RU119164U1

RU119164U1 - GAS-FILLED DISCHARGE

Info

Publication number: RU119164U1
Application number: RU2012108693/07U
Authority: RU
Inventors: Борис Петрович Меркулов; Дмитрий Сергеевич Маханько; Дмитрий Борисович Меркулов
Priority date: 2012-03-06
Filing date: 2012-03-06
Publication date: 2012-08-10

Abstract

Газонаполненный разрядник, состоящий из герметичной оболочки, включающей изолятор, расположенных в оболочке на расстоянии S друг от друга двух электродов с диаметром D, рабочая поверхность одного из которых выполнена в виде плоскости, а другого - в виде части сферической поверхности с радиусом R, отличающийся тем, что диаметры электродов D, радиус сферической поверхности R и расстояние между электродами S выбраны согласно соотношениям ! , A gas-filled arrester consisting of a sealed shell, including an insulator, located in the shell at a distance S from each other of two electrodes with a diameter D, the working surface of one of which is made in the form of a plane, and the other is in the form of a part of a spherical surface with a radius R, characterized by the fact that the diameters of the electrodes D, the radius of the spherical surface R and the distance between the electrodes S are selected according to the ratios! ,

Description

Полезная модель относится к газоразрядной технике и может быть использована при разработке высоковольтных приборов, например, разрядников-обострителей и коммутационных разрядников для малогабаритных импульсных рентгеновских аппаратов.The utility model relates to gas-discharge technology and can be used in the development of high-voltage devices, for example, surge arresters and switching arresters for small-sized pulsed x-ray machines.

Известен газонаполненный разрядник, содержащий оболочку, состоящую из металлического корпуса и изолятора, и два электрода с плоской рабочей поверхностью и скругленными краями, один из которых закреплен на металлическом корпусе, а другой - на меньшем основании изолятора, выполненного в виде полого усеченного конуса и размещенного внутри металлического корпуса, при этом большее основание изолятора соединено с нижним основанием корпуса [Авторское свидетельство СССР №360886, H01J 17/18,1973 г.]Known gas-filled spark gap containing a shell consisting of a metal casing and an insulator, and two electrodes with a flat working surface and rounded edges, one of which is mounted on a metal casing, and the other on a smaller base of the insulator, made in the form of a hollow truncated cone and placed inside metal casing, with the larger base of the insulator connected to the lower base of the casing [USSR Author's Certificate No. 360886, H01J 17 / 18.1973]

Такой разрядник имеет большую механическую прочность, что позволяет наполнять его газом до давления порядка единиц МПа. Высокое давление наполняющего газа при малых межэлектродных расстояниях в такой конструкции обеспечивает время коммутации в пределах 1 нс.Such a spark gap has great mechanical strength, which allows it to be filled with gas up to a pressure of the order of units MPa. The high pressure of the filling gas at small interelectrode distances in such a design provides a switching time of up to 1 ns.

Недостатком разрядника является низкая электрическая прочность из-за неравномерного распределения потенциала электрического поля вдоль образующей конической поверхности изолятора, вызванного напылением продуктов эрозии материала электродов, и большой разброс динамического напряжения пробоя в процессе наработки, связанный с формой электродов. В таком разряднике в процессе его изготовления трудно обеспечить параллельность плоских рабочих поверхностей электродов, поэтому разряд инициируется на краях электродов в местах с большей напряженностью поля (наименьшим межэлектродным расстоянием) и с ограниченной площадью рабочей поверхности. Смещение разряда относительно оси на границу электродов приводит к резкому усилению эрозии материала электродов из-за уменьшения рабочей поверхности электродов и неравномерному напылению продуктов эрозии по всей поверхности изолятора. Наибольшее количество продуктов эрозии попадает на часть изолятора, расположенную на стороне инициирования разряда между электродами, что влечет за собой появление в этой части изолятора коронирующих предразрядных процессов, влияющих на стабильность динамического напряжения пробоя и приводящих к пробою по поверхности изолятора, что снижает долговечность.The disadvantage of the arrester is the low dielectric strength due to the uneven distribution of the electric field potential along the generatrix of the conical surface of the insulator caused by the sputtering of the erosion products of the electrode material and the large spread of the dynamic breakdown voltage during the running time associated with the shape of the electrodes. In such a spark gap during its manufacture it is difficult to ensure parallelism of the flat working surfaces of the electrodes, therefore, the discharge is initiated at the edges of the electrodes in places with a higher field strength (smallest interelectrode distance) and with a limited working surface area. Displacement of the discharge relative to the axis to the boundary of the electrodes leads to a sharp increase in erosion of the electrode material due to a decrease in the working surface of the electrodes and uneven deposition of erosion products over the entire surface of the insulator. The largest amount of erosion products falls on the part of the insulator located on the initiation side of the discharge between the electrodes, which entails the appearance of corona pre-discharge processes in this part of the insulator, affecting the stability of the dynamic breakdown voltage and leading to breakdown on the surface of the insulator, which reduces durability.

