Високовольтний імпульсний конденсатор

Изобретение относится к области электротехники, в частности, к высоковольтным импульсным конденсаторам и может быть использовано для создания емкостных накопителей энергии в различного рода физических установках. Известен высоковольтный импульсный конденсатор КИМ-26 [1], содержащий корпус с размещенными в нем пакетами секций пластинчатого типа с дискретной укладкой фольги, крышку с расположенными на ней выводами разной полярности, электрически соединенные с конденсаторными секциями посредством токоведущих шин. Изоляция между выводами разной полярности на крышке конденсатора выполнена в виде барьера. Признаками, совпадающими с существенными признаками заявляемого изобретения, являются следующие: выводы разной полярности, расположенные на крышке конденсатора, электрически соединены с конденсаторными секциями посредством токоведущи х шин и изоляция между выводами разной полярности выполнена в виде барьера. Причинами, препятствующими получению требуемого технического результата, является следующее: обеспечение малой собственной индуктивности выводной системы конденсатора достигается большим количеством выводов, что, в свою очередь, снижает надежность конденсатора и снижает технологичность его изготовления, использование в конденсаторе секций пластинчатого типа с дискретной укладкой фольги снижает коэффициент использования активного объема конденсатора, что сказывается на удельной запасаемой энергии конденсатора. В качестве прототипа принят высоковольтный импульсный конденсатор ИК-10-160 [2], содержащий корпус с размещенным в нем пакетом параллельно соединенных мотанных плоскопрессованных секций, крышку с размещенным на ней малоиндуктивным выводом, состоящим из центрального и наружного тоководов с изолятором между ними, электрически соединенным посредством плоских токоведущи х шин, сближенных широкими сторонами с конденсаторными секциями. Признаками, совпадающими с существенными признаками заявляемого изобретения, являются следующие: малоиндуктивный вывод, расположенный на крышке конденсатора электрически соединен посредством плоских токоведущи х шин, сближенных широкими сторонами, с параллельно соединенными мотанными плоскопрессованными секциями, плоские токоведущие шины сближены широкими сторонами на вертикальном участке пакета секций. К недостаткам известной конструкции следует отнести высокую величину собственной индуктивности конденсатора (40нГн), а также то, что применение вставных выводов в конструкции конденсаторной секции определяет потери энергии в обкладках конденсатора, которые сказываются на уменьшении ресурса конденсатора. Кроме того, вставные выводы приводят к увеличению плотности тока в обкладках конденсатора, что в свою очередь, сказывается на надежности конденсатора. Известная конструкция не учитывает также тот факт, что тепло, выделяющееся при эксплуатации конденсатора, наиболее активно распространяется от центра пакета секций вдоль обкладок к торцам секций и в конструкции конденсатора не предусмотрен отвод тепла с торцев секций. В основу изобретения поставлена задача усовершенствования известного высоковольтного импульсного конденсатора, в котором изменение компановки и новое конструктивное выполнение элементов позволит снизить собственную индуктивность конденсатора и повысить его надежность при эксплуатации в заданном режиме. Малая собственная индуктивность конденсатора позволяет обеспечить большие значения разрядных токов и быструю отдачу запасенной в конденсаторе энергии в цепь нагрузки. Сущность изобретения заключается в том, что в высоковольтном импульсном конденсаторе, содержащем корпус с размещенным в нем пакетом параллельно соединенных мотанных плоскопрессованных секций, расположенных между щеками, крышку с размещенным на ней малоиндуктивным выводом, состоящем из центрального и наружного тоководов с изолятором между ними, электрически соединенным посредством плоских токоведущи х шин, сближенных широкими сторонами на вертикальном участке пакета секций, с конденсаторными секциями, согласно изобретению, пакет секций выполнен из двух самостоятельных пакетов секций, зафиксированных в вертикальном положении посредством пазов и выступов на торцевой поверхности щек каждого пакета, токоведущие шины, прилегающие к вертикальным частям пакетов секций, в нижней части выполнены с выступом равным по длине высоте нижнего пакета секций и имеют L-образную форму, а верхняя часть выполнена прямоугольной формы, причем токоведущая шина положительной полярности в месте подсоединения к центральному тоководу малоиндуктивного вывода, вплотную прилегает к нижней поверхности изоляции малоиндуктивного вывода, копируя его конфигурацию, а отрицательная токоведущая шина присоединена к крышке конденсатора. Конструкция изолятора малоиндуктивного вывода выполнена разъемной, состоящей из верхней и нижней частей, причем наружная поверхность верхнего изолятора выполнена гофрированной при числе гофров