RU184528U1

RU184528U1 - GAS-FILLED DISCHARGE

Info

Publication number: RU184528U1
Application number: RU2018123385U
Authority: RU
Inventors: Борис Петрович Меркулов; Дмитрий Сергеевич Маханько; Владислав Борисович Наседкин
Original assignee: Акционерное общество "Научно-исследовательский институт газоразрядных приборов "Плазма" (АО "ПЛАЗМА")
Priority date: 2018-06-27
Filing date: 2018-06-27
Publication date: 2018-10-30

Abstract

Полезная модель относится к газоразрядной технике и может быть использована при разработке высоковольтных приборов, например разрядников-обострителей с субнаносекундной коммутацией, для использования в мощных малогабаритных генераторах высоковольтных импульсов напряжения с длительностью фронта менее 0,5 нс.The utility model relates to gas-discharge technology and can be used in the development of high-voltage devices, for example, surge arresters with subnanosecond switching, for use in powerful small-sized generators of high-voltage voltage pulses with a front duration of less than 0.5 ns.

Создание газонаполненного разрядника с кольцевым разрядным промежутком, имеющего малое время коммутации (менее 0,5 нс), с развязкой входной и выходной цепей при формировании высоковольтных импульсов напряжения с субнаносекундными фронтами (менее 0,5 нс) достигается тем, что в газонаполненном разряднике, содержащем цилиндрический электропроводящий корпус с закрепленным на нем внешним электродом, имеющим форму тора, два герметично соединенных с краями электропроводящего корпуса изолятора с центральным отверстием, через которые проходит электропроводящий стержень с закрепленным на нем внутренним электродом дискообразной формы, образующий с внешним электродом искровой разрядный промежуток в виде кольца, изоляторы выполнены в виде полых усеченных конусов, расположенных внутри электропроводящего корпуса и соединенных большими основания с его краями, а электропроводящий стержень состоит из двух осевых выводов, каждый из которых проходит внутри соответствующего ему изолятора и соединен с его меньшим основанием, при этом внутренний электрод расположен на торцевой поверхности меньшего основания одного из изоляторов и соединен с проходящим внутри него осевым выводом, который гальванически связан со вторым осевым выводом посредством цангового соединения.

The creation of a gas-filled arrester with an annular discharge gap having a short switching time (less than 0.5 ns), with isolation of the input and output circuits during the formation of high-voltage voltage pulses with subnanosecond fronts (less than 0.5 ns) is achieved by the fact that in a gas-filled arrester containing a cylindrical electrically conductive housing with a torus-shaped external electrode fixed to it, two hermetically connected to the edges of the electrically conductive insulator body with a central hole through which passes an electrically conductive rod with a disk-shaped internal electrode fixed to it, forming a spark discharge gap in the form of a ring with an external electrode, insulators are made in the form of hollow truncated cones located inside the electrically conductive housing and connected by large bases with its edges, and the electrically conductive rod consists of two axial leads , each of which passes inside the corresponding insulator and is connected to its smaller base, while the inner electrode is located on the end surface the smaller base of one of the insulators and is connected to an axial terminal passing inside it, which is galvanically connected to the second axial terminal by means of a collet connection.

Description

Полезная модель относится к газоразрядной технике и может быть использована при разработке высоковольтных приборов, например, разрядников-обострителей с субнаносекундной коммутацией, для использования в мощных малогабаритных генераторах высоковольтных импульсов напряжения с длительностью фронта менее 0,5 нс.The utility model relates to gas-discharge equipment and can be used in the development of high-voltage devices, for example, surge arresters with subnanosecond switching, for use in powerful small-sized generators of high-voltage voltage pulses with a front duration of less than 0.5 ns.

Известен газонаполненный разрядник, содержащий оболочку, состоящую из металлического корпуса и изолятора, два электрода, один из которых закреплен на металлическом корпусе, а другой на изоляторе, выполненном в виде полого тела вращения (усеченного конуса) и размещенного внутри металлического корпуса, при этом одно основание изолятора соединено с торцом корпуса, а другое, на котором закреплен электрод, обращено в сторону второго электрода и вывод электрода, проходящий внутри изолятора [Авт. свидетельство СССР №360886, H01J 17/18, 1973 г.].Known gas-filled spark gap containing a shell consisting of a metal body and an insulator, two electrodes, one of which is mounted on a metal body, and the other on an insulator made in the form of a hollow body of revolution (truncated cone) and placed inside the metal body, with one base of the insulator is connected to the end face of the housing, and the other, on which the electrode is fixed, faces the second electrode and the electrode lead passing inside the insulator [Aut. USSR certificate No. 360886, H01J 17/18, 1973].

