Газонаполненный разрядник

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано при разработке высоковольтных газоразрядных приборов, например разрядников для коммутации цепей сильноточных ускорителей заряженных частиц. Техническим результатом является уменьшение габаритов разрядника, повышение технологичности изготовления, повышение удобства эксплуатации, снижение собственной индуктивности, увеличение ресурса работы. Технический результат достигается за счет того, что в известном газонаполненном разряднике, содержащем два электрода, расположенных соосно друг напротив друга внутри корпуса и электрически отделенных друг от друга изолятором, а также механизм возвратно-поступательного перемещения одного из электродов вдоль оси разрядника, закрепленный на торце корпуса через диэлектрический фланец, корпус выполнен металлическим, а механизм перемещения содержит два одноплечих и два двуплечих Г-образных рычага, попарно связанных друг с другом и с фланцем, ходовой винт, перпендикулярный оси разрядника и связанный с концами двуплечих рычагов посредством поворотных втулок, и выносную диэлектрическую рукоятку, жестко связанную с ходовым винтом, при этом подвижный электрод закреплен на подпружиненном штоке и электрически соединен с корпусом при помощи металлической мембраны. 2 ил.

 

Изобретение относится к газоразрядной технике и может быть использовано при разработке высоковольтных газоразрядных приборов, например разрядников для коммутации цепей сильноточных ускорителей заряженных частиц.

Известен газонаполненный разрядник (Капишников Н.К. Высоковольтный управляемый разрядник с широким диапазоном рабочих напряжений // ПТЭ №1, 1991 г., с.155-158), содержащий два основных и один управляющий электроды. Один из основных электродов неподвижен, а другой имеет привод осевого (возвратно-поступательного) перемещения в виде упругой пружины-диафрагмы, примыкающей к торцу регулировочной камеры. Перемещение электрода осуществляется путем изменения давления газа в регулировочной камере и обеспечивает широкий диапазон напряжений срабатывания разрядника.

Недостатком аналога является высокая сложность обеспечения заданного давления газа в регулировочной камере и малый ресурс работы пружины-диафрагмы (200 циклов регулирования).

Наиболее близким к заявляемому является газонаполненный разрядник разборной конструкции (Князев В.М. Разрядник для работы с искровыми камерами, ПТЭ №2, 1970 г., с.118-120), содержащий диэлектрический корпус, два основных электрода, расположенных соосно друг напротив друга внутри корпуса и электрически отделенных друг от друга изолятором (диэлектрическим корпусом), механизм возвратно-поступательного перемещения одного из электродов вдоль оси разрядника, диэлектрический фланец, закрепленный на торце корпуса. Широкий диапазон напряжений срабатывания разрядника обеспечивается, как и в аналоге, путем изменения величины межэлектродного зазора при осевом перемещении подвижного электрода. Механизм возвратно-поступательного перемещения подвижного электрода выполнен в виде винтовой пары, приводимой в движение длинным шестигранным стержнем с закрепленным на его конце штурвалом.

Недостатками прототипа являются его большие габариты, высокое значение собственной индуктивности, малый ресурс работы, низкая технологичность изготовления деталей винтовой пары подвижного электрода и наличие люфтов в механизме возвратно-поступательного перемещения, приводящих к высокой погрешности установки необходимого напряжения срабатывания.

Задачей данного изобретения является создание удобного в работе, максимально простого в обслуживании и ремонте, стабильного газового разборного разрядника с регулируемым напряжением срабатывания и высоким ресурсом работы.

Техническим результатом является:

- уменьшение габаритов;

- устранение люфтов механизма перемещения электрода;

- повышение технологичности изготовления;

- повышение удобства эксплуатации;

- снижение собственной индуктивности;

- увеличение ресурса работы.

Технический результат достигается тем, что в газонаполненном разряднике, содержащем два электрода, расположенных соосно друг напротив друга внутри корпуса и электрически отделенных друг от друга изолятором, а также закрепленный на торце корпуса через диэлектрический фланец механизм возвратно-поступательного перемещения одного из электродов вдоль оси разрядника, новым является то, что корпус выполнен металлическим, а механизм перемещения содержит два одноплечих и два двуплечих Г-образных рычага, попарно связанных друг с другом и с фланцем, ходовой винт, перпендикулярный оси разрядника и связанный с концами двуплечих рычагов посредством поворотных втулок, и выносную диэлектрическую рукоятку, жестко связанную с ходовым винтом, при этом подвижный электрод закреплен на подпружиненном штоке и электрически соединен с корпусом при помощи металлической мембраны.

