Высоковольтный импульсный конденсатор

Изобретение относится к электротехнике, в частности к высоковольтным импульсным конденсаторам, и может быть использовано для получения мощных импульсов электрического тока, например, в скважинных электрогидравлических аппаратах. Техническим результатом данного изобретения является повышение механической и электрической прочности конденсатора. Высоковольтный импульсный конденсатор содержит трубчатый металлический корпус с двумя изоляционными крышками на концах и размещенный в нем полый цилиндрический пакет из нескольких последовательно соединенных пропитанных конденсаторных секций, центральный токовывод, соединенный с торцом первой конденсаторной секции и проходящий через отверстия в конденсаторных секциях, периферийный токовывод, соединенный с торцом последней конденсаторной секции и металлическим корпусом, два основных трубчатых изолятора, один из которых установлен поверх центрального токовывода, а второй установлен снаружи пакета конденсаторных секций, дополнительный изолятор, выполненный в виде стакана и надетый на первую конденсаторную секцию. Новым является то, что введен второй дополнительный изолятор,имеющий трубчато-дисковую конструкцию и расположенный трубчатой частью внутри последней конденсаторной секции, а дисковой частью примыкающий к внешней поверхности периферийного токовывода, на центральном токовыводе закреплен с одной стороны неподвижный упор, к которому примыкает торец первой конденсаторной секции, а на другой стороне центрального токовывода установлен подвижной упор, с помощью которого второй дополнительный изолятор и цанговый электрод поджимаются к последней конденсаторной секции, а секции - друг к другу и неподвижному упору. Кроме того, неподвижный упор выполнен из металла, подвижной упор из диэлектрика; центральный токовывод зафиксирован от проворота относительно корпуса, между неподвижным упором и первой конденсаторной секцией, между соседними конденсаторными секциями, между последней конденсаторной секцией и периферийным токовыводом установлены эластичные прокладки.(71)(73) Заявитель и патентовладелец: КАРТЕЛЕВ АНАТОЛИЙ ЯКОВЛЕВИЧ (RU) Область техники, к которой относится изобретение Изобретение относится к электротехнике, в частности к высоковольтным импульсным конденсаторам и формирующим линиям, и может быть использовано для получения мощных импульсов электрического тока, например, в скважинных электрогидравлических аппаратах. Предшествующий уровень техники Известен конденсатор ИМ 60-0,03 емкостью 0,03 мкФ на напряжение 60 кВ, содержащий трубчатый изоляционный (бакелитовый) корпус, пакет конденсаторных секций с бумажно-масляной изоляцией и две (верхнюю и нижнюю) металлические крышки, являющиеся выводами конденсатора (см. кн. Кучинский Г.С. "Высоковольтные импульсные конденсаторы". Л., Энергия, 1973 г., с.150-154, рис. 91). Недостатками указанного высоковольтного конденсатора являются большой диаметр 161 мм, высокая индуктивность 0,5-1,5 мкГн, малая удельная энергоемкость 12 Дж/л, низкая механическая прочность корпуса. Эти недостатки не позволяют использовать конденсатор в скважинных электрогидравлических аппаратах. Известен также высоковольтный импульсный конденсатор (см. авт.св. СССР 1355017, МПК 6 Н 01G 4/228, авторы Титов М.Н. и Долженко А.С, заявлено 28.03.86, опубликовано 20.02.95, БИ 5), содержащий металлический корпус с крышкой и дном и расположенные в корпусе полый цилиндрический пакет из последовательно соединенных пропитанных конденсаторных секций, два основных токовывода положительной и отрицательной полярности, соединенные с торцами первой и последней конденсаторных секций, трубчатый изолятор, установленный снаружи пакета конденсаторных секций, и две изоляционные вставки, расположенные между пакетом конденсаторных секций, крышкой и дном. Крышка и дно выполнены металлическими и соединены с корпусом конденсатора. Токовывод положительной полярности соединн с торцом пакета секций, имеющим положительную полярность, выведен через внутреннюю полость пакета на металлическую крышку конденсатора и изолирован от последней. Отрицательный токовывод соединен с торцом пакета секций, имеющим отрицательную полярность, и металлическим дном. Кроме того, конденсатор содержит два дополнительных токовывода, установленных на дне конденсатора и соединенных один с торцом пакета секций, имеющим положительную полярность, а второй - с торцом пакета секций, имеющим отрицательную полярность, и металлическим корпусом. Недостатки известного высоковольтного импульсного конденсатора - сложная конструкция (большое число токовыводов), большая индуктивность и высокая напряженность электрического поля между секциями и положительным токовыводом, проходящим через внутреннюю полость пакета секций, что снижает рабочее напряжение, амплитуду разрядного тока и надежность конденсатора. Наиболее близким по технической сущности - прототипом к заявляемому изобретению является высоковольтный импульсный конденсатор (см. патент РФ 2101793, МПК 6 Н 01G 4/02, автор Картелев А.