RU161492U1

RU161492U1 - CONTROLLED VACUUM DISCHARGE

Info

Publication number: RU161492U1
Application number: RU2015152469/07U
Authority: RU
Inventors: Татьяна Ивановна Козловская; Рустам Халимович Якубов; Владислав Олегович Ревазов; Александр Александрович Пшеничный; Антон Владимирович Пилюшенко
Original assignee: Российская Федерация, от имени которой выступает Государственная корпорация по атомной энергии "Росатом"
Priority date: 2015-12-07
Filing date: 2015-12-07
Publication date: 2016-04-20

Abstract

Управляемый вакуумный разрядник, содержащий коаксиальную электродную систему в герметичном диэлектрическом корпусе, выполненную в виде катода и поджигающего электрода, разделенных диэлектрической прокладкой, и анода, выполненного в виде полого стакана, внутри которого осесимметрично расположены стержневой катод и поджигающий электрод, причем корпус выполнен из электроизоляционного материала с наружными выводами анода, катода и поджигающего электрода, отличающийся тем, что анод, катод и поджигающий электрод с соответствующими выводами выполнены из тугоплавкого сплава на основе никеля, а все выводы электродной системы в местах контакта со стенками корпуса снабжены промежуточными прокладками, выполненными из сплава на основе алюминия.A controllable vacuum arrester containing a coaxial electrode system in a sealed dielectric casing, made in the form of a cathode and an ignition electrode, separated by a dielectric gasket, and an anode made in the form of a hollow glass, inside which a rod cathode and an ignition electrode are located axially symmetrically, the casing being made of an insulating material with external leads of the anode, cathode and the ignition electrode, characterized in that the anode, cathode and the ignition electrode with corresponding output They are made of a refractory nickel-based alloy, and all the terminals of the electrode system at the points of contact with the walls of the casing are equipped with intermediate gaskets made of an aluminum-based alloy.

Description

Полезная модель относится к области электротехники, а именно к силовой коммутирующей аппаратуре, и может быть использована для подключения электрической цепи к нагрузке, в частности, в шунтирующих быстродействующих коммутирующих устройствах, обеспечивающих защиту электрооборудования от воздействия токов короткого замыкания.The utility model relates to the field of electrical engineering, namely to power switching equipment, and can be used to connect an electrical circuit to a load, in particular, in shunting high-speed switching devices that protect electrical equipment from the effects of short-circuit currents.

Известен разрядник (патент РФ №2227951, МПК: Н01Т 1/20, Н01Т 0/02, публ. 2004 г.), содержащий не менее двух электродов, образующих с изоляционным корпусом вакуумно-плотную оболочку, и по меньшей мере один инициатор пробоя, который совместно с элементами сопротивления образует электрическую цепь, включенную параллельно основным электродам разрядника. При этом инициатор пробоя выполнен на дополнительной вставке, расположенной в зоне основного разрядного промежутка и проходящий через углубление или центральное отверстие хотя бы в одном из основных электродов. В качестве элементов сопротивления использованы активные и/или реактивные элементы, а зазор между вставкой и основным электродом не превышает междуэлектродного расстояния. Недостатком данного устройства является то, что конструкция предусматривает дополнительный вакуумно-плотный токоввод для подсоединения инициатора пробоя, а также, то, что для включения разрядника в электрическую цепь требуются дополнительные элементы, например индуктивность, варистор, подсоединенные параллельно основным электродам разрядника и расположенные внутри или/и снаружи изоляционного корпуса разрядника, что значительно увеличивает размер разрядника.A known arrester (RF patent No. 2227951, IPC: Н01Т 1/20, Н01Т 0/02, publ. 2004), containing at least two electrodes forming a vacuum-tight shell with an insulating body, and at least one breakdown initiator, which together with resistance elements forms an electric circuit connected in parallel with the main electrodes of the arrester. In this case, the breakdown initiator is made on an additional insert located in the zone of the main discharge gap and passing through a recess or central hole in at least one of the main electrodes. Active and / or reactive elements were used as resistance elements, and the gap between the insert and the main electrode does not exceed the interelectrode distance. The disadvantage of this device is that the design provides an additional vacuum-tight current lead for connecting the breakdown initiator, and also that additional elements, for example, an inductance, a varistor, connected in parallel to the main electrodes of the spark gap and located inside or and outside the insulator enclosure, which significantly increases the size of the arrester.