Известен также газонаполненный разрядник, содержащий основные электроды цилиндрической формы со скругленными краями, дополнительный электрод, соединенный с одним из основных электродов и выполненный в виде петли из проволоки, при этом отношение расстояния L между свободным концом петли и противоположным электродом к расстоянию между основными электродами S выбрано в пределах 2÷4 [Авторское свидетельство СССР №650127, HО1J 17/00, HO1 T 1/00, 1979 г.]A gas-filled spark gap is also known, containing the main electrodes of cylindrical shape with rounded edges, an additional electrode connected to one of the main electrodes and made in the form of a loop of wire, the ratio of the distance L between the free end of the loop and the opposite electrode to the distance between the main electrodes S is selected within 2 ÷ 4 [USSR author's certificate No. 650127, HO1J 17/00, HO1 T 1/00, 1979]

В данной конструкции разрядника при правильном выборе соотношения L/S=2÷4 достигается высокая стабильность напряжения пробоя за счет предварительной ионизации разрядного промежутка коронирующим разрядом между основным и дополнительным электродами.In this design of the arrester, with the correct selection of the ratio L / S = 2 ÷ 4, a high breakdown voltage stability is achieved due to preliminary ionization of the discharge gap by a corona discharge between the main and additional electrodes.

Недостатком такого разрядника является ограниченная долговечность из-за асимметрии предионизации разрядного промежутка. В этом случае разряд между основными электродами привязывается к краю рабочей поверхности основных электродов со стороны дополнительного электрода, уменьшая рабочую поверхность электродов, что ведет к усилению эрозии материала электрода и не симметричному его напылению на внутреннюю поверхность изолятора. Максимальное напыление продуктов эрозии на внутреннюю поверхность изоляционной оболочки разрядника наблюдается со стороны дополнительного электрода, что значительно усиливает в этом месте изоляционной оболочки напряженность электрического поля и при достижении в процессе наработки критической напряженности, при которой возникает коронирующий разряд, приводит к потере электрической прочности и ограничению долговечности.The disadvantage of such a spark gap is its limited durability due to the asymmetry of the preionization of the discharge gap. In this case, the discharge between the main electrodes is tied to the edge of the working surface of the main electrodes from the side of the additional electrode, reducing the working surface of the electrodes, which leads to increased erosion of the electrode material and its symmetrical deposition on the inner surface of the insulator. The maximum deposition of erosion products on the inner surface of the insulator shell of the arrester is observed from the side of the additional electrode, which significantly increases the electric field strength at this point of the insulator shell and when the critical intensity is reached during which the corona discharge occurs, it leads to a loss of electric strength and limited durability .

Наиболее близким к предлагаемой полезной модели является газонаполненный разрядник, состоящий из герметичной оболочки, включающей изолятор, расположенных в оболочке на расстоянии S друг от друга двух электродов с диаметром D, рабочая поверхность одного из которых выполнена в виде плоскости, а другого - в виде части сферической поверхности с радиусом R [Патент США №3211940, 313-205, 1965 г.- прототип]Closest to the proposed utility model is a gas-filled spark gap, consisting of a sealed enclosure, including an insulator, located in the shell at a distance S from each other of two electrodes with a diameter D, the working surface of one of which is made in the form of a plane, and the other as a part of a spherical surfaces with radius R [US Patent No. 3211940, 313-205, 1965 - prototype]

Такая конструкция разрядника при выбранных оптимальных геометрических размерах вспомогательного промежутка между управляющим электродом и основным электродом, по оси которого он расположен и промежутка между основными электродами позволяет получить наилучшие временные характеристики разряда и высокую стабильность напряжения пробоя разрядника, определяемую стабильностью источника питания.This design of the spark gap with the selected optimal geometric dimensions of the auxiliary gap between the control electrode and the main electrode, along the axis of which it is located and the gap between the main electrodes, allows one to obtain the best temporal characteristics of the discharge and high stability of the breakdown voltage of the spark gap, determined by the stability of the power source.