от 1 и более, при этом концентрические гофры выступают над поверхностью центрального и наружного тоководов малоиндуктивного вывода. Отличительный признак "... пакет секций выполнен из двух самостоятельных пакетов секций" позволяет, в отличие от известного конденсатора, где секции плоско уложены одна на другую и собраны в один пакет, расположить секции на ребре и уменьшить высоту пакета секций и собственно уменьшить длину токоведущи х шин на вертикальном участке пакета секций, что привело к уменьшению их собственной индуктивности. Кроме того, разделение пакета секций на два самостоятельных пакета позволяет при операции опрессовки равномерно распределить давление по секциям и уменьшить складкообразование внутри секций, что приводит к увеличению надежности конденсатора. В известной конструкции при операции опрессовки всех секций в одном пакете невозможно создать равномерное распределение давления по секциям. Необходимо также отметить, что разделение пакета секций на два самостоятельных пакета меньших габаритов и меньшей массы, повышает технологичность процесса изготовления конденсатора при проведении операций сборки, опрессовки и пайки секций. Отличительный признак "... зафиксированных (пакетов секций) в вертикальном положении посредством пазов и выступов на торцевой поверхности щек каждого пакета" позволяет обеспечить необходимую жесткость конструкции без использования дополнительных стяжных элементов - хомуто в, обвязок и т.п., введение которых в конструкцию конденсатора потребовало бы увеличения размеров токоведущих шин и привело бы к увеличению их собственной индуктивности. Отличительный признак "... токоведущие шины, прилегающие к вертикальным частям пакетов секций, в нижней части выполнены с выступом равным подлине высоте нижнего пакета секций и имеют L-образную форму" ведет к увеличению ширины токоведущи х шин, что соответственно снижает собственную индуктивность токоведущих шин. Кроме того, указанный признак обеспечивает равномерное распределение токовых нагрузок по секциям как верхнего так и нижнего пакетов секций, что достигается тем, что электрическое сопротивление участков токоведущи х шин на пути протекания тока к секциям верхнего и нижнего пакетов секций равны. Равномерное распределение токовых нагрузок по секциям дозволяет повысить надежность конденсатора в целом при эксплуатации его в заданном режиме. Отличительный признак "... вер хняя часть (токоведущи х шин) выполнена прямоугольной формы" позволяет в сравнении с известной конструкцией конденсатора, где верхняя часть шин имеет форму трапеции снизить индуктивность токоведущих шин за счет увеличения их ширины. Отличительный признак "... токоведущая шина положительной полярности в месте подсоединения к центральному тоководу малоиндуктивного вывода, вплотную прилегает к нижней поверхности изолятора малоиндуктивного вывода, колируя его конфигурацию" позволяет снизить собственную индуктивность выводной системы конденсатора за счет того, что при указанном расположении шины нижняя часть центрального токовода и верхний участок токоведущей шины представлены как два параллельных проводника, по которым протекают равные токи противоположного направления. Отличительный признак "... отрицательная токоведущая шина присоединена к крышке конденсатора", позволяет снизить собственную индуктивность токоведущи х шин конденсатора, так как в известной конструкции конденсатора так и в заявляемой конструкции снижение индуктивности токоведущи х шин достигается за счет того, что они представлены как два проводника, сближенные широкими сторонами, по которым протекают равные токи противоположного направления, но в отличие от известной конструкции, где отрицательная шина присоединена к корпусу подсоединением отрицательной шины к крышке конденсатора уменьшается длина участка положительной шины, где она рассматривается как одиночный проводник. При этом с целью обеспечения требуемой надежности конденсатора отрицательная шина присоединена к крышке конденсатора на расстоянии от центрального токовода малоиндуктивного вывода, обеспечивающем необходимую электрическую прочность. Отличительный признак "... конструкция изолятора малоиндуктивного вывода выполнена разъемной, состоящей из верхней и нижней частей, причем наружная поверхность верхнего изолятора выполнена гофрированной при числе гофров от 1 и более, при этом концентрические гофры выступают над поверхностью центрального и наружного тоководов малоиндуктивного вывода" позволяет повысить надежность конденсатора за счет увеличения электрической прочности и изолятора малоиндуктивного вывода и предотвращения возможности нарушения герметичности конденсатора в месте соединения изолятора с малоиндуктивным выводом конденсатора. Увеличение электрической прочности изолятора достигается за счет того, что в отличие от известного конденсатора введением гофров обеспечивается более развитая поверхность и увеличивается электрическая прочность по поверхности