EA017024B1 - Газонаполненный разрядник - Google Patents

Abstract

Газонаполненный разрядник относится к высоковольтной импульсной технике, а именно к устройствам сильноточных импульсных газонаполненных разрядников, предназначенных для использования в качестве коммутаторов в скважинных электрогидравлических установках. Технический результат: уменьшение длины, массы и собственной индуктивности разрядника при одновременном сохранении его электропрочности. Сущность изобретения: в газонаполненном разряднике, содержащем металлический герметичный корпус, два электрода с токовыводами, установленные соосно друг напротив друга на изоляторах, закрепленных на торцевых выступах корпуса, новым является то, что со стороны внутреннего объема разрядника изоляторы выполнены в виде усеченных конусов, а с внешней стороны разрядника изоляторы имеют трубчатую форму. Кроме того, токовыводы зафиксированы от возможности их проворота в изоляторах, а изоляторы зафиксированы от возможности их проворота в корпусе; изоляторы с внешней стороны разрядника примыкают своими поверхностями к корпусу и/или к токовыводам; внутри по крайней мере одного из токовыводов и электродов установлена система газонаполнения разрядника.

Description

Изобретение относится к высоковольтной импульсной технике, а именно к устройствам сильноточных импульсных газонаполненных разрядников, предназначенных для использования в качестве коммутаторов в скважинных электрогидравлических установках.

Предшествующий уровень техники

Известен газонаполненный разрядник (см. Р.А. Рафиков и А.А. Герасимов, АС СССР №1402187, кл. МПК Н01 1 17/00, опубл. в БИ №32, 1990 г.), содержащий электроды, установленные друг напротив друга в металлическом корпусе, и изоляторы в виде полых усеченных конусов, на меньших основаниях которых закреплены электроды, а большие основания изоляторов закреплены на торцах корпуса.

Недостатком аналога является малая длина образующей полых конических изоляторов, что приводит к низкой электрической прочности наружной поверхности изоляторов при размещении разрядника в воздушной среде без избыточного давления; для повышения электрической прочности необходимо увеличивать диаметр разрядника, однако диаметр скважинных устройств жестко ограничен диаметром обсадной колонны.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому устройству является неуправляемый газонаполненный разрядник для скважинных электрогидравлических аппаратов, разработанный в Институте импульсных процессов и технологий (г. Николаев, Украина, см. статью К.У. ОиЬоуспко. Уи.Г Китакйко, Т11с Оеыдп, ЕаЬпсайоп спб ТекИпд οί а С1окшд 8хуИс11 ίοτ Сотрас! Е1ес1пса1 Ошсйатде 1пбик1па1 Едшршеп!, 11-ΐΠ 1ЕЕЕ Ри1кеб Ро\\'ег СоШетепсе, ВаШшоте, Мату1апб, 1997, рр. 868-874).

Разрядник содержит металлический герметичный корпус и два электрода с токовыводами, установленные соосно друг напротив друга на изоляторах, закрепленных на торцевых выступах корпуса. Зазор между электродами составляет 12-13 мм. Электроды и токовыводы от них выполнены из нержавеющей стали или молибдена и изолированы от корпуса с помощью длинных изоляторов с развитой гофрированной поверхностью. Изоляторы закреплены на торцах металлического корпуса в своей средней части таким образом, что токовыводы и изоляторы выступают за торцы корпуса примерно на половину своей длины. Корпус разрядника заполнен азотом под атмосферным давлением.

Диаметр разрядника 90 мм, длина 685 мм, индуктивность 500 нГн. Разрядник работает при внешнем гидростатическом давлении до 50 МПа (500 атм), температуре до 100°С, напряжение срабатывания разрядника лежит в диапазоне 27-31 кВ.

Недостатками разрядника - прототипа являются большая длина разрядника, которая приводит к увеличению массы и индуктивности разрядника. Высокая индуктивность разрядника, в свою очередь, обуславливает снижение скорости ввода энергии в канал разряда в электроразрядной камере и снижение амплитуды ударной волны на стенке обсадной колонны.

