Способ изготовления проходного вакуумного изолятора высокого напряжения

Изобретение относится к электротехнике, а именно к электрическим изоляторам, предназначенным для использования в конструкциях генераторов высокого напряжения, в ускорителях заряженных частиц и в других вакуумных высоковольтных установках. В способе изготовления проходных вакуумных изоляторов высокого напряжения, заключающемся в том, что изолятор собирают из одинаковых по конструкции и геометрическим размерам диэлектрических секций и чередующихся с ними идентичных между собой электропроводящих градиентных колец, которые располагают межу двумя электродами, одним из которых служит отрицательно заряженная крышка изолятора, а другим электродом служит заземленный фланец, при этом крышку, упомянутые секции, чередующиеся с ними градиентные кольца и фланец стягивают в единую конструкцию при помощи диэлектрических стяжек, а напряжение между упомянутыми секциями равномерно распределяют при помощи делителя напряжения, снабжают градиентные проводящие кольца цилиндрическими электропроводящими экранами, внутренний диаметр которых выполняют равным внутреннему диаметру градиентных колец. Способ позволяет увеличить электрическую прочность конструкции при одинаковых размерах изоляторов, изготовляемых по заявляемому способу и способу-прототипу, более чем в 2 раза. 2 ил.

 

Изобретение относится к электротехнике, а именно к электрическим изоляторам, предназначенным для использования в конструкциях генераторов высокого напряжения, в ускорителях заряженных частиц и в других вакуумных высоковольтных установках.

Известно, что пробивная напряженность поверхности диэлектрика в вакууме возрастает с уменьшением толщины испытуемого на электрическую прочность образца. Указанное положение находит свое отражение в способах изготовления высоковольтных проходных изоляторов, применяемых в высоковольтных трансформаторах, ускорительной технике и т.д.

Известны способы изготовления высоковольтных проходных изоляторов, в которых для обеспечения равномерного распределения потенциала по поверхности изолятора его выполняют в виде секций, состоящих из изоляционных и электропроводящих слоев, чередующихся между собой по высоте изолятора, скрепление элементов секций между собой выполняют холодной запрессовкой изоляционных слоев в металлические упругие кольца электродов, покрытых тонким слоем пластического металла, или путем склеивания изоляционных и электропроводящих слоев, или посредством пайки металлических прокладок с керамическими или стеклянными элементами секций [1].

За счет выполнения изолятора в виде секций уменьшается эффект полного напряжения и осуществляется ограничение пути распространения частичных разрядов.

Конструкции изоляторов подобного исполнения являются неразборными, и поэтому они неремонтопригодны. При потере работоспособности одной или нескольких секций изолятора их невозможно заменить на исправные секции и вышедший из строя изолятор приходится заменять новым изолятором.

Известен способ изготовления проходных вакуумных изоляторов высокого напряжения, заключающийся в том, что изолятор собирают в виде расположенных между крышкой изолятора и фланцем изолятора чередующихся друг с другом одинаковых по форме и размерам диэлектрических колец с одинаковыми по конструкции и форме проводящими прокладками и установленными между ними уплотняющими манжетами из эластичного материала, скрепление упомянутых элементов изолятора в единую герметичную конструкцию осуществляют за счет диэлектрических шпилек, на концах которых выполняют резьбу, с помощью которой один конец каждой шпильки закрепляют к крышке изолятора, а другой конец каждой шпильки прикрепляют к фланцу изолятора [2].

К недостаткам указанной конструкции следует отнести неравномерное распределение потенциала по изоляционным слоям, что снижает электрическую прочность изолятора.

Известен способ изготовления проходных вакуумных изоляторов высокого напряжения, по которому изолятор собирают в виде расположенных между крышкой изолятора и фланцем изолятора и одинаковых по конструкции и геометрическим размерам кольцеобразных диэлектрических секций с чередующимися с ними идентичными между собой электропроводящими прокладками и установленными между упомянутыми диэлектрическими секциями и электропроводящими прокладками уплотняющих манжет из эластичного материала, а напряжение между упомянутыми секциями равномерно распределяют при помощи делителя напряжения, который размещают в теле изолятора, путем создания в изоляционных слоях сквозных полостей, параллельных оси изолятора, которые заполняют электропроводящей жидкостью, при этом скрепление упомянутых элементов изолятора в единую герметичную конструкцию осуществляют за счет диэлектрических шпилек, на концах которых выполняют резьбу, с помощью которой один конец каждой шпильки закрепляют к крышке изолятора, а другой конец каждой шпильки закрепляют к фланцу изолятора [3].