Я. и др., заявл. 26.09.96, опубл. 10.01.98, БИ 1), содержащий металлический корпус с расположенным в нем пакетом из последовательно соединенных и пропитанных конденсаторных секций, две диэлектрические крышки, токовывод положительной полярности, соединенный с торцом первой секции и проходящий через центральные отверстия в секциях, токовывод отрицательной полярности, соединенный с торцом последней секции и корпусом конденсатора, два основных трубчатых изолятора, один из которых установлен поверх положительного токовывода, другой - поверх пакета конденсаторных секций, дополнительный изолятор, выполненный в виде стакана и надетый на первую секцию. Недостатки прототипа: довольно частый пробой одного из основных трубчатых изоляторов, установленного поверх токовывода положительной полярности, и выход конденсатора из строя вследствие высокой напряженности электрического поля между токовыводом положительной полярности и торцом последней конденсаторной секцией (токовыводом отрицательной полярности); разброс по длине (высоте) конденсаторных секций, образующийся при намотке секций, который приводит к тому, что между секциями появляются зазоры, длина (высота) пакета конденсаторных секций "плавает" и сами секции могут перемещаться вдоль токовывода положительной полярности. При транспортировке конденсатора по плохим российским дорогам и при скоростном спуске в скважину, часто сопровождающихся ударами и торможениями, это может приводить к отрыву межсекционных перемычек от торцов (шоопировки) секций; затруднена установка второго основного трубчатого изолятора на незакрепленные -"плавающие" (имеющие возможность перемещаться вдоль и вращаться вокруг центрального положительного токовывода) конденсаторные секции. Сущность изобретения При создании данного изобретения решались две задачи: а) создание более механически и электрически прочной конструкции высоковольтного импульсного конденсатора; б) упрощение сборки и ремонта конденсатора. Основным техническим результатом данного изобретения является повышение механической и электрической прочности конденсатора. В дальнейшем для упрощения формулы изобретения и расширения области применения конденсатора авторы предлагают не указывать полярность токовыводов и поэтому заменяют токовывод положительной полярности на центральный токовывод, а токовывод отрицательной полярности - на периферийный токовывод. Указанный технический результат достигается тем, что по сравнению с известным высоковольтным импульсным конденсатором, содержащим металлический корпус с расположенным в нем пакетом из последовательно соединенных и пропитанных конденсаторных секций, две диэлектрические крышки,центральный токовывод, соединенный с торцом первой секции и проходящий через центральные отверстия в конденсаторных секциях, периферийный токовывод, соединенный с торцом последней секции и корпусом конденсатора, два основных трубчатых изолятора, один из которых установлен поверх центрального токовывода, другой - поверх пакета конденсаторных секций, дополнительный изолятор, выполненный в виде стакана и надетый на первую конденсаторную секцию, новым является то, что введен второй дополнительный изолятор, имеющий трубчато-дисковую конструкцию и расположенный трубчатой частью внутри последней конденсаторной секции, а дисковой частью примыкающий к внешней поверхности периферийного токовывода, на центральном токовыводе закреплен с одной стороны неподвижный упор, к которому примыкает торец первой конденсаторной секции, а на другой стороне центрального токовывода установлен подвижной упор, с помощью которого второй дополнительный изолятор и периферийный токовывод поджимаются к последней конденсаторной секции, а секции - друг к другу и неподвижному упору. Кроме того, неподвижный упор выполнен из металла, подвижной упор - из диэлектрика; центральный токовывод зафиксирован от проворота относительно корпуса; между неподвижным упором и первой конденсаторной секцией, между соседними конденсаторными секциями, между последней конденсаторной секцией и периферийным токовыводом установлены эластичные прокладки. Введение в конструкцию конденсатора второго дополнительного изолятора, имеющего трубчатодисковую конструкцию, и установка его на центральный токовывод со стороны последней конденсаторной секции и периферийного токовывода, обеспечивает увеличение электропрочности конденсатора в районе