RU2199167C1 - Gas-filled discharger - Google Patents

Abstract

FIELD: gas-discharge engineering; high- voltage gas-discharge devices. SUBSTANCE: proposed gas-filled discharger may be used for instance in developing peaker-discharges of X-ray and electron beams, as well as nanosecond high-voltage pulses for small-size pulse generators. Gas-filled discharger has envelope built of flanged metal case and insulator in the form of hollow truncated cone, two opposing electrodes of which one is secured on inner butt-end surface of case and other, on smaller base of insulator whose larger base is joined with case flanging, as well as electrode lead passed through insulator and having section in the form of truncated cone and cylindrical section; novelty is that lead section made in the from of truncated cone is joined through its smaller base with electrode and through its larger base, with intermediate section in the form of body of revolution, the latter being in its turn connected to cylindrical section; mating ends of all sections have same diameter. EFFECT: enhanced electric strength of insulator, increased service life and reliability of discharger. 2 dwg

Description

Изобретение относится к газорязрядной технике и может быть использовано при разработке высоковольтных газоразрядных приборов, например разрядников-обострителей для малогабаритных импульсных генераторов рентгеновских и электронных пучков и импульсов высокого напряжения наносекундной длительности. The invention relates to gas discharge technology and can be used in the development of high-voltage gas-discharge devices, for example, surge arresters for small-sized pulse generators of x-ray and electron beams and high-voltage pulses of nanosecond duration.

Известен газонаполненный разрядник (Белкин Н.В., Тараканов М.Ю. и Тарасов М.Д. Портативный генератор субнаносекундных импульсов быстрых электронов.// ПТЭ 6, 1987 г., с. 133-134), содержащий оболочку, состоящую из металлического корпуса в виде цилиндрического стакана с отбортовкой и изолятора в виде полого усеченного конуса, два противостоящих электрода, один из которых закреплен на внутренней поверхности дна цилиндрического стакана, а другой - на торцевой поверхности меньшего основания изолятора, соединенного другим основанием с отбортовкой корпуса, и вывод электрода, проходящий внутри изолятора, с участком в виде усеченного конуса, большее основание которого соединено с электродом, а меньшее основание переходит в цилиндрический участок. Known gas-filled spark gap (Belkin N.V., Tarakanov M.Yu. and Tarasov M.D. Portable generator of subnanosecond pulses of fast electrons. // PTE 6, 1987, p. 133-134), containing a shell consisting of a metal the case in the form of a cylindrical cup with a flange and an insulator in the form of a hollow truncated cone, two opposing electrodes, one of which is fixed on the inner surface of the bottom of the cylindrical cup, and the other on the end surface of the smaller base of the insulator, connected by another flanging base ca, and the output electrode extending inside the insulator, with a portion in the form of a truncated cone, the larger base of which is connected to the electrode, and the smaller base of the cylindrical portion passes.

Недостатком аналога является большой диаметр корпуса, что ограничивает применение данного разрядника в портативных генераторах импульсных напряжений и рентгеновских и электронных пучков. The disadvantage of the analogue is the large diameter of the housing, which limits the use of this spark gap in portable generators of pulsed voltages and x-ray and electron beams.

Наиболее близким к заявляемому является газонаполненный разрядник (Авилов Э. А. и Юрьев А.Л., Газонаполненные металлокерамические разрядники высокого давления.// ПТЭ. 2000. 2. С. 78-81, рис. (г)), содержащий оболочку, состоящую из металлического корпуса с отбортовкой и изолятора в виде полого усеченного конуса, два противостоящих электрода, один из которых закреплен на внутренней торцевой поверхности корпуса, а другой - на меньшем основании изолятора, соединенного большим основанием с отбортовкой корпуса, а также вывод электрода, проходящий внутри изолятора и имеющий участок в виде усеченного конуса и цилиндрический участок. Разрядник имеет диаметр корпуса примерно на 30% меньше, чем аналог и поэтому его применение позволяет в 1.5-2 раза снизить массу портативной высоковольтной аппаратуры. Closest to the claimed is a gas-filled spark gap (Avilov E.A. and Yuryev A.L., Gas-filled metal-ceramic high-pressure arresters. // PTE. 2000. 2. P. 78-81, Fig. (D)), containing a shell, consisting of a metal housing with a flanging and an insulator in the form of a hollow truncated cone, two opposing electrodes, one of which is fixed on the inner end surface of the housing, and the other on the smaller base of the insulator, connected by a large base to the flanging of the housing, and the electrode lead passing insideinsulator and having a section in the form of a truncated cone and a cylindrical section. The arrester has a case diameter of about 30% less than the analogue and therefore its use allows 1.5-2 times to reduce the mass of portable high-voltage equipment.