Недостатками указанного способа является сложность реализации, связанная с тем, что сквозные полости делителя, наполненные электропроводящей жидкостью, необходимо герметизировать путем введения дополнительных герметизирующих манжет, чтобы предотвратить утечку жидкости на наружную поверхность и внутреннюю полость изолятора, необходимо также поддерживать неизменным сопротивление в каждой полости делителя.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является способ изготовления проходных вакуумных изоляторов высокого напряжения, по которому изолятор собирают в виде расположенных между крышкой изолятора и фланцем изолятора одинаковых по конструкции и геометрическим размерам кольцеобразных диэлектрических секций и чередующихся с ними идентичных между собой электропроводящих прокладок, которые выполняют из эластичного материала, а напряжение между упомянутыми секциями равномерно распределяют при помощи делителя напряжения, который выполняют в виде распределительных сопротивлений, которые располагают с наружной стороны диэлектрических секций и электрически присоединяют к электропроводящим прокладкам, при этом скрепление упомянутых элементов изолятора в единую герметичную конструкцию осуществляют за счет диэлектрических шпилек, на концах которых выполняют резьбу, с помощью которой один конец каждой шпильки закрепляют к крышке изолятора, а другой конец каждой шпильки закрепляют к фланцу изолятора, при этом электропроводящие прокладки выполнены из эластичного материала [4].

Достоинством способа-прототипа является то, что конструкция изолятора разборная, что позволяет заменять вышедшие из строя при эксплуатации секции, а также изменять при необходимости (уменьшать или увеличивать) габариты изолятора, приспосабливая его к тому или иному уровню рабочего напряжения высоковольтной установки, в которой он используется. Еще одним достоинством способа-прототипа является то, что жидкостной делитель напряжения, указанный в предыдущем аналоге, заменен на делитель из обычных безындуктивных омических сопротивлений. Кроме того, электропроводящие прокладки, выполненные в вышеуказанных аналогах в виде металлических колец, в способе-прототипе заменены на электропроводящие прокладки из эластичного материала, что позволяет совместить в этом конструктивном элементе двойную функцию: уплотнительной манжеты и градиентного кольца. Это дает возможность исключить уплотняющие манжеты, имеющие место в вышеприведенном аналоге.

Недостатком способа-прототипа является то, что элементы изолятора имеют достаточно большой вес и габариты, что весьма неудобно при сборке и транспортировке указанного изолятора. Кроме того, в собранном изоляторе его вакуумная поверхность не защищена от попадания на нее заряженных частиц, что приводит к снижению пробивного напряжения указанной поверхности. Электрические и геометрические параметры собранного по способу-прототипу изолятора невозможно изменять в процессе его настройки, что ухудшает эксплуатационные характеристики изолятора. Дополнительным недостатком способа-прототипа является то, что делитель напряжения при его реализации выполнен из совокупности омических сопротивлений, которые необходимо после каждой очередной переборки изолятора электрически отсоединять и затем присоединять к электропроводящим прокладкам. Эта дополнительная операция также усложняет способ-прототип.

Техническая задача, стоящая в рамках настоящего изобретения, заключается в снижении веса и габаритов изолятора и в улучшении его эксплуатационных характеристик.

Поставленная задача решается тем, что в способе изготовления проходных вакуумных изоляторов высокого напряжения, заключающемся в том, что изолятор собирают из одинаковых по конструкции и геометрическим размерам диэлектрических секций и чередующихся с ними идентичных между собой электропроводящих градиентных колец, которые располагают межу двумя электродами, одним из которых служит отрицательно заряженная крышка изолятора, а другим электродом служит заземленный фланец, при этом крышку, упомянутые секции, чередующиеся с ними градиентные кольца и фланец стягивают в единую конструкцию при помощи диэлектрических стяжек, а напряжение между упомянутыми секциями равномерно распределяют при помощи делителя напряжения, снабжают градиентные проводящие кольца цилиндрическими электропроводящими экранами, внутренний диаметр которых выполняют равным внутреннему диаметру градиентных колец, при этом экраны располагают так, чтобы торец экрана, не соединенный с градиентным кольцом, был направлен в сторону крышки изолятора, изготавливают из эластичного изоляционного материала диэлектрические секции в виде полых торов, по наружному диаметру которых выполняют фланец в виде плоского кольца, в котором выполняют симметрично по окружности отверстия, количество и диаметр которых соответствует количеству и диаметру диэлектрических стяжек, на поверхность диэлектрических стяжек надевают чехол из проводящей резины, выполняющий роль делителя напряжения, а равномерное распределение рабочего напряжения по поверхности изолятора осуществляют при помощи создания и электрического контакта между упомянутым слоем и градиентными кольцами, для чего в градиентных кольцах выполняют симметрично по окружности отверстия, количество и диаметр которых соответствует количеству и диаметру диэлектрических стяжек, при этом изменение габаритов диэлектрических секций, расстояния между экраном и близлежащим к нему градиентным кольцом, производимые при настройке изолятора для оптимальных режимов работы, осуществляют при помощи изменения давления внутри полостей тора и степени их сжатия с использованием стяжных шпилек.