изолятора между центральным и наружным тоководами малоиндуктивного вывода, а за счет того, что концентрические гофры выступают над поверхностью центрального и наружного тоководов увеличивается электрическая прочность по воздуху между ними. В заявляемом решении герметичность малоиндуктивного вывода и конденсатора в целом обеспечивается за счет уплотнительных колец, расположенных между крышкой конденсатора и нижним изолятором и между центральным тоководом и нижним изолятором, которые сжимаются посредством прижимной гайки на центральном тоководе. Таким образом, совокупность указанных существенных признаков, позволяет снизить собственную индуктивность конденсатора и повысить его надежность при эксплуатации в заданном режиме. На фиг.1 показано устройство энергоемкого малоиндуктивного высоковольтного импульсного конденсатора; на фиг.2 - соединение двух самостоятельных пакетов секций между собой посредством пазов и выступов на торцевой поверхности щек каждого пакета и шоопированные дорожки на горцах секций; на фиг. 3 - конструкция токоведущи х шин и электрическое соединение токоведущи х шин посредством перемычек с пакетами секций; на фиг.4 - конструкция малоиндуктивного вывода. Высоковольтный импульсный конденсатор содержит корпус 1 с размещенными в нем двумя самостоятельными пакетами 2 секций 3, крышку 4 с малоиндуктивным выводом 5, который электрически соединен посредством плоских токоведущи х шин 6, 7, имеющих L-образную форму, с пакетами секций. Плоскопрессованные секции 3 намотаны с выступающей фольгой, так называемая "безындукционная намотка", с последующей шоопировкой торцев секций - на фиг.2 показаны 3 шоопированных дорожки 8 на торцах секций. Параллельное соединение секций выполнено посредством медных луженых перемычек 9 (фиг.3), припаянных к шоопированным дорожкам на торцах секций. Применением шоопировки достигается следующее равномерное распределение тока по обкладкам секций, снижение внутреннего активного сопротивления конденсатора и вместе с тем шоопированные дорожки с припаянными перемычками обеспечивают интенсивный отвод тепла от центра пакета секций к корпусу конденсатора. Перемычки 9 припаяны к токоведущим шинам 6, 7, которые электрически соединяют пакеты секций с малоиндуктивным выводом 5, выполненным в виде коаксиала. Токоведущие шины в верхней части выполнены прямоугольной формы, а в нижней части - с выступом, равным по длине высоте нижнего пакета секций и имеют Lобразную форму (фиг.3). Отрицательная токоведущая шина 6 припаяна к крышке 4 конденсатора, положительная токоведущая шина 7, копируя форму изолятора малоиндуктивного вывода (фиг.4) припаяна к центральному тоководу 10 малоиндуктивного вывода 5. Изоляция между центральным тоководом 10 и наружным тоководом 11 выполнена из капролонового изолятора, состоящего из двух частей - нижнего изолятора 12 и верхнего изолятора 13. Герметичное соединение изоляторов между собой и крышкой конденсатора осуществлено посредством уплотнительных колец 14 и 15. Кольцо 14 обеспечивает герметичное соединение между нижним изолятором 12 и крышкой 4, а кольцо 15 - между центральным тоководом 10 и нижним изолятором 12. Уплотнение колец 14 и 15 осуществляется прижимной гайкой 16 на центральном тоководе 10. С целью повышения электрической прочности между центральным и наружным тоководами 10, 11 по поверхности изолятора 12 поверхность верхнего изолятора 13 выполнена развитой в виде концентрических гофров 17, что увеличивает путь прохождения током поверхности изолятора от центрального к наружному тоководу. А с целью повышения электрической прочности по воздуху гофры 17 выступают (фиг.4) по высоте над поверхностями центрального и наружного тоководов 10, 11 малоиндуктивного вывода 5. Пакеты 2 секций 3 обжаты щеками 18 и стянуты хомутами (на фиг.2 не показаны) и зафиксированы в вертикальном положении посредством пазов 19 и выступов на торцевой поверхности щек. Паз 19 выполнен в щеках верхнего пакета, а выступ 20 - на щеках нижнего пакета секций. Предложенная конструкция энергоемкого малоиндуктивного высоковольтного импульсного конденсатора позволяет устранить недостатки, имеющиеся в прототипе, а именно снижается собственная индуктивность конденсатора и повышается надежность конденсатора при эксплуатации в заданном режиме. Применение предлагаемой конструкции позволяет создать высоковольтный импульсный конденсатор со следующими параметрами и характеристиками - номинальное напряжение 10кВ, номинальная емкость - 200мкФ, запасаемая энергия 10кДж, собственная индуктивность конденсатора 27нГн, тангенс угла потерь не более 0,008, масса конденсатора не более 60кг. Принцип работы конденсатора заключается в накоплении электрической энергии с последующим ее выделением за малый промежуток времени. Конденсатор предназначен для работы в режиме колебательного разряда с амплитудой разрядного тока до 300кА и реверсом разрядного тока до 40% при частоте следования циклов "заряд-разряд" до 10 циклов в минуту.