Выполнение корпуса разрядника в виде металлического цилиндра и электрическое соединение подвижного электрода с корпусом посредством тонкой металлической мембраны позволяет существенно снизить индуктивность разрядника за счет частичного компенсирования магнитных полей токоподводов подвижного и неподвижного электродов.

Использование в механизме перемещения двух одноплечих и двух двуплечих Г-образных рычагов, попарно связанных друг с другом и с фланцем, и применение ходового винта, связанного с концами двуплечих рычагов посредством поворотных втулок, приводит к повышению технологичности изготовления и сборки деталей механизма, а также к повышению ресурса его работы. В прототипе имеются детали, требующие больших трудозатрат для их изготовления, такие, например, как втулка с глубоким шестигранным отверстием.

Выполнение штока, на котором закреплен подвижный электрод, подпружиненным позволяет ликвидировать люфты в механизме возвратно-поступательного перемещения, что позволяет существенно снизить погрешность установки межэлектродного зазора и соответствующего ему напряжения срабатывания разрядника.

Закрепление механизма перемещения на диэлектрическом фланце позволяет предотвратить протекание больших импульсных токов через детали механизма, что могло бы привести к его заклиниванию или преждевременному износу.

Расположение ходового винта перпендикулярно оси разрядника позволяет сократить длину разрядника и упростить его конструкцию, так как не требуется принятия мер против проворачивания штока с подвижным электродом вокруг оси.

Выносная диэлектрическая рукоятка способствует повышению удобства и безопасности эксплуатации разрядника, поскольку позволяет находиться оператору на безопасном расстоянии от деталей разрядника, находящихся под высоким потенциалом.

Замена диэлектрического корпуса на металлический позволяет повысить надежность герметичного соединения деталей разрядника и значительно упростить операции его сборки и разборки.

На фиг.1 изображена конструкция заявляемого разрядника, где

1 - корпус;

2 и 3 - неподвижный и подвижный электроды;

4 - неподвижный шток;

5 - изолятор;

6 - подвижный шток;

7 - диэлектрический фланец;

8 - металлическая мембрана;

9 - одноплечие рычаги;

10 - двуплечие Г-образные рычаги;

11 - ходовой винт;

12 - поворотная втулка;

13 - поворотная резьбовая втулка;

14 - диэлектрическая рукоятка;

15 - пружина.

На фиг.2 представлена фотография разобранного разрядника в примере конкретного выполнения.

Представленный на фиг.1 газонаполненный разрядник содержит металлический корпус 1, в котором расположены неподвижный и подвижный электроды 2 и 3, которые образуют межэлектродный рабочий зазор. Неподвижный электрод 2 закреплен на штоке 4, проходящем через изолятор 5. Подвижный электрод 3 закреплен на штоке 6; этот шток имеет возможность осевого перемещения в диэлектрическом фланце 7. При этом электрически электрод 3 соединен с корпусом 1 посредством тонкой металлической мембраны 8. Центральная часть мембраны жестко связана со штоком 6, а периферийный участок закреплен в корпусе 1. При перемещениях электрода 3 происходит упругая деформация мембраны, которая не приводит к ее разрушению. Поэтому такое соединение не препятствует осевым перемещениям подвижного электрода, но, вместе с тем, позволяет сократить путь тока через разрядник; кроме того, магнитные поля, создаваемые при протекании рабочего тока разрядника через корпус 1 и шток 4, имеют противоположные направления и потому частично компенсируют друг друга; в сочетании с уменьшением длины пути тока через разрядник это позволяет снизить его индуктивность в несколько раз по сравнению с прототипом.

Изолятор 5 и диэлектрический фланец 7 герметично установлены в корпусе 1. Перемещение электрода 3 производится при помощи винторычажного механизма, который содержит два одноплечих рычага 9 и два двуплечих Г-образных рычага 10, попарно связанных друг с другом и с диэлектрическим фланцем 7, ходовой винт 11, перпендикулярный оси разрядника и связанный с концами двуплечих рычагов посредством поворотных втулок 12 и 13, и выносную диэлектрическую рукоятку 14, жестко связанную с ходовым винтом 11. Шток 6, на котором закреплен подвижный электрод 3, отжимается от фланца 7 при помощи пружины 15; при этом выбираются все люфты механизма в шарнирных соединениях рычагов и винтовом соединении. Компенсация люфтов обеспечивает высокую точность установки межэлектродного зазора и соответствующего ему напряжения срабатывания разрядника.