последней конденсаторной секции - между центральным (высоковольтным) токовыводом и последней конденсаторной секцией, соединенной с периферийным (заземленным) токовыводом. Это, в свою очередь, способствует увеличению надежности и срока службы конденсатора. Выполнение на центральном токовыводе двух упоров, с одной стороны (конца) неподвижного, а с другой стороны (конца) подвижного, например, перемещаемого по резьбе на центральном токовыводе,обеспечивает возможность упругого поджатия конденсаторных секций друг к другу и закрепления (фиксации) их и периферийного (цангового) токовывода от перемещения вдоль центрального токовывода и от вращения вокруг последнего. Это превращает пакет конденсаторных секций в достаточно жесткую конструкцию и упрощает намотку на пакет конденсаторных секций наружного трубчатого изолятора и последующую установку собранного пакета конденсаторных секций в трубчатый корпус конденсатора. Кроме того, упругое поджатие конденсаторных секций не позволяет им разрушиться при транспортировке конденсатора по плохим российским дорогам и при скоростном спуске в скважину. Выполнение неподвижного упора из металла, а подвижного упора из диэлектрика обеспечивает снижение напряженности электрического поля и повышение электропрочности между первой конденсаторной секцией и корпусом конденсатора и между центральным и периферийным токовыводами соответственно. Установка между неподвижным упором и первой конденсаторной секцией, между соседними конденсаторными секциями, между последней конденсаторной секцией и периферийным токовыводом упругих прокладок позволяет распределить давление по торцевой поверхности конденсаторных секций и устранить механическое повреждение шоопировки секций (тонкого свинцового покрытия на обкладках секций), к которой подпаиваются выводы секции. Кроме того, числом прокладок или их толщиной можно выбрать разброс по длине (высоте) пакета конденсаторных секций. Закрепление центрального токовывода относительно корпуса способствует тому, что, например, при свинчивании конденсатора с зарядным устройством и коммутатором скважинного электрогидравлического аппарата усилие вращения, которое передается через цанги на центральный токовывод конденсатора, не передается далее на конденсаторные секции и контактные соединения между ними. Соответственно не происходит разрушение пакета конденсаторных секций и надежность конденсатора возрастает. Перечень фигур На фиг. 1 показан общий вид (фотография) опытного образца предлагаемого конденсатора (на фотографии хорошо видны трубчатый корпус конденсатора с присоединительной резьбой и канавками под уплотнения, верхний выходной изолятор и центральный токовывод, нижний выходной изолятор закрыт транспортной крышкой). На фиг. 2 изображен продольный разрез внутренней выемной части заявляемого высоковольтного импульсного конденсатора: центрального токовывода с закрепленным на нем при помощи неподвижного и подвижного упоров пакетом конденсаторных секций, основными и дополнительными изоляторами и периферийным токовыводом. На фиг. 3 приведены фотографии первого дополнительного изолятора, выполненного в виде стакана (вид слева) и надетого на первую конденсаторную секцию, и второго дополнительного изолятора,имеющего трубчато-дисковую конструкцию (вид справа) и установленного на центральном токовыводе со стороны последней конденсаторной секции и периферийного токовывода. Сведения, подтверждающие возможность осуществления изобретения Предлагаемый высоковольтный импульсный конденсатор содержит (см. фиг. 1) трубчатый металлический корпус, две изоляционные крышки (они же выходные изоляторы) на концах и внутреннюю выемную часть. Корпус конденсатора выполнен в виде стальной трубы с присоединительными внутренней и наружной резьбой на концах. Диаметр корпуса 102 мм, длина 1100 мм. На одном конце корпуса конденсатора выполнены кольцевые канавки под резиновые уплотнения и шлицевые пазы под трубные ключи,предназначенные соответственно для герметизации мест соединения конденсаторных модулей друг с другом и для скручивания конденсаторных модулей друг с другом и с соседними блоками-модулями скважинного электрогидравлического аппарата. Изоляционные крышки (они же выходные изоляторы) конденсатора выполнены из полиамида (капролона) с развитой наружной поверхностью для увеличения электропрочности. Одна из крышек зафиксирована в корпусе конденсатора стопорным кольцом, другая крышка зафиксирована гайкой, ввинченной в корпус (на фиг. 1 показан верхний выходной изолятор, нижний выходной изолятор закрыт транспортной крышкой). Внутренняя выемная часть конденсатора содержит (см. фиг. 2) центральный токовывод 1, периферийный цанговый токовывод 2, шесть или семь последовательно