Недостатком прототипа является неравномерное распределение электрического поля вдоль образующей изолятора в связи с уменьшением диаметра корпуса и вынужденным уменьшением диаметра малого основания изолятора по сравнению с аналогом. Это приводит к снижению электропрочности изолятора и вследствие этого уменьшению надежности и ресурса разрядника. The disadvantage of the prototype is the uneven distribution of the electric field along the generatrix of the insulator due to the decrease in the diameter of the casing and the forced decrease in the diameter of the small base of the insulator compared to the analogue. This leads to a decrease in the electric strength of the insulator and, as a result, to a decrease in the reliability and resource of the arrester.

Задачей данного изобретения является создание малогабаритного разрядника с высокими надежностью и ресурсом. The objective of the invention is to provide a compact arrester with high reliability and resource.

Техническим результатом является повышение электропрочности изолятора, ресурса работы и надежности разрядника. The technical result is to increase the electrical strength of the insulator, the service life and reliability of the arrester.

Указанный технический результат достигается тем, что по сравнению с известным газонаполненным разрядником, содержащим оболочку, состоящую из металлического корпуса с отбортовкой и изолятора в виде полого усеченного конуса, два противостоящих электрода, один из которых закреплен на внутренней торцевой поверхности корпуса, а другой - на меньшем основании изолятора, соединенного большим основанием с отбортовкой корпуса, а также вывод электрода, проходящий внутри изолятора и имеющий участок в виде усеченного конуса и цилиндрический участок, новым является то, что участок вывода, выполненный в виде усеченного конуса, соединен меньшим основанием с электродом, а большим основанием - с переходным участком в виде тела вращения, который в свою очередь соединен с цилиндрическим участком, при этом стыкующиеся торцы всех участков совпадают по диаметру. The specified technical result is achieved in that, in comparison with the known gas-filled spark gap containing a shell consisting of a metal housing with a flanging and an insulator in the form of a hollow truncated cone, two opposing electrodes, one of which is fixed to the inner end surface of the housing, and the other to a smaller one the base of the insulator, connected by a large base to the flanging of the housing, as well as the output of the electrode passing inside the insulator and having a section in the form of a truncated cone and a cylindrical section ok, new is that the terminal section, made in the form of a truncated cone, is connected by a smaller base to the electrode, and the larger base is connected to the transition section in the form of a body of revolution, which in turn is connected to the cylindrical section, while the butt ends of all sections coincide in diameter.

Дело в том, что уменьшение диаметра корпуса требует, в свою очередь, уменьшения диаметра малого основания конического изолятора. Это приводит к тому, что при использовании высоковольтного вывода, описанного в прототипе, то есть с участком в виде усеченного конуса, большое основание которого закреплено на электроде, распределение электрического поля вдоль изолятора становится неравномерным (что хорошо видно из неравномерного распределения изолиний вдоль изолятора и на графике напряженностей электрического поля (фиг. 2а)). При этом уменьшаются электропрочность изолятора, надежность и ресурс разрядника. The fact is that reducing the diameter of the housing requires, in turn, reducing the diameter of the small base of the conical insulator. This leads to the fact that when using the high-voltage output described in the prototype, that is, with a section in the form of a truncated cone, the large base of which is fixed to the electrode, the distribution of the electric field along the insulator becomes uneven (which is clearly seen from the uneven distribution of isolines along the insulator and a graph of electric field strengths (Fig. 2a)). This reduces the electrical strength of the insulator, the reliability and service life of the arrester.