Сущность изобретения

При создании данного изобретения решалась задача разработки разрядника с изоляторами такой конфигурации, которая позволила бы уменьшить его длину, массу и индуктивность при одновременном сохранении его электрической прочности по сравнению с прототипом.

Техническим результатом изобретения является уменьшение длины, массы и собственной индуктивности разрядника при одновременном сохранении его электропрочности.

Указанный технический результат достигается тем, что по сравнению с известным газонаполненным разрядником, содержащим металлический герметичный корпус, два электрода с токовыводами, установленные соосно друг напротив друга на изоляторах, закрепленных на торцевых выступах корпуса, новым является то, что со стороны внутреннего объема разрядника изоляторы выполнены в виде усеченных конусов, а с внешней стороны разрядника изоляторы имеют трубчатую форму.

Кроме того, токовыводы зафиксированы от возможности их проворота в изоляторах, а изоляторы зафиксированы от возможности их проворота в корпусе; изоляторы с внешней стороны разрядника примыкают своими поверхностями к корпусу и/или к токовыводам; внутри, по крайней мере., одного из токовыводов и электродов установлена система газонаполнения.

Выполнение изоляторов со стороны внутреннего объема разрядника в виде усеченных конусов позволяет:

существенно (по крайней мере, вдвое) уменьшить напряженность электрического поля на внутренней поверхности изоляторов и повысить электропрочность разрядника;

одновременно вдвое сократить длину внутренних участков изоляторов и, соответственно, уменьшить вдвое длину, массу и индуктивность разрядника.

Для подтверждения данного вывода были проведены расчеты электрических полей заявляемого разрядника и разрядника-прототипа при помощи контурных моделей, составленных согласно чертежам обоих разрядников (см. фиг. 1 и фиг. 3 соответственно). При этом подразумевалось, что к электродам 2 обоих разрядников приложено напряжение 35 кВ, а противоположные электроды 3 имеют нулевой потенциал. Расчеты проводились в области изолятора, находящегося под высоким напряжением.

Результаты расчетов представлены в виде картин распределения линий равного потенциала и значений напряженности электрического поля в заданных точках (показаны на фиг. 4 и 5 для разрядникапрототипа и на фиг. 6 и 7 для заявляемого разрядника).

- 1 017024

Видно, что в разряднике - прототипе (см. фиг. 4 и 5) наблюдается сгущение линий равного потенциала (которое соответствует высокой напряженности поля) вблизи заделки изолятора в корпус и на радиальных выступах гофрированной поверхности изолятора. В указанных местах напряженность поля достигает 3 кВ/мм, что практически равно значению пробивной напряженности поля в рабочем межэлектродном зазоре 3,5 кВ/мм. Это приводит к появлению коронных токов и частичных разрядов на поверхности изолятора, которые далее могут привести к пробою всего изолятора, почему и приходится неоправданно увеличивать длину изолятора для обеспечения его надежной работы. Т.е. разрядник - прототип с длинными гофрированными изоляторами будет хорошо работать на открытом воздухе, но малопригоден для работы внутри трубчатого металлического корпуса, который обеспечивает защиту разрядника от больших гидростатических давлений в скважине.

В заявляемом разряднике применение изоляторов в виде усеченных конусов со стороны внутреннего объема позволило добиться практически однородного электрического поля (см. фиг. 6 и 7) с максимальным значением напряженности на границе изолятора с газом всего 1,6 кВ/мм при значении пробивной напряженности поля в рабочем межэлектродном зазоре 7 кВ/мм. Это означает, что по поверхности изоляторов коронные разряды не будут развиваться, хотя длина изоляторов заявляемого разрядника вдвое меньше длины изоляторов разрядника - прототипа. Т.е. коническая форма изоляторов со стороны внутреннего (газового) объема разрядника обеспечивает высокую электропрочность и надежную работу заявляемого разрядника.