соединенных и пропитанных конденсаторных секций 3, два основных трубчатых изолятора 4 и 5, два дополнительных изолятора 6 и 7. Центральный токовывод 1 выполнен из медного или стального стержня диаметром 10 мм и проходит через центральные отверстия в конденсаторных секциях 3 и отверстия в диэлектрических крышках(выходных изоляторах) конденсатора. С одного конца на центральном токовыводе 1 закреплен, например, путем сварки неподвижный дисковый упор 8, благодаря которому центральный токовывод 1 напоминает шпагу. Неподвижный упор 8 выполнен из металла. На другом конце центрального токовывода 1 нарезана резьба и установлен подвижной дисковый упор 9, выполненный из диэлектрика, например капролона. Подвижный упор 9 имеет центральное отверстие с резьбой, вследствие чего он имеет, как обычная гайка, возможность перемещения вдоль центрального токовывода и одновременной фиксации в нужном месте на центральном токовыводе 1. Периферийный токовывод 2 выполнен в виде дисковой цанги, контактирующей на периферии с внутренней поверхностью корпуса конденсатора, а по центру припаянной к торцу (шоопировке) последней конденсаторной секции. Конденсаторные секции 3 изготовлены путем намотки на диэлектрическую оправку многослойного бумажно-лавсанового диэлектрика БПБПБПБ (Б - слой конденсаторной бумаги марки КОН-2 толщиной 5 мкм, П-слой лавсановой пленки ПЭТ-КЭ толщиной 10 мкм) и металлических обкладок с последующей пропиткой секций касторовым или нефтяным маслом. Для обкладок может быть использована алюминиевая фольга марки А 5-Т толщиной 9 мкм. Торцы секций металлизированы путем напыления на них сжатым воздухом расплавленного припоя ПОС 30. Толщина контактного слоя-шоопировки равна 0,5-1 мм. Емкость каждой секции равна примерно 14 мкФ, рабочее напряжение 5 кВ. Конденсаторные секции 3 установлены на центральном токовыводе 1 и соединены между собой последовательно путем пайки к торцам соседних конденсаторных секций гибких медных перемычек 10 плоской формы. При этом к неподвижному упору 8 подпаян с помощью таких же перемычек торец (шоопировка) первой конденсаторной секции, а к торцу (шоопировке) последней конденсаторной секции припаян периферийный цанговый токовывод 2. Соединенные таким образом несколько конденсаторных секций образуют пакет общей емкостью примерно 2,3 мкФ и рабочим напряжением 30 кВ. Между неподвижным упором 8 и первой конденсаторной секцией, между соседними конденсаторными секциями 3, между последней конденсаторной секцией и периферийным токовыводом 2 установлены эластичные(резиновые) прокладки 11. Основные внутренний трубчатый изолятор 4 и наружный трубчатый изолятор 5 выполнены из лавсановой пленки шириной 900 мм и толщиной 20-50 мкм и намотаны в несколько слоев соответственно на центральный токовывод 1 и поверх наружной (боковой) поверхности конденсаторных секций 3. Первый дополнительный изолятор 6 выполнен в виде стакана из фторопласта (см. фиг. 3, слева) и надет на неподвижный упор 8 и первую конденсаторную секцию. Первый дополнительный изолятор 6 обеспечивает изоляцию между первой конденсаторной секцией и корпусом конденсатора на полное рабочее напряжение 30-35 кВ. Второй дополнительный изолятор 7 выполнен в виде трубчато-дисковой конструкции из фторопласта (см. фиг. 3, справа) и установлен на центральном токовыводе 1 со стороны последней конденсаторной секции и периферийного токовывода 2 так, что трубчатая часть изолятора 7 находится между центральным токовыводом 1 и последней конденсаторной секцией (разделяет их), а дисковая часть изолятора 7 оказывается прижата к периферийному цанговому токовыводу 2 (к его внешней торцевой поверхности). Второй дополнительный изолятор 7 обеспечивает изоляцию между центральным (высоковольтным) токовыводом 1 и периферийным цанговым (заземленным) токовыводом 2 на полное рабочее напряжение 30-35 кВ. Защита от проворота центрального токовывода 1 и конденсаторных секций 3 относительно корпуса конденсатора обеспечивается при помощи шпонок и соответствующих пазов, выполняемых и устанавливаемых соответственно на центральном электроде 1, одной из диэлектрических крышек (одном выходном изоляторе) и корпусе конденсатора (см. шпонку поз. 12 на фиг. 2). Сборка внутренней выемной части и конденсатора в целом осуществляется в следующей последовательности. Вначале на центральный токовывод 1 устанавливаются внутренний трубчатый изолятор 4 и конденсаторные секции 3. Затем конденсаторные секции 3 соединяются друг с другом неподвижным упором 8 и периферийным токовыводом 2 при помощи пайки к ним тонких медных перемычек 10. После этого между конденсаторными секциями 3, неподвижным упором 8 и периферийным цанговым токовыводом 2 устанавливаются эластичные прокладки 