Недостатком разрядника является низкая электрическая прочность из-за сильного напыления продуктов эрозии материала электродов на внутреннюю поверхность изолятора. Сильная эрозия материалов электродов в данной конструкции разрядника вызвана уменьшением рабочей поверхности электродов из-за локализации разряда по оси прибора вспомогательным разрядом.The disadvantage of the arrester is the low dielectric strength due to the strong deposition of erosion products of the electrode material on the inner surface of the insulator. Strong erosion of the electrode materials in this design of the arrester is caused by a decrease in the working surface of the electrodes due to the localization of the discharge along the axis of the device with an auxiliary discharge.

Задачей полезной модели является создание газонаполненного разрядника с высокой электрической прочностью и долговечностью в заданном эксплуатационном режиме.The objective of the utility model is to create a gas-filled spark gap with high electric strength and durability in a given operating mode.

Указанный технический эффект достигается тем, что в известном газонаполненном разряднике, состоящем из герметичной оболочки, включающей изолятор, расположенных в оболочке на расстоянии S друг от друга двух электродов с диаметром D, рабочая поверхность одного из которых выполнена в виде плоскости, а другого - в виде части сферической поверхности с радиусом R, диаметры электродов D, радиус сферической поверхности R и расстояние между электродами S выбраны согласно соотношениям:The specified technical effect is achieved by the fact that in the known gas-filled spark gap, consisting of a sealed enclosure including an insulator, two electrodes with a diameter D located in the enclosure at a distance S from each other, the working surface of one of which is made in the form of a plane, and the other in the form parts of a spherical surface with a radius R, the diameters of the electrodes D, the radius of the spherical surface R and the distance between the electrodes S are selected according to the relations:

В предлагаемой конструкции разрядника геометрические размеры выбирают таким образом, чтобы пробой между электродами происходил с равной вероятностью по всей рабочей поверхности, которая симметрична относительно оси прибора. В процессе наработки происходит выработка материала электродов, начиная строго по оси прибора в начале наработки и с увеличением рабочей поверхности в процессе таким образом, что вероятность пробоя в каждой из точек рабочей поверхности практически одинакова. Такой характер работы разрядника в процессе наработки ведет к симметричному напылению по всей внутренней поверхности изолятора, что значительно повышает электрическую прочность и долговечность в заданном эксплуатационном режиме. При электрическое поле в промежутке близко к однородному, что определяет высокую стабильность напряжения пробоя разрядника. Если , то электрическое поле будет менее однородно, вызывая нестабильность пробивного напряжения. Для оптимизации массы и габаритных размеров разрядника соотношение не должно превышать 5.In the proposed design of the arrester, the geometric dimensions are chosen so that the breakdown between the electrodes occurs with equal probability over the entire working surface, which is symmetrical about the axis of the device. During the operating time, the electrode material is produced, starting strictly along the axis of the device at the beginning of the operating time and with an increase in the working surface in the process so that the probability of breakdown at each point on the working surface is almost the same. This nature of the operation of the arrester during the operating time leads to a symmetrical spraying over the entire inner surface of the insulator, which significantly increases the electric strength and durability in a given operating mode. At the electric field in the gap is close to uniform, which determines the high stability of the breakdown voltage of the spark gap. If , then the electric field will be less uniform, causing instability of the breakdown voltage. To optimize the mass and overall dimensions of the spark gap ratio should not exceed 5.