Данный разрядник имеет большую механическую прочность, что позволяет наполнять его газом до давления порядка единиц МПа. Высокое давление газа при малых межэлектродных расстояниях в такой конструкции обеспечивает время коммутации в пределах единиц не. Недостатком разрядника является низкая электрическая прочность из-за неравномерного распределения потенциала электрического поля вдоль образующей конической поверхности изолятора, обусловленного неоптимальными размерами и взаимным расположением элементов разрядника. К недостаткам разрядника следует также отнести недостаточную механическую прочность при формировании амплитуды импульса порядка 200 кВ и выше с длительностью фронта порядка 0,2-0,3 нс, что может быть получено при давлении более 10 МПа. Кроме того, конструкция, имеющая один высоковольтный вывод при использовании его в генераторах высоковольтных импульсов с субнаносекундными фронтами, не позволяет сделать развязку входа и выхода, т.е. высоковольтные импульсы подаются на вход генератора, имеющий гальваническую связь с высоковольтным выводом разрядника через центральную жилу коаксиала со стороны нагрузки. Наличие второй цепи генератора для зарядки его емкостного накопителя энергии параллельной его нагрузки приводит к искажению ТЕМ-волны из-за рассогласования и затягивания фронта выходного импульса.This spark gap has great mechanical strength, which allows it to be filled with gas up to a pressure of the order of units MPa. High gas pressure at small interelectrode distances in such a design provides switching time within units not. 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, due to non-optimal sizes and relative positions of the arrester elements. The disadvantages of the spark gap should also include insufficient mechanical strength during the formation of a pulse amplitude of the order of 200 kV and higher with a front duration of the order of 0.2-0.3 ns, which can be obtained at a pressure of more than 10 MPa. In addition, a design having one high-voltage output when used in high-voltage pulse generators with subnanosecond fronts does not allow isolation of the input and output, i.e. high-voltage pulses are fed to the input of the generator, which is galvanically connected to the high-voltage output of the spark gap through the central core of the coaxial from the load side. The presence of a second generator circuit for charging its capacitive energy storage parallel to its load leads to distortion of the TEM wave due to mismatch and delay of the front of the output pulse.

Известен также газонаполненный разрядник, содержащий оболочку, состоящую из металлического корпуса в виде цилиндрического стакана и размещенного в нем изолятора в виде полого усеченного конуса, два соосных электрода, один из которых закреплен на внутренней поверхности дна цилиндрического стакана, а второй - на торцевой поверхности меньшего основания изолятора, внутри которого проходит осевой вывод второго электрода. В разряднике образован дополнительный объем, ограниченный дном цилиндрического стакана и продолжением его цилиндрической части за дном стакана, в который введен второй изолятор в виде полого усеченного конуса с большим основанием, соединенным с краем продолжения цилиндрической части стакана и меньшим основанием, обращенным внутрь объема. Осевой вывод второго электрода гальванически соединен с расположенным во втором изоляторе вторым осевым выводом через отверстия в дне цилиндрического стакана посредством проводников, каждый из которых проходит через отверстие, образуя зазор, обеспечивающий электрическую прочность разрядника [Патент РФ №2379781 С1, H01J 17/02, 06.10.2010 г]Also known is a gas-filled spark gap containing a shell consisting of a metal body in the form of a cylindrical cup and an insulator in the form of a hollow truncated cone, two coaxial electrodes, one of which is fixed on the inner surface of the bottom of the cylindrical cup, and the second on the end surface of the smaller base insulator, inside which passes the axial output of the second electrode. An additional volume is formed in the arrester, bounded by the bottom of the cylindrical cup and the extension of its cylindrical part behind the bottom of the cup, into which the second insulator is introduced in the form of a hollow truncated cone with a large base connected to the edge of the continuation of the cylindrical part of the cup and a smaller base facing inward of the volume. The axial output of the second electrode is galvanically connected to the second axial output located in the second insulator through the holes in the bottom of the cylindrical cup by means of conductors, each of which passes through the hole, forming a gap providing electric strength of the spark gap [RF Patent No. 2379781 C1, H01J 17/02, 06.10 .2010 g]

Такая конструкция газонаполненного разрядника позволяет создать газонаполненный разрядник с раздельными входом и выходом, для формирования высоковольтных импульсов напряжения с субнаносекундными фронтами (менее 1 нс).This design of a gas-filled spark gap allows you to create a gas-filled spark gap with separate input and output, for the formation of high-voltage voltage pulses with subnanosecond fronts (less than 1 ns).

