Conmutador de alta tensión.

Un conmutador (100) de alta tensión, apropiado para conmutar tensiones del orden de varios cientos de kilovoltios,

comprendiendo el conmutador:

un recipiente (105) de contención para contener un gas a alta presión;

electrodos primero (115) y segundo (120) alojados en el interior del recipiente (105) de contención y aislados eléctricamente del mismo;

caracterizado porque los electrodos primero (115) y segundo (120) están soportados en una disposición cara-a-cara por la cual las superficies de revestimiento de los electrodos primero y segundo están separadas por una distancia D nominal y la superficie (205) de revestimiento de al menos uno de los electrodos primero (115) y segundo (120) comprende al menos una porción (215) que está elevada en comparación con el resto (210) de la superficie de revestimiento,

y en el cual el recipiente (105) de contención contiene un gas a una presión en el rango de 2,07 MPa (300 psi) a 8,27 MPa (1200 psi).

Conmutador de alta tensión.

Este invento se refiere a un conmutador de alta tensión, en particular a un conmutador de gas de alta presión para su uso en aplicaciones de conmutación de alta tensión, alta potencia.

Los conmutadores de gas de alta presión se usan mucho en conmutación de impulsos de alta potencia. Estos conmutadores ofrecen un medio compacto muy simple para conmutación de impulsos de muy alta potencia con masa y volumen pequeños. Por ejemplo, el documento FR 2685983 explica un conmutador de gas presurizado que tiene dos electrodos enfrentados dentro de una caja aislante llena de gas aislante presurizado.

Sin embargo, los diseños conocidos para conmutadores de este tipo tienen una vida útil relativamente limitada debido al desgaste no uniforme y dañino del electrodo.

Las realizaciones preferentes del presente invento son las que se definen en las reivindicaciones.

Se ha observado que un conmutador de acuerdo con realizaciones preferentes del presente invento tiene una larga vida operativa, a pesar de las altas tensiones que están siendo conmutadas, del orden de varios cientos de kilovoltios y niveles de potencia instantánea del orden de Gigavatios. En este invento la larga vida operativa está caracterizada por un desgaste uniforme de las superficies de revestimiento de los electrodos, preservando así las características operativas del conmutador, sin daño localizado significativo como por ejemplo corrosión por picaduras o fractura. Se puede esperar una vida operativa del orden de 400 a 1000 horas o mayor de los conmutadores de acuerdo con las realizaciones preferentes del presente invento cuando están operando a estas tensiones y a estos niveles de potencia instantánea. Además, se ha observado que el conmutador es menos sensible a variaciones de temperatura que por lo demás pueden provocar que los conmutadores de la técnica anterior operen a niveles de potencia reducidos fuera de los rangos de temperatura óptimos.

Se describirán ahora con mayor detalle realizaciones preferentes del presente invento, sólo a modo de ejemplo, y haciendo referencia a los dibujos adjuntos, de los cuales:

La figura 1 es una vista en sección transversal de un conmutador de gas de alta presión de acuerdo con una primera realización del presente invento;

La figura 2 es una vista en sección transversal de un electrodo de un diseño preferente para su uso en el conmutador de gas de la figura 1 de acuerdo con una segunda realización preferente del presente invento;

La figura 3 proporciona vistas en sección transversal de un par de electrodos de acuerdo con un diseño preferente para su uso en el conmutador de gas de la figura 1 de acuerdo con una tercera realización preferente del presente invento;

La figura 4 es una representación simplificada de la configuración de electrodo del conmutador de la figura 1;

La figura 5 es una gráfica del aumento del campo eléctrico que se produce en el diseño de electrodo simplificado de la figura 4;

La figura 6 es una representación simplificada de la configuración de electrodo de un conmutador que utiliza el par de electrodos mostrado en la figura 3;

La figura 7 es una gráfica del aumento del campo eléctrico que se produce en el diseño de electrodo simplificado de la figura 6, mostrándose también la curva de la figura 5 para comparación;

La figura 8 proporciona vistas en sección transversal de un par de electrodos de acuerdo con un diseño preferente para su uso en el conmutador de gas de la figura 1 de acuerdo con una cuarta realización preferente del presente invento;

La figura 9 proporciona una vista en sección transversal de un conmutador de gas de alta presión preferente que incorpora los electrodos de la figura 8, en una realización preferente del presente invento; y

La figura 10 proporciona una vista en sección transversal de un conmutador de gas de alta presión preferente adicional que incorpora una variación preferente del diseño de los electrodos de la figura 8.

