RU121964U1

RU121964U1 - CONTROLLED VACUUM DISCHARGE

Info

Publication number: RU121964U1
Application number: RU2012127134/07U
Authority: RU
Inventors: Дмитрий Федорович Алферов; Марат Рифатович Ахметгареев; Валерий Павлович Иванов; Владимир Алексеевич Сидоров
Priority date: 2012-06-29
Filing date: 2012-06-29
Publication date: 2012-11-10

Abstract

Управляемый вакуумный разрядник, содержащий два основных электрода, один из которых катод, а другой - анод, управляющий электрод и размещенную между одним из основных электродов и управляющим электродом диэлектрическую вставку, отличающийся тем, что два основных электрода содержат несколько кольцевых металлических вставок с радиусом, превышающим радиус диэлектрической вставки, причем удельное сопротивление материала металлических вставок превышает удельное сопротивление материала основных электродов, а высота вставок больше толщины скин-слоя. A controlled vacuum discharger containing two main electrodes, one of which is the cathode, and the other is the anode, the control electrode and a dielectric insert placed between one of the main electrodes and the control electrode, characterized in that the two main electrodes contain several ring metal inserts with a radius exceeding the radius of the dielectric insert, and the specific resistance of the material of the metal inserts exceeds the specific resistance of the material of the main electrodes, and the height of the inserts is greater than the thickness of the skin layer.

Description

Полезная модель относится к области электротехники, а именно к силовой коммутационной аппаратуре, и предназначена для быстрого подключения источника энергии к нагрузке, в частности, в устройствах, обеспечивающих управляемое подключение реактивной нагрузки. Управляемая коммутация успешно решает проблему предотвращения опасных бросков тока и перенапряжений.The utility model relates to the field of electrical engineering, namely to power switching equipment, and is intended for quick connection of an energy source to a load, in particular, in devices providing controlled connection of reactive load. Managed switching successfully solves the problem of preventing dangerous inrush currents and overvoltages.

Известны управляемые вакуумные разрядники (РВУ) (Вакуумные дуги. Теория и приложения. Под ред. Дж.Лафферти. - М.: Мир, 1982, стр.398. [1]), содержащие два основных электрода и управляющий электрод, отделенный диэлектрической вставкой от одного из основных электродов (Вакуумные дуги. Теория и приложения. Под ред. Дж.Лафферти. - М.: Мир, 1982, стр.398) [1]. Элемент конструкции РВУ, включающий в себя управляющий электрод и диэлектрическую вставку, в дальнейшем будем называть узлом поджига. Поверхность диэлектрической вставки покрыта металлической пленкой (титан или сплав металла). В металлической пленке сделана V-образная кольцевая прорезь глубиной до поверхности диэлектрика. Включение РВУ осуществляется с помощью вспомогательного искрового разряда (тока поджига), который генерируется в результате импульсного электрического пробоя по диэлектрику в кольцевой прорези диэлектрической вставки между управляющим и основным электродами. Источниками плазмы инициирующего разряда являются катодные пятна, которые образуются вблизи прорези диэлектрической вставки. Время включения РВУ определяется временем заполнения межэлектродного промежутка плазмой инициирующего разряда.Known controlled vacuum arresters (RVU) (Vacuum arcs. Theory and applications. Edited by J. Lafferty. - M .: Mir, 1982, p. 398. [1]), containing two main electrodes and a control electrode separated by a dielectric insert from one of the main electrodes (Vacuum arcs. Theory and applications. Edited by J. Lafferty. - M .: Mir, 1982, p. 388) [1]. The RVU design element, which includes a control electrode and a dielectric insert, will hereinafter be called the ignition unit. The surface of the dielectric insert is covered with a metal film (titanium or metal alloy). In the metal film, a V-shaped annular slot is made depth to the surface of the dielectric. The RVU is turned on with the help of an auxiliary spark discharge (ignition current), which is generated as a result of pulsed electrical breakdown of the dielectric in the annular slot of the dielectric insert between the control and main electrodes. The sources of plasma of the initiating discharge are cathode spots, which are formed near the slot of the dielectric insert. The turn-on time of the DCS is determined by the time of filling the interelectrode gap with the plasma of the initiating discharge.

Недостатками такого устройства является нестабильность напряжения пробоя из-за испарения пленки металла с поверхности диэлектрика, ограниченный ресурс узла поджига, сравнительно большое время включения и его разброс.The disadvantages of this device are the instability of the breakdown voltage due to the evaporation of the metal film from the surface of the dielectric, the limited resource of the ignition unit, the relatively large switching time and its spread.