Для компенсации указанного недостатка предложено изменить форму высоковольтного вывода. Участок вывода, соединенный с электродом, имеет форму усеченного конуса, малое основание которого соединено с электродом, а большое основание - с переходным участком в виде тела вращения, который, в свою очередь, соединен с цилиндрическим участком. Расчеты электростатических полей внутри разрядника показали, а эксперименты подтвердили, что использование такого вывода приводит к выравниванию распределения поля вдоль всей поверхности изолятора, снижению напряженности поля вблизи малого основания изолятора и обеспечению максимально возможной электропрочности. Это хорошо видно из распределения линий равного потенциала и на графике напряженностей электрического поля вдоль образующей изолятора разрядника (фиг.2б). To compensate for this drawback, it is proposed to change the shape of the high-voltage output. The terminal section connected to the electrode has the shape of a truncated cone, the small base of which is connected to the electrode, and the large base with the transition section in the form of a body of revolution, which, in turn, is connected to the cylindrical section. Calculations of the electrostatic fields inside the arrester showed, and experiments confirmed that the use of such a conclusion leads to equalization of the field distribution along the entire surface of the insulator, to a decrease in the field strength near the small base of the insulator, and to ensure the highest possible electric strength. This is clearly seen from the distribution of lines of equal potential and on the graph of the electric field along the generatrix of the insulator of the arrester (fig.2b).

На фиг.1 изображена конструкция заявляемого газонаполненного разрядника. Figure 1 shows the design of the inventive gas-filled spark gap.

На фиг.2а, б приведены распределения линий равного потенциала и напряженностей электрического поля вдоль образующей изоляторов прототипа (а) и заявляемого разрядника (б). On figa, b shows the distribution of lines of equal potential and electric field strength along the generatrix of the insulators of the prototype (a) and the claimed arrester (b).

Газонаполненный разрядник содержит оболочку, состоящую из металлического корпуса 1 с отбортовкой и изолятора 2 в виде полого усеченного конуса, и два противостоящих электрода 3, 4. Электрод 4 закреплен на внутренней торцевой поверхности корпуса, а электрод 3 - на меньшем основании изолятора, соединенного большим основанием с отбортовкой корпуса. Вывод 5 электрода 3 проходит внутри изолятора и имеет участок в виде усеченного конуса и цилиндрический участок. Участок вывода 5, выполненный в виде усеченного конуса, соединен меньшим основанием с электродом, а большим основанием - с переходным участком в виде тела вращения, который в свою очередь соединен с цилиндрическим участком, при этом стыкующиеся торцы всех участков совпадают по диаметру. The gas-filled spark gap contains a shell consisting of a metal housing 1 with a flanging and an insulator 2 in the form of a hollow truncated cone, and two opposing electrodes 3, 4. The electrode 4 is mounted on the inner end surface of the housing, and the electrode 3 is mounted on the smaller base of the insulator connected by a large base with flanging of the case. The terminal 5 of the electrode 3 passes inside the insulator and has a section in the form of a truncated cone and a cylindrical section. The terminal section 5, made in the form of a truncated cone, is connected by a smaller base to the electrode, and the larger base is connected to the transition section in the form of a body of revolution, which in turn is connected to the cylindrical section, while the butt ends of all sections coincide in diameter.

Работает заявляемый газонаполненный разрядник следующим образом. При подаче высокого напряжения к электродам 3 и 4 разрядника в межэлектродном промежутке 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 газа, создаются условия для быстрого формирования канала разряда. При этом происходит перемыкание межэлектродного промежутка. В условиях высокого давления разряд носит искровой характер. The inventive gas-filled spark gap operates as follows. When a high voltage is applied to the electrodes 3 and 4 of the arrester, an electric field arises in the interelectrode gap, the intensity of which is determined by the magnitude of the applied voltage, the magnitude of the interelectrode gap and the configuration of the electric field in the gap. When the field strength reaches breakdown for a given gas, conditions are created for the rapid formation of the discharge channel. In this case, the inter-electrode gap is bridged. Under high pressure conditions, the discharge is of a spark nature.