Se describirá ahora un conmutador de gas de alta presión sencillo de acuerdo con una primera realización preferente del presente invento haciendo referencia a la figura 1. El conmutador se puede usar en varias aplicaciones diferentes, preferiblemente en aquellas que requieren la conmutación de tensiones del orden de varios cientos de kilovoltios a altos niveles de potencia instantánea, pero a niveles globales de energía relativamente bajos.

Estas aplicaciones se diferencian de la conmutación en aparatos de rayos X, por ejemplo, en la cual se necesita conmutar tensiones del orden de Megavoltios o mayores, con altos niveles de energía global.

Haciendo referencia a la figura 1, se muestra en ella una vista en sección transversal del conmutador 100 de gas de alta presión. El conmutador 100 comprende un recipiente 105 de contención de alta presión, fabricado preferiblemente de un metal de alta resistencia tal como por ejemplo acero inoxidable y con la forma de un cilindro. Los elementos 110 aislantes, fabricados preferiblemente a partir de cerámica o de un plástico como por ejemplo nylon o polipropileno, sirven de paredes finales del recipiente de contención de alta presión y para aislar eléctricamente a un respectivo electrodo 115, 120 de la porción 105 cilíndrica del recipiente. Se proporcionan anillos 125 de estanqueidad para sellar el recipiente cuando éste se encuentra en su estado ensamblado con los elementos 110 aislantes firmemente sujetos en su sitio por varios tornillos 130. El recipiente de contención proporciona un espacio 135 alrededor de los electrodos para contener un gas apropiado, preferiblemente nitrógeno, hidrógeno o SF6, a muy alta presión, preferiblemente en el rango de 2, 07 MPa (300 psi) a 8, 27 MPa (1200 psi) .

Los electrodos 115, 120 son mantenidos en una posición fija por los elementos 110 aislantes de manera que existe un hueco D nominal entre los electrodos 115, 120. La conexión eléctrica a cada uno de los electrodos 115, 120 es por medio de un orificio 140 de acceso creado en el respectivo elemento 110 aislante para poner al descubierto una porción 145 de conexión del respectivo electrodo 115, 120. La conexión eléctrica a los electrodos 115, 120 es mediante una configuración cualquiera de varias posibles, por ejemplo por medio de un manguito de ajuste a presión que puede encajar bien ajustado alrededor de una porción ligeramente estrechada de la porción 145 de conexión para garantizar una conexión eléctrica fiable. Sin embargo, preferiblemente, cualquier conexión eléctrica de este tipo puede ser además soldada o pegada con adhesivo para una mayor fiabilidad apropiada a los niveles de tensión que se pretenden para este conmutador 100.

Se describirán ahora con mayor detalle los diseños preferentes y características ventajosas de los electrodos 115, 120 haciendo referencia, en particular, a la figura 2 y a la figura 3, de acuerdo respectivamente con realizaciones preferentes segunda y tercera del presente invento. Los electrodos en cada una de estas realizaciones preferentes están diseñados para su uso como diseños alternativos para los electrodos 115, 120 del conmutador 100 de gas de alta presión de la figura 1.