Выполнение изоляторов с внешней стороны разрядника трубчатыми и примыкающими, например, к корпусу и/или к токовыводам позволяет развить длину изолирующей поверхности и при этом уменьшить длину внешнего участка изолятора разрядника при осевой стыковке с другими блоками (конденсаторным модулем и электроразрядной камерой) скважинной электрогидравлической установки, что также способствует уменьшению длины, веса и индуктивности разрядника при сохранении его электрической прочности;

прикрыть металлические поверхности заземленного корпуса и/или высоковольтных токовыводов диэлектриком, который, даже в случае появления короны на высоковольтном токовыводе, является препятствием (барьером) на пути электронной лавины и снижает вероятность электрического пробоя между высоковольтным токовыводом и заземленным корпусом разрядника.

Фиксация токовыводов от возможности их проворота в изоляторах, а изоляторов от возможности их проворота внутри корпуса, например, при помощи штифтов, установленных в торцевых отверстиях токовыводов и изоляторов, изоляторов и корпуса обеспечивает сохранность резиновых уплотнений и снижает вероятность разгерметизации разрядника.

Установка внутри по крайней мере одного из токовыводов и электродов системы газонаполнения позволяет закачивать во внутренний объем разрядника электропрочный газ, например азот или элегаз, стравливать давление газа внутри разрядника и перенастраивать разрядник на другое рабочее напряжение, продувать разрядник и очищать его внутренний объем от продуктов разложения. При этом расположение системы газонаполнения во внутренней полости трубчатых токовыводов, где напряженность электрического поля равна нулю, никоим образом не ухудшает электропрочность и не снижает напряжение срабатывания разрядника.

Перечень фигур чертежей и иных материалов

На фиг. 1 изображен в разрезе заявляемый газонаполненный разрядник. На фиг. 2 показана фотография изолятора заявляемого разрядника. На фиг. 3 схематично изображен в разрезе разрядникпрототип. На фиг. 4 и 5 показаны картины распределения линий равного потенциала и график напряженности электрического поля вдоль поверхности гофрированного изолятора в разряднике-прототипе. На фиг. 6 и 7 показаны картины распределения линий равного потенциала и график напряженности электрического поля вдоль образующей конического изолятора в заявляемом разряднике.

Сведения, подтверждающие возможность осуществления изобретения

Газонаполненный разрядник по фиг. 1 содержит металлический герметичный корпус 1, два электрода 2 и 3 с токовыводами 4 и 5, установленные соосно друг напротив друга на изоляторах 6 и 7, закрепленных на торцевых выступах корпуса 1.

Со стороны внутреннего объема разрядника изоляторы выполнены в виде усеченных конусов (конические участки изоляторов указаны поз. 8 и 9). С внешней стороны разрядника изоляторы выполнены в виде трубок 10 и 11. Трубчатые окончания (участки) 10 и 11 изоляторов 6 и 7 расположены на среднем радиусе между токовыводами 4 и 5 и корпусом 1. Трубчатые окончания 10 и 11 изоляторов 6 и 7 могут быть также прижаты к поверхностям токовыводов 4 и 5 или корпуса 1 (диаметр трубок 10 и 11 может быть равен наружному диаметру токовыводов 4 и 5 или внутреннему диаметру корпуса 1).

Газовое наполнение разрядника осуществляется через тонкий трубопровод (штенгель) 12, расположенный внутри по крайней мере одного из токовыводов 4 или 5 и отверстия в соответствующем электроде 2 или 3. После заполнения внутреннего объема разрядника рабочим газом до требуемого давления (например, до 0,5 МПа) штенгель 12 пережимается и герметично запаивается. По другому из вариантов система газового наполнения разрядника может быть выполнена также подобной системе накачки автомобильных шин (на фиг. 1 не показано).

- 2 017024

Токовыводы 4 и 5 зафиксированы штифтами 13 и 14 от возможности проворота внутри изоляторов 6 и 7 при сборке разрядника и стыковке его к соседним блокам скважинной электрогидравлической установки. Изоляторы 6 и 7 зафиксированы от проворота внутри корпуса 1 гайками 15 и 16.

На токовыводах 4 и 5 и изоляторах 6 и 7 установлены резиновые или фторопластовые уплотнения 17, 18 и 19, 20, которые обеспечивают герметичность внутреннего (газового) объема разрядника.