Работает заявляемый газонаполненный разрядник следующим образом. При включении его в цепь сильноточного ускорителя к электродам 2 и 3 (через шток 4 и корпус 1 соответственно) подается высокое напряжение. Как правило, это напряжение создается на энергозапасающем конденсаторе, заряжаемом от высоковольтного источника питания. В межэлектродном промежутке разрядника возникает электрическое поле, напряженность которого определяется величиной приложенного напряжения, величиной межэлектродного зазора и конфигурацией электрического поля в зазоре. Когда напряженность поля достигает пробивной для данного рода газа, создаются условия для быстрого формирования канала разряда. При этом происходит перемыкание межэлектродного промежутка, вследствие чего энергозапасающий конденсатор подключается к низкоомной нагрузке. Разрядник может работать как в режиме одиночных включений, так и в частотном режиме. При необходимости изменить напряжение срабатывания разрядника производится поворот диэлектрической рукоятки 14 на определенный угол. При правом вращении рукоятки 14 ходовой винт 11 вкручивается в резьбовую втулку 13; при этом втулки 12 и 13 сжимают верхние концы двуплечих рычагов 10, а нижние концы рычагов надавливают на хвостовик штока 6, преодолевая сопротивление возвратной пружины 15; шток 6 с электродом 3 перемещается навстречу электроду 2, что приводит к уменьшению межэлектродного зазора и уменьшению напряжения пробоя. Соответственно при левом вращении рукоятки 14 происходит увеличение межэлектродного зазора.

В примере конкретного выполнения был изготовлен газонаполненный разрядник, фотография которого приведена на фиг.2. Корпус 1 разрядника, штоки 4 и 6 изготовлены из нержавеющей стали, электроды 2 и 3 - из молибдена, мембрана 8 - из алюминиевой фольги толщиной 0,1-0,2 мм, изолятор 5 - из органического стекла, диэлектрический фланец 7 и рукоятка 14 - из капролона, пружина 15 - из пружинной стали, остальные детали - из стали 10. Диаметр разрядника 100 мм, длина с учетом механизма регулировки зазора - 200 мм.

Зависимость межэлектродного зазора от угла поворота рукоятки 14 в разряднике оказалась практически линейной и равна 0,35-0,38 мм на один оборот рукоятки;

максимальный зазор достигал 5,3 мм при точности его установки ±0,05 мм. При наполнении разрядника азотом под избыточным давлением 0,1 МПа (1 атм) напряжение срабатывания регулировалось от 0 до 20 кВ. Диэлектрическая рукоятка обеспечивает безопасность при работе с разрядником, находящимся под высоким потенциалом. Индуктивность разрядника около 30 нГн. Разрядник проверялся на ресурс работы в частотном режиме (емкость конденсатора разрядного контура 3 мкФ, напряжение срабатывания разрядника 10 кВ, амплитуда тока в контуре до 8 кА, частота следования импульсов около 3 Гц).

После электрических испытаний были проведены испытания на износ механизма регулировки межэлектродного зазора, для чего производилось многократное увеличение зазора от 0 до 4 мм и последующее его уменьшение от 4 мм до 0. После 500000 срабатываний разрядника и 1000 циклов регулировки зазора механизм функционировал нормально, без заеданий и люфтов. Разрядник меньше по габаритам, чем его прототип, технологичнее в изготовлении, удобнее в эксплуатации, имеет значительно меньшую индуктивность и более высокий ресурс работы.

Газонаполненный разрядник, содержащий два электрода, расположенных соосно напротив друг друга внутри корпуса и электрически отделенных друг от друга изолятором, а также закрепленный на торце корпуса через диэлектрический фланец механизм возвратно-поступательного перемещения одного из электродов вдоль оси разрядника, отличающийся тем, что корпус выполнен металлическим, а механизм перемещения содержит два одноплечих и два двуплечих Г-образных рычага, попарно связанных друг с другом и с фланцем, ходовой винт, перпендикулярный оси разрядника и связанный с концами двуплечих рычагов посредством поворотных втулок, и выносную диэлектрическую рукоятку, жестко связанную с ходовым винтом, при этом подвижный электрод закреплен на подпружиненном штоке и электрически соединен с корпусом при помощи металлической мембраны.