 25 - 45 атм. Конический изолятор соединен с электродом без промежуточных элементов.

Недостаток аналога связан с низкой надежностью конструкции в месте соединения электрода с коническим изолятором. В процессе работы или при изготовлении металлокерамического узла происходит нагрев, а при охлаждении может произойти отслоение или отрыв и разгерметизация оболочки из-за разницы коэффициентов термического расширения материалов, из которых выполнены тугоплавкий электрод и конический керамический изолятор. Металл остывает быстрее, его линейные размеры меняются больше и быстрее, чем у керамики. Возникают механические напряжения и происходит разгерметизация путем отрыва, отслоения или разрушения керамического изолятора.

Наиболее близким к заявляемому является "Газонаполненный разрядник" авторов Р.А. Рафикова и А.А. Герасимова, а.с. N 1402187, кл. МПК H 01 J 17/00, опубл. в БИ N 32, 90 г. Газонаполненный разрядник содержит по меньшей мере один электрод, расположенный на меньшем основании конического изолятора, и манжету, одна поверхность которой соединена с торцевой поверхностью конического изолятора. Манжета выполнена из меди (коэффициент термического расширения меди α = 16,6 · 10^-6oC, 1/град), толщиной 0,8 мм и имеет цилиндрическую форму с наружной отбортовкой. Электрод выполнен из сплава фольфрам-медь ( α для вольфрама 4,5 · 10^-6oC, 1/град), закрепляется в корпусе на эл.вывод и непосредственного контакта с манжетой и коническим изолятором не имеет. В данной конструкции три места спая: эл.вывод - электрод, эл.вывод - манжета и конический изолятор - манжета. Конический изолятор выполнен из керамики.

Недостатками прототипа является сложность конструкции, связанная с наличием электрического ввода и трех мест спая. Надежность конструкции снижается из-за нежесткого соединения электрода с изолятором, что может привести к изменению межэлектродного зазора при различного рода механических нагружениях (резкие встряхивания и т.п.). Поскольку в прототипе электрод подвешен на тонкой медной манжете, то положение электрода при механическом нагружении в силу высокой пластичности меди может изменяться и, следовательно, неконтролируемым образом изменить геометрические размеры и положение электродов относительно друг друга. Кроме того, наличие трех мест соединения снижает надежность электродного узла. Разница в коэффициентах термического расширения материалов соединяемых деталей также несет в себе элемент ненадежности конструкции в целом.

При создании данного изобретения решалась задача создания надежной конструкции газонаполненного разрядника со стабильными выходными параметрами (ресурс работы и пробивное напряжение).

Техническим результатом является упрощение конструкции, стабильность геометрических размеров межэлектродного зазора, а также надежность мест соединения изолятора и электродного узла по сравнению с прототипом.

Указанный технический результат достигается тем, что по сравнению с известным газонаполненным разрядником, содержащим по меньшей мере один электрод, расположенный на меньшем основании конического изолятора, и манжету, одна поверхность которой соединена с торцевой поверхностью конического изолятора, новым является то, что манжета выполнена с дисковым или плоским кольцевым участком, другая поверхность манжеты соединена с внутренней плоской поверхностью электрода, причем электрод, конический изолятор и манжета выполнены из материала с близкими по значению коэффициентами термического расширения.

Выполнение манжеты с дисковым или плоским кольцевым участком и соединение ее непосредственно с поверхностью электрода позволило получить более надежный узел. В прототипе электрод не соединен с манжетой, а подвешен на электрическом вводе. Это делает конструкцию уязвимой при различных нагрузках (ударах, изгибах). При этом может произойти смещение электрода и изменение межэлектродного зазора, а следовательно, и параметров разрядника. Заявляемая форма манжеты обеспечивает геометрическую точность исполнения электродного узла, и конструкция становится более жесткой. Кроме того, электродный узел имеет два места соединения (пайки) по обе поверхности манжеты, вместо трех в прототипе. Это также повышает надежность, т.к. уменьшается вероятность разгерметизации при высоком давлении газа в оболочке. Все вышеперечисленные факторы позволили увеличить давление в 2 - 3 раза по сравнению с прототипом.

Соединение манжеты непосредственно с электродом позволило электроду взять на себя функцию термокомпенсатора. Кроме того, подбор материалов электрода, манжеты и конического изолятора с коэффициентами термического расширения, близкими по значению.