Известен вакуумный разрядник (патент РФ №2050653, МПК: Н01Т 1/22, публ. 1995 г.), содержащий герметичный корпус, по крайней мере, с двумя электродами, расположенными друг напротив друга, причем катод покрыт активирующим веществом из Ti или Pd, в кристаллическую решетку Ti или Pd введен водород в количестве не менее 0,1 ат/ат. Активация катода внедренными атомами водорода способствует движению катодных пятен, образующихся при замыкании тока на катоде, более равномерному их распределению на поверхности, что уменьшает эрозию и катодное падение напряжения. Недостатком является то, что управление разрядника осуществляется подачей высоковольтного импульса на основной межэлектродный промежуток, что ограничивает области его применения.Known vacuum spark gap (RF patent No. 2050653, IPC: Н01Т 1/22, publ. 1995), containing a sealed housing with at least two electrodes located opposite each other, and the cathode is coated with an activating substance of Ti or Pd, At least 0.1 atom / atom of hydrogen is introduced into the Ti or Pd crystal lattice. Activation of the cathode by the implanted hydrogen atoms promotes the movement of cathode spots formed when the current closes on the cathode, their distribution on the surface more uniform, which reduces erosion and cathodic voltage drop. The disadvantage is that the arrester is controlled by applying a high voltage pulse to the main interelectrode gap, which limits its application.

По совокупности существенных признаков наиболее близким к заявляемому вакуумному разряднику является управляемый вакуумный разрядник по патенту РФ на ПМ №143138, МПК: Н01Т 2/02, публ. 2014 г. Разрядник содержит коаксиальную электродную систему в герметичной диэлектрической оболочке катод и поджигающий электрод, разделенные цилиндрической диэлектрической прокладкой, и анод, выполненный в виде полого стакана, снаружи герметичной диэлектрической оболочки установлены постоянные магниты для формирования магнитного поля, силовые линии которого параллельны оси электродов и диэлектрической прокладки.In terms of the essential features, the closest to the claimed vacuum spark gap is the controlled vacuum spark gap according to the patent of the Russian Federation for PM No. 143138, IPC: Н01Т 2/02, publ. 2014, the arrester contains a coaxial electrode system in a sealed dielectric sheath, a cathode and an ignition electrode separated by a cylindrical dielectric gasket, and an anode made in the form of a hollow glass, permanent magnets are installed outside the sealed dielectric sheath to form a magnetic field whose lines of force are parallel to the axis of the electrodes and dielectric pads.

Недостатком является использование алюминиевого сплава в качестве материала для изготовления электродов, что значительно понижает ресурс работы разрядника по сравнению с предлагаемым. Кроме того, наличие внешних магнитов приводит к увеличению его габаритов, что препятствует использованию в затесненных условиях.The disadvantage is the use of aluminum alloy as a material for the manufacture of electrodes, which significantly reduces the service life of the arrester compared to the proposed one. In addition, the presence of external magnets leads to an increase in its dimensions, which prevents use in crowded conditions.

Задачей, на решение которой направлена полезная модель, является создание компактного вакуумного разрядника с повышенным ресурсом работы.The task to which the utility model is directed is to create a compact vacuum spark gap with an increased service life.

Техническим результатом является увеличение ресурса работы разрядника.The technical result is to increase the service life of the arrester.