Haciendo referencia en primer lugar a la figura 2, se proporciona en ella una vista en sección transversal de un electrodo 200 de un diseño preferente de acuerdo con la segunda realización preferente, con dimensiones mostradas en milímetros. Una pareja de electrodos 200 está pensada para formar los electrodos 115, 120 del conmutador 100 de gas de la figura 1. El electrodo 200 se fabrica preferiblemente de latón y comprende una superficie 205 de revestimiento que tiene una zona 210 central plana rodeada por una zona 215 anular elevada. El radio de curvatura de cualquier superficie redondeada de la zona 215 anular elevada es relativamente pequeño en comparación con la anchura prevista del electrodo 200 de manera que las características superficiales elevadas sobre la superficie 205 de revestimiento sirven para aumentar el área superficial del electrodo en la cual se produce la erosión. En el ejemplo particular mostrado en la figura 2, el radio de curvatura de cada uno de los cantos redondeados de la zona 215 anular elevada es de 0, 5 mm, como se indica en la figura 2, en comparación con un diámetro total del electrodo 200 de 22, 84 mm. Además, como se explicará más adelante, el radio de curvatura de las... [Seguir leyendo]

1. Un conmutador (100) de alta tensión, apropiado para conmutar tensiones del orden de varios cientos de kilovoltios, comprendiendo el conmutador:

un recipiente (105) de contención para contener un gas a alta presión;

electrodos primero (115) y segundo (120) alojados en el interior del recipiente (105) de contención y aislados eléctricamente del mismo;

caracterizado porque los electrodos primero (115) y segundo (120) están soportados en una disposición cara-a-cara por la cual las superficies de revestimiento de los electrodos primero y segundo están separadas por una distancia D nominal y la superficie (205) de revestimiento de al menos uno de los electrodos primero (115) y segundo (120) comprende al menos una porción (215) que está elevada en comparación con el resto (210) de la superficie de revestimiento,

y en el cual el recipiente (105) de contención contiene un gas a una presión en el rango de 2, 07 MPa (300 psi) a 8, 27 MPa (1200 psi) .

2. El conmutador de acuerdo con la reivindicación 1, en el cual la al menos una porción elevada comprende una zona (310) anular elevada.

3. El conmutador de acuerdo con la reivindicación 1 o la reivindicación 2, en el cual la al menos una porción elevada comprende una pluralidad de zonas (310, 315) anulares elevadas dispuestas por encima de la superficie

(305) de revestimiento.

4. El conmutador de acuerdo con la reivindicación 3, en el cual dicha pluralidad de zonas (310, 315) anulares elevadas están dispuestas de forma concéntrica.

5. El conmutador de acuerdo con la reivindicación 1, en el cual la al menos una porción elevada comprende una pluralidad de zonas discretas localmente elevadas distribuidas por toda la superficie de revestimiento.

6. El conmutador de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el cual uno de los electrodos primero y segundo está provisto de una superficie (355) de revestimiento substancialmente plana.

7. El conmutador de acuerdo con la reivindicación 1, en el cual la al menos una porción elevada comprende un poste (870) cilíndrico proporcionado sobre la superficie de revestimiento del primer electrodo (850) y alineado con un eje central del mismo, y en el cual la superficie de revestimiento del segundo electrodo (800) está provista de una cavidad (825) diseñada para encerrar parcialmente el poste (870) cilíndrico del primer electrodo (850) coaxialmente cuando los electrodos primero (850) y segundo (800) están en una disposición cara-a-cara.

8. El conmutador de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el cual la al menos una porción elevada comprende una superficie redondeada.

9. El conmutador de acuerdo con la reivindicación 8 cuando depende de la reivindicación 7, en el cual el borde

(990) final del poste está provisto de una superficie redondeada.

10. El conmutador de acuerdo con la reivindicación 9, en el cual el poste comprende además uno o más bordes

(980) redondeados adicionales proporcionados alrededor del lateral y substancialmente paralelos al borde (990) final del poste.

11. El conmutador de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 8 a 10, en el cual el radio (R) de curvatura de la superficie redondeada es significativamente menor que la distancia D de separación de los electrodos primero y segundo.

12. El conmutador de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el cual la presión del gas es de al menos 3, 45 MPa (500 psi) .

13. El conmutador de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el cual al menos uno de los electrodos primero (115) y segundo (120) está fabricado de latón o de cobre tungsteno.

14. El conmutador de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el cual el gas comprende nitrógeno, hidrógeno o SF6.