11, а на центральный токовывод 1 со стороны последней конденсаторной секции и периферийного токовывода 2 устанавливается второй дополнительный изолятор 7 трубчато-дисковой конструкции и накручивается подвижной дисковый упор 9. С помощью подвижного упора 9 через второй дополнительный изолятор 7 и периферийный цанговый токовывод 2 обеспечивается упругое поджатие конденсаторных секций 3 друг к другу и к неподвижному упору 8. В результате, центральный токовывод 1, конденсаторные секции 3 и периферийный токовывод 2 превращаются в достаточно жесткую сборочную единицу (конструкцию), удобную для последующей намотки на конденсаторные секции 3 наружного трубчатого изолятора 5 и установки на первую конденсаторную секцию первого дополнительного изолятора 6 в виде стакана. Кроме того, упрощается установка выемной части конденсатора в его металлический корпус. Выемную часть конденсатора можно взять за центральный токовывод 1 и опустить внутрь трубчатого корпуса конденсатора (при ремонте конденсатора соответственно выемную часть легко извлечь, потянув ее за тот же центральный токовывод). После установки выемной части в металлический корпус на центральный токовывод 1 устанавливаются шпонка 12 и надеваются диэлектрические крышки (выходные изоляторы с резиновыми уплотнениями). Затем с помощью специальной оснастки и оборудования осуществляется под вакуумом медленное наполнение конденсатора касторовым или нефтяным маслом типа ЭИМ-8. Предлагаемый высоковольтный конденсатор подключается одним концом (центральным токовыводом и корпусом) к высоковольтному зарядному устройству, другой конец конденсатора (его центральный токовывод и корпус) подключается через коммутатор к нагрузке. По достижении на конденсаторе заданного уровня напряжения срабатывает коммутатор, и напряжение на нагрузке скачком возрастает до величины в несколько десятков киловольт и совпадает с постоянной времени, равной произведению емкости конденсатора на сопротивление нагрузки. Высоковольтный импульсный конденсатор с заявленными отличительными признаками был спроектирован, изготовлен и испытан авторами на стендах и в скважинах. Результаты испытаний следующие: рабочее напряжение конденсатора 30 кВ, энергоемкость 1 кДж, индуктивность 120 нГн, разрядный ток до 30 кА. Баростойкость конденсатора 300 атм, предельная температура эксплуатации +100 С. Конденсатор легко собирается и ремонтируется. Конденсатор выдерживает перегрузки при транспортировке наземным транспортом и при скоростном спуске в скважину. По сравнению с украинским аналогом конденсатор имеет в 10 раз меньшую индуктивность и в 3 раза большую энергоемкость. Таким образом, подтверждена полезность заявленного изобретения и возможность его применения в скважинных электрогидравлических аппаратах. ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ 1. Высоковольтный импульсный конденсатор, содержащий трубчатый металлический корпус с двумя изоляционными крышками на концах и размещенный в нем пакет из последовательно соединенных и пропитанных маслом конденсаторных секций, центральный токовывод, соединенный с торцом первой конденсаторной секции и проходящий через отверстия в конденсаторных секциях, периферийный токовывод, соединенный с торцом последней конденсаторной секции и металлическим корпусом, два основных трубчатых изолятора, один из которых установлен поверх центрального токовывода, а второй установлен снаружи пакета конденсаторных секций, дополнительный изолятор, выполненный в виде стакана и надетый на первую конденсаторную секцию, отличающийся тем, что введен второй дополнительный изолятор, имеющий трубчато-дисковую конструкцию и расположенный трубчатой частью внутри последней конденсаторной секции, а дисковой частью примыкающий к внешней поверхности периферийного токовывода, на центральном токовыводе закреплен с одного конца неподвижный упор, к которому примыкает торец первой конденсаторной секции, а на другом конце центрального токовывода установлен подвижной упор, с помощью которого второй дополнительный изолятор и периферийный токовывод поджимаются к последней конденсаторной секции, а секции - друг к другу и к неподвижному упору. 2. Высоковольтный импульсный конденсатор по п.1, отличающийся тем, что неподвижный упор выполнен из металла, а подвижной упор из диэлектрика. 3. Высоковольтный импульсный конденсатор по п.1, отличающийся тем, что центральный токовывод зафиксирован от проворота относительно корпуса. 4. Высоковольтный импульсный конденсатор по п.1, отличающийся тем, что между неподвижным упором и первой конденсаторной секцией, между соседними конденсаторными секциями, между последней конденсаторной секцией и периферийным токовыводом установлены эластичные прокладки.