Технический результат достигается тем, что управляемый вакуумный разрядник, содержащий коаксиальную электродную систему в герметичном диэлектрическом корпусе в виде катода, поджигающего электрода, разделенных диэлектрической прокладкой, и анода выполненного в виде полого стакана, внутри которого осесимметрично расположены стержневой катод и поджигающий электрод, корпус выполнен из электроизоляционного материала с наружными выводами анода, катода и поджигающего электрода, анод, катод и поджигающий электрод с соответствующими выводами выполнены из тугоплавкого сплава на основе никеля, а все выводы электродной системы в местах контакта со стенками корпуса снабжены промежуточными прокладками, выполненными из сплава на основе алюминия.The technical result is achieved in that a controllable vacuum spark gap containing a coaxial electrode system in a sealed dielectric casing in the form of a cathode, a firing electrode, separated by a dielectric spacer, and an anode made in the form of a hollow glass, inside which a rod cathode and a firing electrode are arranged axially symmetrically, the casing is made of electrical insulation material with external terminals of the anode, cathode and ignition electrode, anode, cathode and ignition electrode with corresponding output They are made of a refractory nickel-based alloy, and all the terminals of the electrode system at the points of contact with the walls of the casing are equipped with intermediate gaskets made of an aluminum-based alloy.

Сущность полезной модели поясняется чертежом. На фиг. 1 схематично представлен вид поперечного среза разрядника, включающий коаксиальную электродную систему в герметичном диэлектрическом корпусе (1) в виде анода (2), а также катода (3) и поджигающего электрода (4), разделенных диэлектрической прокладкой (5). Корпус (1) выполнен из электроизоляционного материала, например, из алюмооксидной керамики, с наружными выводами анода (6), катода (7) и поджигающего электрода (8). Анод (2) выполнен в виде полого стакана, внутри которого осесимметрично расположены стержневой катод (3) и поджигающий электрод (4). Наружные выводы анода (6), катода (7) и поджигающего электрода (8) в местах контакта со стенками корпуса (1) снабжены промежуточными прокладками (9), (10) и (11) соответственно.The essence of the utility model is illustrated in the drawing. In FIG. 1 is a schematic cross-sectional view of a spark gap including a coaxial electrode system in a sealed dielectric housing (1) in the form of an anode (2), as well as a cathode (3) and an ignition electrode (4), separated by a dielectric spacer (5). The housing (1) is made of an insulating material, for example, from alumina ceramic, with external leads of the anode (6), cathode (7) and the ignition electrode (8). The anode (2) is made in the form of a hollow glass, inside which a rod cathode (3) and an ignition electrode (4) are axisymmetrically located. The outer leads of the anode (6), cathode (7) and the ignition electrode (8) at the points of contact with the walls of the housing (1) are equipped with intermediate gaskets (9), (10) and (11), respectively.

При этом анод (2), катод (3) и поджигающий электрод (4) с соответствующими выводами (6), (7) и (8) выполнены из тугоплавкого сплава на основе никеля, например, из сплава НП-2, и соединены с корпусом (1), методом диффузионной сварки, а промежуточные прокладки (9), (10) и (11) выполнены из сплава на основе алюминия, например АМц, что обеспечивает герметизацию корпуса методом диффузионной сварки. Диэлектрическая прокладка (5), разделяющая катод (3) и поджигающий электрод (4), выполнена из слюды.Moreover, the anode (2), the cathode (3) and the ignition electrode (4) with the corresponding terminals (6), (7) and (8) are made of a refractory nickel-based alloy, for example, of NP-2 alloy, and are connected to the casing (1), by diffusion welding, and the intermediate gaskets (9), (10) and (11) are made of an alloy based on aluminum, for example, AMC, which provides sealing of the casing by diffusion welding. The dielectric pad (5) separating the cathode (3) and the ignition electrode (4) is made of mica.

По сравнению с материалом электродов прототипа (алюминиевый сплав) никелевый сплав, например НП-2, имеет более высокую температуру плавления (Т_{пл.никел.сплава}>1400°C; Т_{пл.алюм.сплава}>654°C), температуру кипения (Т_{кип.никел.сплава}>2800°C; Т_{кип. АМц}=2500°C) и низкое давление насыщенных паров (при Т=1000°C: р_{н.п.никел.сплава}<10^-4 Па; р_{н.п.алюм.сплава}=0,07 Па). Количество расплавленного вещества катода (3), натекающего на диэлектрическую прокладку (5), меньше при использовании катода из более тугоплавкого сплава на основе никеля, что приводит к увеличению ресурса работы разрядника.Compared with the prototype electrode material (aluminum alloy), a nickel alloy, for example NP-2, has a higher melting temperature (T _{pl. Nickel alloy} > 1400 ° C; T _{pl. Aluminum alloy} > 654 ° C), boiling point ( T _{bp nickel alloy} > 2800 ° C; T _{bp nickel AMts} = 2500 ° C) and low saturated vapor pressure (at T = 1000 ° C: _{p.p. nickel alloy} <10 ^-4 Pa; p _{. P. alum} . _alloy = 0.07 Pa). The amount of molten cathode material (3) flowing onto the dielectric spacer (5) is less when using a cathode made of a more refractory nickel-based alloy, which leads to an increase in the service life of the spark gap.