На фиг.1 представлена конструкция изолятора, собранного по заявляемому способу. На фиг. 2 изображен график зависимости пробивного напряжения вакуумной поверхности секции изолятора от расстояния d между торцом экрана и соседним градиентным кольцом. Фиг.1 и фиг.2 служат для пояснения сущности изобретения.

На фиг.1 введены следующие обозначения: 1 - диэлектрические секции, выполненные из эластичного изоляционного материала в виде полого тора; 2 - фланец диэлектрической секции; 3 - градиентные кольца, снабженные цилиндрическими электропроводными экранами - 4; 5 - крышка изолятора; 6 - фланец изолятора; 7 - катододержатель; 8 - диэлектрические стяжки; 9 - чехол в виде цилиндра из проводящей резины; 10 - гайки стяжек; 11 - золотник.

Сущность заявляемого способа заключается в следующем. Электрическая прочность диэлектрика в вакууме зависит от ряда факторов. Среди них можно назвать такие, как толщина диэлектрика, конфигурация поля, материал диэлектрика и др. В высоковольтных проходных изоляторах, используемых, в частности, в виде корпусов пушек электронных импульсных ускорителей, на крышку 5 изолятора обычно подают отрицательный потенциал, а фланец 6 изолятора заземляют. При достаточно высоком отрицательном напряжении с поверхности крышки изолятора 5 (фиг.1) и поверхности катододержателя 7 начинают эмитироваться электроны, которые попадают на поверхность диэлектрических секций 1, вызывая вторичную эмиссию, что в конечном счете приводит к пробою по вакуумной поверхности изолятора. Опыты показывают, что уровень пробивного напряжения вакуумной поверхности секции изолятора 1 в значительной степени зависит от того, насколько хорошо экранирована упомянутая вакуумная сторона секции. Для экранировки поверхности изолятора используют цилиндрические экраны, которыми снабжены градиентные кольца 3. Экраны своими торцами должны быть направлены по градиенту электрического поля в сторону соседнего градиентного кольца, имеющего более электроотрицательный потенциал по отношению к экрану. Такое направление экранов обусловлено тем, что пробивное напряжение вакуумного промежутка зависит от того, насколько электрическое поле вакуумного промежутка неоднородно и возле какого электрода сильнее выражена эта неоднородность. Это наглядно демонстрируют, например, графики, приведенные в работе [5]. Из этих графиков следует, что электрическая прочность одного и того же по величине вакуумного промежутка при неоднородности в области катода в 2-2,5 раза ниже, чем электрическая прочность такого же по величине вакуумного промежутка при смене полярности электродов. Именно по этой причине экраны располагают так, чтобы основная неоднородность электрического поля приходилась на положительный электрод, а именно на незакрепленный торец экрана. Пробивное напряжение вакуумной стороны диэлектрической секции зависит от степени ее экранировки. Этот факт наглядно демонстрирует график, приведенный на фиг.2, показывающий зависимость электрической прочности поверхности вакуумной стороны секции изолятора от величины зазора d между торцом экрана и соседним градиентным кольцом, заряженным отрицательно по отношению к экрану. При отсутствии экранов величина напряжения на диэлектрической секции 1 изолятора ограничена электрической прочностью вакуумной поверхности толщиной D диэлектрической секции (см. фиг.2). С присутствием экранов величина напряжения на секции изолятора определяется уже электрической прочностью совокупности параллельно соединенных между собой экранированной вакуумной поверхности диэлектрической секции 1 и вакуумного зазора изолятора d между торцом экрана и соседним градиентным кольцом, заряженным отрицательно по отношению к экрану. Величину электрической совокупности можно изменять в широких пределах, изменяя величину вакуумного зазора d. При электрическом контакте торца экрана со смежным градиентным кольцом (d=0), прочность совокупности вакуумный зазор d - боковая поверхность вакуумной стороны секции изолятора равна 0 (секция закорочена). При увеличении вакуумного зазора d электрическая прочность указанной совокупности возрастает и определяется, до точки d=d_опт, электрической прочностью вакуумного зазора. В точке d=d_опт электрическая прочность вакуумного зазора равна электрической прочности вакуумной поверхности диэлектрической секции 1 изолятора. Причем электрическая прочность боковой поверхности секции 1 с экранированием от внешних воздействий в точке d=d_опт в несколько раз выше электрической прочности той же поверхности, но без экранирования. При дальнейшем увеличении вакуумного зазора (d>d_опт) электрическая прочность совокупности изоляционный слой вакуумной поверхности диэлектрической секции изолятора. При этом снижение электрической прочности боковой поверхности секции происходит из-за снижения эффективности экранировки секции. При равенстве величины вакуумного зазора толщине боковой поверхности диэлектрической секции d=D (экранировка отсутствует) электрическая прочность указанной выше совокупности равняется электрической прочности неэкранированной поверхности секции изолятора.