Корпус 1 имеет на концах присоединительные элементы в виде резьбовых участков, позволяющих стыковать разрядник с другими блоками электрогидравлической установки.

Внутренний объем разрядника заполнен азотом под избыточным давлением 0,3-0,5 МПа (3-5 атм).

В опытном образце разрядника, разрез которого показан на фиг. 1, корпус 1 выполнен из стали 45 или 30ХГСА и имеет на концах присоединительные резьбы М95х2. Толщина и материал корпуса 1 выбраны достаточными для обеспечения механической прочности корпуса при воздействии внешнего гидростатического давления 30 МПа (300 атм.). Электроды 2 и 3 выполнены из вольфрамового сплава ВНЖ7-3, токовыводы 4 и 5 -из латуни или нержавеющей стали, изоляторы 6 и 7 - из капролона (полиамида) марки ПА6 или дифлона. Диаметр разрядника 102 мм, длина 340 мм, индуктивность 52 нГн, вес 7 кг.

При сборке заявляемый разрядник при помощи резьбовых участков в корпусе присоединяется с одной стороны к конденсаторному модулю скважинной электрогидравлической установки, а с другой стороны - к электроразрядной камере, при этом корпус разрядника составляет фрагмент корпуса скважинной электрогидравлической установки, а токовыводы электрически соединяются с соответствующими выводами вышеуказанных модулей электрогидравлической установки.

При работе скважинной электрогидравлической установки разрядник выполняет роль быстродействующего электрического ключа. Перед срабатыванием разрядника электрод 2 и токовывод 4, подключенные к конденсаторному модулю, находятся под высоким напряжением, равном напряжению заряда конденсаторного модуля, а электрод 3 и соответствующий ему токовывод 5, электрически соединенные с электроразрядной камерой, находятся под нулевым потенциалом. Когда напряжение заряда конденсаторного модуля достигает напряжения пробоя межэлектродного промежутка разрядника, последний срабатывает и за короткое время (10-20 нс) подключает конденсаторный модуль к электроразрядной камере. При этом в камере происходит пробой жидкостного промежутка, который сопровождается гидравлическим ударом, передающимся на стенку обсадной колонны.

Авторами изготовлены и испытаны несколько газонаполненных разрядников с заявленными отличительными признаками. Все разрядники выдержали гидравлические испытания (воздействие наружного давления до 40 МПа (400 атм)) и испытания на нагрев до 105°С. Также проведены электрические испытания, при которых к разряднику прикладывалось напряжение до 42 кВ, а амплитуда тока через разрядник достигала 30 кА. При этом в процессе всех испытаний изоляторы разрядника работали без пробоев по их поверхности.

Таким образом, в заявляемом разряднике по сравнению с прототипом уменьшены примерно в 2 раза длина (с 685 до 340 мм), в 10 раз индуктивность (с 500 до 52 нГн) и в 2,3 раза масса (с 16,1 до 7 кг) при сохранении его электропрочности на уровне 40-42 кВ.

Claims (5)

1. Газонаполненный разрядник, содержащий металлический герметичный корпус, два электрода с токовыводами, установленные соосно друг напротив друга на изоляторах, закрепленных на торцевых выступах корпуса, отличающийся тем, что со стороны внутреннего объема разрядника изоляторы выполнены в виде усеченных конусов, а с внешней стороны разрядника изоляторы имеют трубчатую форму.

2. Газонаполненный разрядник по п.1, отличающийся тем, что токовыводы зафиксированы от возможности их проворота в изоляторах.

3. Газонаполненный разрядник по п.1, отличающийся тем, что изоляторы зафиксированы от возможности их проворота внутри корпуса.

4. Газонаполненный разрядник по п.1, отличающийся тем, что изоляторы с внешней стороны разрядника примыкают своими поверхностями к корпусу и/или к токовыводам.

5. Газонаполненный разрядник по п.1, отличающийся тем, что внутри по крайней мере одного из токовыводов и электродов установлена система газонаполнения.