При пробой промежутка между электродами предпочтителен по оси электродов и технологическое отклонение осей электродов от оси прибора не вызывает смещение разряда на края электродов местах наименьшего расстояния между электродами, что способствует симметричному напылению материала электродов на внутренней поверхности изолятора. Если , то электрическое поле будет менее однородно, что вызывает нестабильность пробивного напряжения. При поверхность электрода близка к плоской поверхности, поэтому в случае отклонения осей электродов от осей прибора в процессе изготовления при работе возникает смещение разряда на края электродов в места с наименьшим межэлектродным расстоянием. На поверхность изолятора, расположенную со стороны разряда между электродами в местах с наименьшим межэлектродным расстоянием осаждение продуктов эрозии происходит интенсивнее, что влечет за собой изменение напряженности электрического поля на поверхности изолятора и при напряженности электрического поля более критического значения, при котором возможно развитие разряда на поверхности изолятора, происходит пробой по изолятору, ограничивающий долговечность прибора.At breakdown of the gap between the electrodes is preferable along the axis of the electrodes and the technological deviation of the axes of the electrodes from the axis of the device does not cause a displacement of the discharge on the edges of the electrodes at the places of the smallest distance between the electrodes, which contributes to the symmetrical spraying of the material of the electrodes on the inner surface of the insulator. If , the electric field will be less uniform, which causes instability of the breakdown voltage. At the electrode surface is close to a flat surface, therefore, if the axis of the electrodes deviate from the axis of the device during manufacturing during operation, the discharge will shift to the edges of the electrodes to places with the smallest interelectrode distance. On the surface of the insulator, located on the discharge side between the electrodes in places with the smallest interelectrode distance, the deposition of erosion products occurs more intensively, which entails a change in the electric field strength on the surface of the insulator and when the electric field strength is more critical, at which a discharge can develop on the surface of the insulator breakdown occurs on the insulator, limiting the durability of the device.

Проведенный заявителем анализ уровня техники, включающий поиск по патентным и научно-техническим источникам информации, и выявление источников, содержащих сведения об аналогах заявленной полезной модели, позволяет установить, что заявителем не обнаружен аналог, характеризующийся признаками, идентичными признакам заявленной полезной модели, а определение из перечня выявленных аналогов прототипа, как наиболее близкого по совокупности признаков аналога, позволил выявить совокупность существенных по отношению к усматриваемому заявителем техническому результату отличительных признаков в заявленном объекте, изложенных в формуле полезной модели.The analysis of the prior art by the applicant, including a search by patent and scientific and technical sources of information, and the identification of sources containing information about analogues of the claimed utility model, allows us to establish that the applicant has not found an analogue characterized by features identical to those of the claimed utility model, and the definition of the list of identified analogues of the prototype, as the closest in the totality of the characteristics of the analogue, allowed to identify the set of essential in relation to the apparent state lem to the technical result of the distinguishing features in the claimed object, set forth in the utility model formula.

Следовательно, заявленная полезная модель соответствует требованию "новизна".Therefore, the claimed utility model meets the requirement of "novelty."

Заявленная полезная модель поясняется чертежом.The claimed utility model is illustrated in the drawing.

На фиг.1 показан один из вариантов предлагаемого газонаполненного разрядника.Figure 1 shows one of the variants of the proposed gas-filled spark gap.

Газонаполненный разрядник содержит металлический корпус 1 в виде цилиндрического стакана с отбортовкой 2, изолятор 3 в виде полого усеченного конуса, расположенный внутри металлического корпуса 1, электрод 4 цилиндрической формы со скругленными краями со стороны рабочей поверхности, выполненной в виде плоскости, расположенный на дне металлического корпуса, и электрод 5, имеющий цилиндрическую форму со скругленными краями со стороны рабочей поверхности, выполненной в виде части сферической поверхности, расположенный на торцевой поверхности меньшего основания изолятора 3, соединенного большим основанием с отбортовкой 2 металлического корпуса 1, расположенный внутри изолятора 3 вывод 6 электрода 5, экран 7, закрывающий место соединения вывода 6 с торцевой поверхностью меньшего основания изолятора 3, штенгель 8 для наполнения разрядника газом.The gas-filled spark gap contains a metal housing 1 in the form of a cylindrical cup with a flange 2, an insulator 3 in the form of a hollow truncated cone located inside the metal housing 1, a cylindrical electrode 4 with rounded edges on the side of the working surface made in the form of a plane located at the bottom of the metal housing and an electrode 5 having a cylindrical shape with rounded edges on the side of the working surface, made as part of a spherical surface, located on the end surface the smaller base of the insulator 3, connected by a large base to the flanging 2 of the metal housing 1, located on the inside of the insulator 3, the terminal 6 of the electrode 5, the screen 7, which covers the connection between the terminal 6 and the end surface of the smaller base of the insulator 3, plug 8 for filling the spark gap with gas.

Работает разрядник следующим образом.The arrester works as follows.