Пайка осуществляется при нагреве до 1000^oC, а при охлаждении в известных конструкциях происходят отслоение, отрыв и разгерметизация оболочки из-за разницы коэффициентов термического расширения материалов электродного узла. В заявляемом разряднике эти материалы имеют коэффициенты в диапазоне от 5,5 - 7,8 · 10^-6oC, 1/град, т.е. близкие по значению, и отклонение не более чем в 0,7 раза, т.е. на 2,5 · 10^-6oC, 1/град.

Коэффициент термического расширения α·10^-6 в интервале температур 20 - 600^oC, 1/град показан в таблице.

На фиг. 1 изображен заявляемый газонаполненный разрядник, в котором манжета выполнена с дисковым участком.

На фиг. 2 изображен заявляемый газонаполненный разрядник, в котором манжета выполнена с кольцевым участком.

Газонаполненный разрядник, содержащий по меньшей мере один электрод 1, расположенный на меньшем основании конического изолятора 2 и манжету 3, одна поверхность которой соединена с торцевой поверхностью конического изолятора. Манжета 3 выполнена с дисковым или плоским кольцевым участком. Другая поверхность манжеты соединена с внутренней плоской нерабочей поверхностью электрода 1. Электрод 1, конический изолятор 2 и манжета 3 выполнены из материала с близкими по значению коэффициентами термического расширения. Разрядник содержит также корпус 4, второй электрод 5 расположен на внутренней торцевой поверхности корпуса. Большее основание конического изолятора 2 закреплено на другом торце корпуса. Электрод 1 установлен на электрическом вводе 6. Одна поверхность манжеты 3 соединена с торцевой поверхностью конического изолятора 2, а другая поверхность манжеты соединена с внутренней плоской поверхностью электрода 1. Оба соединения выполнены пайкой.

Работает заявляемый газонаполненный разрядник следующим образом. При приложении высокого напряжения к электродам разрядника в разрядном промежутке возникает электрическое поле, напряженность которого определяется величиной напряжения и длиной межэлектродного зазора.

Свободные (эффективные) электроны, попадая в межэлектродный зазор, ускоряются в электрическом поле, производя ионизацию газа, образование дополнительных свободных электронов и большого числа электронных лавин, устремляющихся к анодному электроду. При этом создаются условия для быстрого формирования канала разряда. В условиях высокого давления газа, которое существует в разряднике, разряд носит искровой характер с диаметром канала порядка 1 мм.

В примере конкретного выполнения разрядника-обострителя на импульсное напряжение 200 - 210 кВ с успехом использованы технические решения, отраженные в формуле изобретения. Разрядник содержит цилиндрический корпус из нержавеющей стали диаметром 50 мм и длиной 66 мм с толщиной стенки 1,5 мм. Внутри корпуса соосно расположены два плоско-параллельных электрода из тугоплавкого сплава типа ВНЖ 7-3 с закругленными краями, образующие искровой промежуток длиной 5 - 6 мм.

Один из электродов установлен на малом основании полого конусообразного изолятора из керамики типа ВК 94-1, другой - на внутренней торцевой поверхности металлического корпуса. Герметичное соединение электрода, установленного на малом основании керамического конусообразного изолятора, осуществлено через коваровую манжету в виде диска толщиной 1 - 1,5 мм, одна поверхность которого соединена с торцевой поверхностью изолятора, другая - с внутренней плоской нерабочей поверхностью электрода. Оба соединения выполнены пайкой.

Коэффициенты термического расширения материалов электрода изолятора и манжеты равны соответственно α = 5,5; 7,5 и 7,8 · 10^-6oC, 1/град, т.е. близки по значению, отклонение равно не более 0,7 раза. Керамический изолятор герметично соединен с металлическим корпусом и работат на сжатие при заполнении разрядника сжатым газом, обеспечивая механическую прочность и надежность конструкции. Разрядник заполнен техническим водородом до давления 30 - 35 ати.

Таким образом, заявляемый разрядник наряду с упрощением конструкции обладает стабильностью геометрических размеров межэлектродного зазора и надежностью мест соединения изолятора и электродного узла, что повышает устойчивость разрядника к механическим нагрузкам при любом пространственном расположении разрядника.

Формула изобретения

Газонаполненный разрядник, содержащий по меньшей мере один электрод, расположенный на меньшем основании конического изолятора, и манжету, одна поверхность которой соединена с торцевой поверхностью конического изолятора, отличающийся тем, что манжета выполнена с дисковым или плоским кольцевым участком, другая поверхность манжеты соединена с внутренней плоской поверхностью электрода, причем электрод, конический изолятор и манжета выполнены из материалов с близкими по значению коэффициентами термического расширения.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3