Таким образом, для достижения наибольшей электрической прочности изолятора необходимо настроить изолятор так, чтобы прочность вакуумных зазоров d между торцами экранов и соседними отрицательно заряженными по отношению к экрану градиентными кольцами равнялась электрической прочности экранированных боковых поверхностей диэлектрических секций изолятора. Настройку изолятора на оптимальное напряжение осуществляют при помощи изменения давления внутри полых торов диэлектрических секций 1 изолятора, выполненных из эластичного материала, и степенью сжатия изолятора при помощи диэлектрических стяжек 8.

Пример конкретного выполнения

По заявляемому способу изготавливали проходной вакуумный изолятор высокого напряжения. Изолятор собирали из одинаковых по конструкции и геометрическим размерам диэлектрических секций 1 и чередующихся с ними идентичных между собой электропроводящих градиентных колец 3, которые располагали межу двумя электродами, одним из которых служила отрицательно заряженная крышка 5 изолятора, а другим электродом служит заземленный фланец 6, изолятора. К крышке изолятора был прикручен катодоржатель 7, выполненный в виде трубы из нержавеющей стали. Крышку 5, упомянутые секции 1, чередующиеся с ними градиентные кольца 3 и фланец 6 стягивали в единую конструкцию при помощи диэлектрических стяжек 8, выполненных из капролактама. Стяжки были размещены в чехол 9, выполненный в виде полого цилиндра из проводящей резины Цилиндр 9 выполнял роль делителя напряжения, при помощи которого рабочее высоковольтное напряжение равномерно распределялась по секциям изолятора за счет электрического контакта градиентных колец 3 с поверхностью цилиндра 9. Для создания электрического контакта в градиентных кольцах выполняют симметрично по окружности отверстия, количество и диаметр которых соответствует количеству и диаметру диэлектрических стяжек. Каждое электропроводящее градиентное кольцо изолятора 3 было выполнено из нержавеющей листовой стали толщиной 4 мм. Градиентные кольца были снабжены цилиндрическими экранами, выполненными из нержавеющей стали. Толщина стенки экранов была равна 1 мм. Торцы экранов были повернуты в сторону крышки 5, на которую в процессе эксплуатации изолятора подают отрицательный высоковольтный импульс. Внутренний диаметр цилиндрических экранов которых выполняли равным внутреннему диаметру градиентных колец, равный в рассматриваемом случае 300 мм. Экраны располагали так, чтобы торец экрана, не соединенный с градиентным кольцом, был направлен в сторону крышки изолятора 5. Диэлектрические секции 1 изолятора выполняли из маслостойкой резины «Эластосил R 502/80» в виде полого тора. Толщина стенок тора равнялась 2 мм. Высота тора равнялась 35 мм.

По наружному диаметру тора каждой секции был выполнен фланец в виде плоского кольца, в котором выполняли симметрично по окружности сквозные отверстия, количество и диаметр которых соответствовало количеству и диаметру диэлектрических стяжек, в рассматриваемом случае количество отверстий было равно 6. Фланцы с отверстиями на боковой поверхности торов необходимы для центровки секций изолятора при его сборке. Сборку изолятора в конструкцию осуществляли следующим образом. Капролактамовые стяжки 1 размещали в цилиндры 9, выполненные из полупроводящей резины. Один конец стяжек 8 при помощи гаек закрепляли к фланцу 6. На цилиндры 9 стяжек 8 нанизывали диэлектрические секции 1 и чередующиеся с ними электропроводные градиентные кольца 3 при помощи соответствующих отверстий, выполненных во фланцах торов и в градиентных кольцах. Количество диэлектрических секций в изоляторе было равно 20. Вторые концы капролактамовых стяжек с нарезанной на них резьбой закрепляли гайками 10 к крышке изолятора 5. При помощи золотников 11 нагнетали давление внутри полости торов электрических секций 1. Настройку изолятора на оптимальные режимов работы осуществляли при помощи изменения давления внутри полостей тора и степени их сжатия с использованием стяжных шпилек.