Устройство работает следующим образом.The device operates as follows.

Срабатывание разрядника, установленного в электрической цепи, заключается в ее замыкании при инициировании вакуумного электрического разряда в промежутке между катодом (3) и анодом (2), заключенных в герметичном диэлектрическом корпусе (1). Катод (3) и анод (2) имеют наружные выводы (7) и (6), снабженные в местах контакта со стенками корпуса (1) промежуточными прокладками (10) и (9). Кратковременный электрический импульс подается на поджигающий электрод (4) через наружный вывод (8), также снабженный в местах контакта со стенками корпуса (1) промежуточными прокладками (11), инициируя развитие разряда по поверхности диэлектрической прокладки (5) в промежутке между поджигающим электродом (4) и заземленным катодом (3).The operation of the spark gap installed in the electric circuit consists in its closure when a vacuum electric discharge is initiated in the gap between the cathode (3) and the anode (2), enclosed in a sealed dielectric housing (1). The cathode (3) and anode (2) have external leads (7) and (6), equipped at the points of contact with the walls of the housing (1) with intermediate gaskets (10) and (9). A short-term electric pulse is supplied to the ignition electrode (4) through the external terminal (8), also equipped with intermediate gaskets (11) at the points of contact with the walls of the housing (1), initiating the development of a discharge over the surface of the dielectric gasket (5) in the gap between the ignition electrode ( 4) and a grounded cathode (3).

Находящийся под постоянным напряжением анод (2) создает в межэлектродном пространстве поле, способствующее дрейфу плазмы в сторону анода (2). При достижении анода катодная плазма способствует его разогреву, плавлению и эмиссии вещества анода в пространство. Эти процессы составляют основу пробоя межэлектродного промежутка катод-анод в управляемом вакуумном разряднике.Under constant voltage, the anode (2) creates a field in the interelectrode space, which contributes to the plasma drift towards the anode (2). Upon reaching the anode, the cathode plasma contributes to its heating, melting and emission of the anode substance into space. These processes form the basis of the breakdown of the interelectrode gap of the cathode-anode in a controlled vacuum spark gap.

Толщина диэлектрической прокладки составляет около 0,1 мм, в то время, как зазор между катодом и анодом - около 2 мм, что позволяет избежать случайного пробоя межэлектродного промежутка.The thickness of the dielectric strip is about 0.1 mm, while the gap between the cathode and anode is about 2 mm, which helps to avoid accidental breakdown of the interelectrode gap.

Ресурс разрядника определяется количеством срабатываний разрядника, при которых импульсное напряжение пробоя (ИНП) принимает допустимые значения (не выходит за границы заданного интервала ИНП_min<ИНП<ИНП_max). Во время срабатывания разрядника в области горения разряда на катоде образуется катодное пятно, характеризующееся высокой температурой нагрева, расплавлением и выбросом («расплескиванием») вещества катода в пространство.The resource of the arrester is determined by the number of operations of the arrester, at which the pulse breakdown voltage (TI) takes acceptable values (does not go beyond the boundaries of the specified interval TI _min <TI <TI _max ). During the operation of the arrester, a cathode spot is formed on the cathode in the region of the discharge burning, which is characterized by a high heating temperature, melting and ejection (“splashing”) of the cathode material into space.