Известны РВУ (Патент SU 1644273 A1, МПК класс H01T 2/02, опубликован 10 мая 2000 г.) [2], содержащие два основных электрода и управляющий электрод, отделенный диэлектрической вставкой от одного из основных электродов, в которых диэлектрическая вставка узла поджига выполнена в виде диэлектрической втулки, установленной в центральном отверстии одного из основных электродов. Поджигающий электрод и диэлектрическая втулка выступают в межэлектродный промежуток над рабочей поверхностью основного электрода. При подаче импульса напряжения на управляющий электрод происходит пробой по наружной боковой поверхности втулки и образование катодных пятен на поверхности катодного электрода вблизи поверхности диэлектрической вставки.Known RVU (Patent SU 1644273 A1, IPC class H01T 2/02, published May 10, 2000) [2] containing two main electrodes and a control electrode separated by a dielectric insert from one of the main electrodes in which the dielectric insert of the ignition unit is made in the form of a dielectric sleeve mounted in the Central hole of one of the main electrodes. The ignition electrode and the dielectric sleeve protrude into the interelectrode gap above the working surface of the main electrode. When a voltage pulse is applied to the control electrode, breakdown occurs along the outer lateral surface of the sleeve and the formation of cathode spots on the surface of the cathode electrode near the surface of the dielectric insert.

Недостатком данной конструкции РВУ является фиксация катодных пятен вблизи границы между основным электродом и внешней поверхностью диэлектрической вставки практически в течение всей длительности импульса основного тока. Длительное воздействие катодного пятна на узел поджига приводит к его разрушению, что ограничивает ресурс РВУ.The disadvantage of this RVU design is the fixation of cathode spots near the boundary between the main electrode and the outer surface of the dielectric insert for almost the entire duration of the main current pulse. Long-term exposure of the cathode spot to the ignition unit leads to its destruction, which limits the resource of the RVU.

Наиболее близким изобретением (ПАТЕНТ SU 1464863 A1, класс H01T 2/00, опубликован в БИ 20.07.2000) [3] к предлагаемому техническому решению является РВУ, имеющий два основных электрода, управляющий электрод и размещенные между одним из основных электродов и управляющим электродом несколько диэлектрических и разделяющих их металлических вставок. В данной конструкции длина границы контакта металл-диэлектрик на внешних диэлектрических вставках превышает соответствующую длину на внутренней диэлектрической вставке узла поджига. Увеличение длины границы контакта металл-диэлектрик пропорционально увеличению срока службы РВУ.The closest invention (PATENT SU 1464863 A1, class H01T 2/00, published in BI July 20, 2000) [3] to the proposed technical solution is a HLR having two main electrodes, a control electrode and several between the main electrodes and the control electrode dielectric and metal inserts separating them. In this design, the length of the metal-insulator contact boundary on the external dielectric inserts exceeds the corresponding length on the internal dielectric insert of the ignition unit. The increase in the length of the metal-insulator contact boundary is proportional to the increase in the service life of the DCS.

Недостатком данной конструкции РВУ является более высокое напряжение пробоя поджигающих промежутков по сравнению с напряжением пробоя узла поджига с одной диэлектрической вставкой.The disadvantage of this design RVU is a higher breakdown voltage of the ignition gaps in comparison with the breakdown voltage of the ignition unit with one dielectric insert.

Технической задачей предложенного решения является создание устройства с одной диэлектрической вставкой, обладающего более высоким сроком службы.The technical task of the proposed solution is to create a device with a single dielectric insert with a higher service life.

Технический результат выражается в уменьшении плотности основного разрядного тока, снижении токовой нагрузки на узел поджига и уменьшении напряжения пробоя узла поджига.The technical result is expressed in a decrease in the density of the main discharge current, a decrease in the current load on the ignition unit and a decrease in the breakdown voltage of the ignition unit.

Поставленная задача решается благодаря тому, что управляемый вакуумный разрядник содержит два основных электрода, один из которых катод, а другой - анод, управляющий электрод и размещенную между одним из основных электродов и управляющим электродом диэлектрическую вставку. Отличием предложенного технического решения является то, что два основных электрода, содержат несколько кольцевых металлических вставок с радиусом превышающим радиус диэлектрической вставки, причем удельное сопротивление материала металлических вставок превышает удельное сопротивление материала основных электродов, а высота вставок больше толщины скин-слоя.The problem is solved due to the fact that the controlled vacuum spark gap contains two main electrodes, one of which is a cathode, and the other an anode, a control electrode and a dielectric insert placed between one of the main electrodes and the control electrode. The difference of the proposed technical solution is that the two main electrodes contain several annular metal inserts with a radius greater than the radius of the dielectric insert, and the specific resistance of the material of the metal inserts exceeds the specific resistance of the material of the main electrodes, and the height of the inserts is greater than the thickness of the skin layer.

Сущность предложенного технического решения иллюстрируется рисунками. На фиг.1 показан вид спереди электродной системы РВУ с местным разрезом через ось вращения. На фиг.2 показан вид А-А (см. фиг.1), отображающий вид катода со стороны анода.The essence of the proposed technical solution is illustrated by drawings. Figure 1 shows a front view of the electrode system RVU with a local section through the axis of rotation. Figure 2 shows a view aa (see figure 1), showing the view of the cathode from the side of the anode.