Изменением степени экранировки путем перемещения экранов удается увеличить пробивное напряжение изолятора с 700 кВ при длительности импульсов 0,2 мкс и полном токе 30-35 кА до 1500 кВ при длительности импульсов 0,5 мкс и полном токе 35 кА. Дальнейшее повышение напряжения приводило к пробою изолятора в радиальном направлении. Оптимальный вакуумный зазор, при котором наблюдается максимальная электрическая прочность, составлял d=d_опт=4 мм.

Таким образом, при изменении степени экранировки удается повысить прочность изолятора более чем в 2 раза. Преимуществом предлагаемого способа является возможность изменять электрическую прочность в широких пределах, добиваясь ее оптимального значения. Указанное свойство изолятора дает возможность проектировщикам высоковольтных секционированных изоляторов экспериментально определять ту величину вакуумного зазора между экраном и соседним градиентным кольцом, которая необходима для достижения наилучшего эффекта.

По сравнению со способом-прототипом заявляемый способ имеет следующие преимущества:

- выполнение диэлектрических секций в виде полых торов позволяет более чем на порядок снизить вес изолятора;

- при транспортировке изолятора практически на порядок можно снизить габариты изолятора, например, сжав все диэлектрические секции в единую стопку;

- по сравнению с прототипом заявляемый способ позволяет увеличить электрическую прочность конструкции при одинаковых размерах изоляторов, изготовляемых по заявляемому способу и способу-прототипу, более чем в 2 раза.

Источники информации

1. Патент США №2082474, кл. 174-9, опубл. 1937 г.

2. Авторское свидетельство СССР №547845, кл. H01B 17/26, 1975.

3. Авторское свидетельство СССР №803017, кл. H01B 17/26, 1978.

4. Авторское свидетельство СССР №636687. Проходной секционированный изолятор / Г.М. Кассиров, Г.В. Смирнов, Ю.В. Планкин / Кл. H01B 17/32. Опубл. 05.12.78. Бюлл. №45. - Прототип.

5. Г.В. Смирнов. Экспериментальное изучение вакуумного пробоя сантиметровых промежутков на импульсах микросекундной длительности. Томск, канд. диссертация, 1974 г., стр.51 рис.32.

Способ изготовления проходных вакуумных изоляторов высокого напряжения, заключающийся в том, что изолятор собирают из одинаковых по конструкции и геометрическим размерам диэлектрических секций и чередующихся с ними идентичных между собой электропроводящих градиентных колец, которые располагают межу двумя электродами, одним из которых служит отрицательно заряженная крышка изолятора, а другим электродом служит заземленный фланец, при этом крышку, упомянутые секции, чередующиеся с ними градиентные кольца и фланец стягивают в единую конструкцию при помощи диэлектрических стяжек, а напряжение между упомянутыми секциями равномерно распределяют при помощи делителя напряжения, отличающийся тем, что снабжают градиентные проводящие кольца цилиндрическими электропроводящими экранами, внутренний диаметр которых выполняют равным внутреннему диаметру градиентных колец, при этом экраны располагают так, чтобы торец экрана, не соединенный с градиентным кольцом, был направлен в сторону крышки изолятора, изготавливают из эластичного изоляционного материала диэлектрические секции в виде полых торов, по наружному диаметру которых выполняют фланец в виде плоского кольца, в котором выполняют симметрично по окружности отверстия, количество и диаметр которых соответствует количеству и диаметру диэлектрических стяжек, на поверхность диэлектрических стяжек надевают чехол из проводящей резины, выполняющий роль делителя напряжения, а равномерное распределение по поверхности изолятора осуществляют при помощи создания и электрического контакта между упомянутым слоем и градиентными кольцами, для чего в градиентных кольцах выполняют симметрично по окружности отверстия, количество и диаметр которых соответствует количеству и диаметру диэлектрических стяжек, при этом изменение габаритов диэлектрических секций, расстояния между экраном и близлежащим к нему градиентным кольцом, производимые при настройке изолятора для оптимальных режимов работы, осуществляют при помощи изменения давления внутри полостей тора и степени их сжатия с использованием стяжных шпилек.