Первоначально плазменная дуга зажигается вблизи диэлектрической прокладки (ДП), поэтому капли расплавленного вещества катода натекают на ДП, что уменьшает импульсное напряжение пробоя промежутка ПЭ-катод, определяющее срабатывание разрядника. Когда импульсное напряжение пробоя выходит за допустимые пределы, ресурс работы разрядника считается выработанным.Initially, the plasma arc is ignited near the dielectric strip (DP), therefore, drops of molten cathode material leak onto the PD, which reduces the pulse voltage of the breakdown gap of the PE-cathode, which determines the operation of the spark gap. When the impulse breakdown voltage is outside the permissible limits, the service life of the arrester is considered exhausted.

Собранный прибор герметизируется методом диффузионной сварки в вакууме. Его помещают в вакуумную камеру и проводят откачку до давления P<10^-3 Па. Потом проводят активацию алюминия на поверхности прокладок 9, 10, 11 путем выдержки изделия при температуре от 500°C в течение 300 минут без силового усилия. Затем при осевом усилии от 2000 Н до 3000 Н прибор выдерживают при температуре от 400°C до 500°C в течение 20 минут, потом понижают усилие до уровня от 1000 Н до 1800 Н и выдерживают прибор при той же температуре в течение 10-15 минут. На этом этапе происходят основные процессы образования плотного физического контакта и начало образования химических связей между никелем и алюминием, а также между алюминием и керамикой. Затем проводят повышение температуры до уровня от 500°C до 550°C и выдерживают прибора при осевом усилии от 300 Н до 700 Н.The assembled device is sealed by diffusion welding in vacuum. It is placed in a vacuum chamber and pumped to a pressure P <10 ^-3 Pa. Then, aluminum is activated on the surface of the gaskets 9, 10, 11 by holding the product at a temperature of 500 ° C for 300 minutes without force. Then, with an axial force of 2000 N to 3000 N, the device is kept at a temperature of from 400 ° C to 500 ° C for 20 minutes, then the force is reduced to a level of 1000 N to 1800 N and the device is kept at the same temperature for 10-15 minutes. At this stage, the basic processes of the formation of close physical contact and the beginning of the formation of chemical bonds between nickel and aluminum, as well as between aluminum and ceramics, take place. Then, the temperature is increased to a level from 500 ° C to 550 ° C and the device is held at an axial force of 300 N to 700 N.

Были проведены сравнительные испытания ресурса разрядника на количество срабатываний предлагаемого устройства и известного прототипа, которые показали, что при коммутации токов до 10 А и подаваемых на анод напряжениях до 10 кВ ресурс срабатываний предлагаемого устройства более чем на 30% превышает ресурс прототипа. Кроме того, отсутствие внешних магнитов обеспечивает малые габариты устройства и позволяют использовать его в более компактных приборах, что расширяет область его применения.Comparative tests of the arrester resource on the number of operations of the proposed device and the known prototype were carried out, which showed that when switching currents up to 10 A and voltages supplied to the anode up to 10 kV, the operation resource of the proposed device exceeds the prototype resource by more than 30%. In addition, the absence of external magnets ensures the small dimensions of the device and allows its use in more compact devices, which expands the scope of its application.

Таким образом, предлагаемая полезная модель направлена на решение поставленной задачи, обеспечивает достижение технического результата при использовании всех существенных признаков, указанных в формуле и соответствует всем критериям патентоспособности в соответствии с действующим законодательством.Thus, the proposed utility model is aimed at solving the problem, ensures the achievement of a technical result using all the essential features specified in the formula, and meets all patentability criteria in accordance with applicable law.

Claims

A controllable vacuum arrester containing a coaxial electrode system in a sealed dielectric casing, made in the form of a cathode and an ignition electrode, separated by a dielectric gasket, and an anode made in the form of a hollow glass, inside which a rod cathode and an ignition electrode are located axially symmetrically, the casing being made of an insulating material with external leads of the anode, cathode and the ignition electrode, characterized in that the anode, cathode and the ignition electrode with corresponding output They are made of a refractory nickel-based alloy, and all the terminals of the electrode system at the points of contact with the walls of the casing are equipped with intermediate gaskets made of an aluminum-based alloy.