Разрядник содержит анод 1, катод 2 с управляющим электродом 3, отделенным от катода диэлектрической вставкой 4. Анод и катод содержат по две кольцевые металлические вставки 5 и 6 с высотой h, заглубленные в электроды на глубину h.The arrester contains an anode 1, a cathode 2 with a control electrode 3 separated from the cathode by a dielectric insert 4. The anode and cathode contain two annular metal inserts 5 and 6 with a height h buried in the electrodes to a depth of h.

Разрядник работает следующим образом. При подаче управляющего импульса напряжения на управляющий электрод 3 происходит электрический пробой диэлектрической вставки 4, напряжение которого будет меньше, чем в случае нескольких кольцевых диэлектрических вставок. Пробой завершается образованием катодного пятна (при положительной полярности напряжения на катоде вблизи поверхности диэлектрической вставки), и возникает импульсный ток, протекающий по рабочей поверхности катода и анода в радиальном направлении. Эффективная глубина h_эфф проникновения переменного тока (толщина скин-слоя от поверхности катода, на котором плотность тока уменьшается в e раз) зависит от частоты тока ω и удельного сопротивления p материала электрода:The arrester operates as follows. When a control voltage pulse is applied to the control electrode 3, an electrical breakdown of the dielectric insert 4 occurs, the voltage of which will be less than in the case of several ring dielectric inserts. The breakdown is completed by the formation of a cathode spot (with a positive polarity of the voltage at the cathode near the surface of the dielectric insert), and a pulsed current flows along the working surface of the cathode and anode in the radial direction. The effective penetration depth h _eff of alternating current (skin layer thickness from the cathode surface, at which the current density decreases e times) depends on the current frequency ω and the specific resistance p of the electrode material:

. .

Если глубина h_эфф меньше высоты h металлических вставок 5 и 6, то ток поджига будет протекать, не огибая металлических вставок, и на них будет возникать падение напряжения, способствующее образованию новых катодных пятен. Эти пятна будут фиксироваться вдоль границы контакта катода с металлическими вставками. В результате относительное количество катодных пятен вблизи узла поджига будет уменьшаться. Соответственно будет уменьшаться токовая нагрузка на узел поджига, что обеспечит повышение ресурса узла поджига. Кроме того, распределение плотности основного разрядного тока по поверхности катода будет более однородным, что способствует повышению коммутационной способности разрядника.If the depth h _{eff is} less than the height h of the metal inserts 5 and 6, then the ignition current will flow without bending around the metal inserts, and a voltage drop will appear on them, contributing to the formation of new cathode spots. These spots will be fixed along the interface between the cathode and metal inserts. As a result, the relative number of cathode spots near the ignition site will decrease. Accordingly, the current load on the ignition unit will decrease, which will increase the resource of the ignition unit. In addition, the density distribution of the main discharge current over the cathode surface will be more uniform, which contributes to an increase in the switching ability of the spark gap.

Опытным путем было подтверждено, что управляемый вакуумный разрядник с кольцевыми металлическими вставками и одним узлом поджига обладает небольшим напряжением пробоя узла поджига по сравнению с РВУ, в котором узел поджига содержит несколько диэлектрических вставок, и способен многократно коммутировать переменный токIt was experimentally confirmed that a controlled vacuum spark gap with annular metal inserts and one ignition unit has a small breakdown voltage of the ignition unit compared to an IED, in which the ignition unit contains several dielectric inserts, and is capable of repeatedly switching alternating current

Исходя из вышеизложенного, поставленная задача решена и технический результат, заключающийся в повышении срока службы РВУ путем уменьшения плотности основного разрядного тока, снижения токовой нагрузки на узел поджига и уменьшения напряжения пробоя узла поджига вследствие использования одной диэлектрической вставки, достигнут.Based on the foregoing, the problem has been solved and the technical result, which is to increase the service life of the RED by reducing the density of the main discharge current, reducing the current load on the ignition unit and reducing the breakdown voltage of the ignition unit due to the use of one dielectric insert, is achieved.

Источники информации принятые во внимание при составлении заявки:Sources of information taken into account when preparing the application:

[1]. Вакуумные дуги. Теория и приложения. Под ред. Дж.Лафферти. - М.: Мир, 1982, стр.414.[one]. Vacuum arcs. Theory and applications. Ed. J. Lafferty. - M.: Mir, 1982, p. 414.

[2]. Патент SU 1644273 A1, МПК H01T 2/02, опубликован 10.05.2000.[2]. Patent SU 1644273 A1, IPC H01T 2/02, published May 10, 2000.

[3]. Патент SU 1464863 A1, МПК H01T 2/00, опубликован 20.07.2000.[3]. Patent SU 1464863 A1, IPC H01T 2/00, published July 20, 2000.

Claims

A controlled vacuum spark gap containing two main electrodes, one of which is a cathode, and the other is an anode, a control electrode and a dielectric insert placed between one of the main electrodes and the control electrode, characterized in that the two main electrodes contain several annular metal inserts with a radius exceeding the radius of the dielectric insert, and the specific resistance of the material of the metal inserts exceeds the specific resistance of the material of the main electrodes, and the height of the inserts is greater than the thickness s skin layer.