В примере конкретного выполнения разрядника-обострителя на импульсные напряжения 200-210 кВ разрядник располагается в среде трансформаторного масла и содержит цилиндрический корпус из нержавеющей стали с внутренним диаметром 47 мм и длиной 66 мм с толщиной стенки 1.5 мм. Внутри корпуса соосно расположены два электрода из тугоплавкого сплава ВНЖ7-3, образующие межэлектродный промежуток длиной 5 мм. In an example of a specific embodiment of the surge arrester for pulsed voltages of 200-210 kV, the arrester is located in a transformer oil medium and contains a cylindrical stainless steel body with an inner diameter of 47 mm and a length of 66 mm with a wall thickness of 1.5 mm. Two electrodes of the refractory alloy VNZH7-3 are coaxially located inside the housing, forming an interelectrode gap of 5 mm in length.

Один из электродов расположен на меньшем основании полого конического изолятора из керамики типа ВК 94-1, его диаметр 22 мм, другой выполнен плоским и расположен на внутренней торцевой поверхности металлического корпуса. Разрядник заполнен водородом при давлении 40 ати. One of the electrodes is located on the smaller base of the hollow conical ceramic insulator type VK 94-1, its diameter is 22 mm, the other is flat and located on the inner end surface of the metal case. The spark gap is filled with hydrogen at a pressure of 40 atm.

Вывод электрода, если рассматривать его от места закрепления на электроде, имеет расширяющийся конический участок, который переходит в цилиндрический участок, затем в конический сужающийся участок и, наконец, в другой цилиндрический участок, который служит для подключения разрядника к другим устройствам. Средние конический и цилиндрический участки в данном случае составляют переходный участок. Переходный участок может также иметь бочкообразную и другие формы. The output of the electrode, if we consider it from the place of attachment to the electrode, has an expanding conical section, which goes into a cylindrical section, then into a conical narrowing section, and finally into another cylindrical section, which serves to connect the arrester to other devices. The middle conical and cylindrical sections in this case constitute a transition section. The transition section may also have a barrel-shaped and other forms.

Таким образом, применение описанного выше высоковольтного вывода позволило обеспечить равномерное распределение электрического поля вдоль поверхности изолятора и тем самым повысить на 20-25% электрическую прочность изолятора, что, как показывает опыт работы с газонаполненными металлокерамическими разрядниками, соответствует увеличению ресурса в несколько раз. Thus, the use of the high-voltage output described above made it possible to ensure uniform distribution of the electric field along the surface of the insulator and thereby increase the dielectric strength of the insulator by 20-25%, which, as experience with gas-filled metal-ceramic spark gap shows, corresponds to a several-fold increase in resource.

Claims (1)

Газонаполненный разрядник, содержащий оболочку, состоящую из металлического корпуса с отбортовкой и изолятора в виде полого усеченного конуса, два противостоящих электрода, один из которых закреплен на внутренней торцевой поверхности корпуса, а другой - на меньшем основании изолятора, соединенного большим основанием с отбортовкой корпуса, а также вывод электрода, проходящий внутри изолятора и имеющий участок в виде усеченного конуса и цилиндрический участок, отличающийся тем, что участок вывода, выполненный в виде усеченного конуса, соединен меньшим основанием с электродом, а большим основанием - с переходным участком в виде тела вращения, который в свою очередь соединен с цилиндрическим участком, при этом стыкующиеся торцы всех участков совпадают по диаметру. A gas-filled arrester containing a shell consisting of a metal housing with flanging and an insulator in the form of a hollow truncated cone, two opposing electrodes, one of which is fixed on the inner end surface of the housing, and the other on the smaller base of the insulator connected by a large base to the flanging of the housing, and also the output of the electrode passing inside the insulator and having a section in the form of a truncated cone and a cylindrical section, characterized in that the section of the output, made in the form of a truncated cone, with it is united by a smaller base with an electrode, and by a larger base - with a transition section in the form of a body of revolution, which in turn is connected to a cylindrical section, while the joined ends of all sections coincide in diameter.

Images