При подаче на электроды 4 и 5 импульсного напряжения в случае его использования в качестве разрядника-обострителя или медленно изменяющегося напряжения в случае его использования в качестве коммутационного разрядника происходит пробой между электродами и в нагрузке выделяется импульс напряжения, форма которого зависит от элементов разрядного контура и коммутационных характеристик разрядника.When a pulse voltage is applied to electrodes 4 and 5 in the case of its use as a sharpener-discharger or a slowly varying voltage if it is used as a switching arrester, a breakdown occurs between the electrodes and a voltage pulse is formed in the load, the shape of which depends on the elements of the discharge circuit and switching characteristics of the arrester.

Высокая электрическая прочность и большая долговечность газонаполненного разрядника обеспечивается за счет использования в нем электродов с диаметром D, расположенных напротив друг друга по оси прибора, рабочая поверхность одного из которых выполнена в виде плоскости, а другого - в виде части сферической поверхности с радиусом R, при этом геометрические размеры электродов и межэлектродное расстояние S связаны соотношениями:High electric strength and high durability of a gas-filled spark gap is ensured by the use of electrodes with a diameter D located opposite each other along the axis of the device, the working surface of one of which is made in the form of a plane, and the other as a part of a spherical surface with a radius R, at this geometric dimensions of the electrodes and the interelectrode distance S are related by the relations:

Согласно заявленной полезной модели были изготовлены экспериментальные образцы разрядников-обострителей на напряжение от 150 до 250 кВ и первичного коммутатора на напряжение от 10 до 15 кВ для импульсных рентгеновских аппаратов серии «Арина», изготавливаемых в ООО «Спектрофлэш» г.Санкт-Петербург.According to the claimed utility model, experimental samples of surge arresters for voltages from 150 to 250 kV and a primary switch for voltage from 10 to 15 kV for pulsed X-ray devices of the Arina series manufactured at Spectrofles LLC in St. Petersburg were manufactured.

При коммутации напряжения через первичную обмотку резонансного трансформатора рентгеновского аппарата во вторичной цепи возникает высоковольтный импульс напряжения, подаваемый на разрядник-обостритель. Надежная работа аппаратов возможна тогда, когда напряжение срабатывания коммутатора в первичной цепи трансформатора формирует во вторичной цепи высоковольтный импульс напряжения с амплитудой превышающей динамическое напряжение пробоя разрядника-обострителя на 10-20%. Если это условие не соблюдается, то при работе аппарата могут возникнуть условия, когда разрядник-обостритель при воздействии высоковольтного импульса не пробивается и в высоковольтной цепи аппарата возникает импульс напряжения большой амплитуды и длительности синусоидальной формы, вызывающий электрический пробой в элементах схемы. Выбор профиля электродов с заданным соотношением геометрических размеров и соблюдение условий при настройке аппаратов устраняет возможность отсутствия пробоя разрядников-обострителей в течение всей длительности наработки, тем самым значительно повышается надежность работы аппаратов.When the voltage is switched through the primary winding of the resonant transformer of the X-ray apparatus in the secondary circuit, a high-voltage voltage pulse is applied to the surge arrester. Reliable operation of the devices is possible when the switching voltage of the switch in the primary circuit of the transformer generates in the secondary circuit a high-voltage voltage pulse with an amplitude exceeding the dynamic breakdown voltage of the arrester-sharpener by 10-20%. If this condition is not met, then when the device is operating, conditions may arise when the surge arrester does not break through under the influence of a high-voltage pulse and a voltage pulse of large amplitude and duration of a sinusoidal shape appears in the high-voltage circuit of the device, causing an electrical breakdown in the circuit elements. The choice of the profile of the electrodes with a given ratio of geometric dimensions and the observance of the conditions when setting up the apparatus eliminates the possibility of the absence of breakdown of surge arresters over the entire operating time, thereby significantly increasing the reliability of the apparatus.

Таким образом, использование заявленной полезной модели позволяет создать газонаполненный разрядник с высокой электрической прочностью и большой долговечностью.Thus, the use of the claimed utility model makes it possible to create a gas-filled spark gap with high electric strength and great durability.

Claims

A gas-filled spark gap, consisting of a sealed enclosure, including an insulator, located in the shell at a distance S from each other of two electrodes with a diameter D, the working surface of one of which is made in the form of a plane, and the other as a part of a spherical surface with a radius R, characterized in that the diameters of the electrodes D, the radius of the spherical surface R and the distance between the electrodes S are selected according to the relations

,