В таком разряднике происходит одноканальный искровой пробой по оси прибора с достаточно большой величиной индуктивности искрового канала, что ограничивает быстродействие разрядника.In such a spark gap, a single-channel spark breakdown occurs along the axis of the device with a sufficiently large value of the inductance of the spark channel, which limits the speed of the spark gap.

Наиболее близким к предлагаемой полезной модели разрядника является разрядник с коаксиальным расположением электродов, содержащий цилиндрический электропроводящий корпус, на внутренней поверхности которого закреплен внешний электрод, имеющий форму тора, два изолятора с центральным отверстием, через которые проходит электропроводящий стержень с закрепленным на нем внутренним электродом, имеющим форму диска и расположенным относительно внешнего электрода таким образом, что они образуют искровой разрядный промежуток в виде кольца [Патент РФ №64822, Н01J 17/00, 2007 г. - прототип]Closest to the proposed utility model of a spark gap is a spark gap with a coaxial arrangement of electrodes, containing a cylindrical electrically conductive housing, on the inner surface of which is fixed an external electrode having the shape of a torus, two insulators with a central hole through which an electrically conductive rod with an internal electrode fixed to it, having the shape of the disk and located relative to the outer electrode so that they form a spark discharge gap in the form of a ring [P RF patent No. 64822, Н01J 17/00, 2007 - prototype]

В такой конструкции газонаполненного разрядника соотношение диаметров электропроводящих корпуса и стержня обеспечивает согласование разрядника с коаксиальной линией передачи генератора по волновому сопротивлению с одновременной развязкой входа и выхода генератора.In this design of a gas-filled spark gap, the ratio of the diameters of the electrically conductive housing and the rod ensures matching of the spark gap with the coaxial transmission line of the generator along the impedance with simultaneous isolation of the input and output of the generator.

Кольцевой обостряющий разрядник при выполнении условий многоканальной коммутации обеспечивает минимальное сопротивление и минимальную индуктивность разрядника, что позволяет получить высоковольтные импульсы напряжения с длительностью переднего фронта менее 0,5 нс. Однако при формировании высоковольтных импульсов напряжения свыше 200 кВ с субнаносекундными фронтами сложно обеспечить равномерный по периметру искровой зазор величиной порядка 1 мм, что мешает реализации многоканальной коммутации. В такой конструкции при невыполнении равномерности искрового зазора по периметру кольца разряд привязывается к одной точке с наименьшим зазором, что приводит к искажению ТЕМ -волны и затягиванию фронта импульса. Также конструкция данного разрядника непригодна для формирования высоковольтного импульса напряжения с амплитудой свыше 200 кВ и субнаносекундной длительностью, т.к. в этом случае разрядник следует наполнять водородом с давлением порядка нескольких единиц МПа. Конструкция не обладает достаточной жесткостью, так как изоляторы прибора выбранной конфигурации, обладающие меньшей механической прочностью по сравнению с другими деталями разрядника, при наполнении рабочим газом испытывают усилия на растяжение, что значительно снижает механическую прочность разрядника. Еще одним из существенных недостатков данной конструкции разрядника является узкий диапазон изменения допустимых рабочих температур из-за жесткой связи изоляторов электропроводящим стержнем по оси разрядника. При нагревании разрядника в процессе работы или от воздействия температуры окружающей среды в местах соединения изоляторов с корпусом и с электропроводящим стержнем возникают внутренние напряжения, приводящие к снижению механической прочности.When the multichannel switching conditions are fulfilled, the annular sharpening spark gap provides the minimum resistance and minimum inductance of the spark gap, which makes it possible to obtain high-voltage voltage pulses with a leading edge duration of less than 0.5 ns. However, when generating high-voltage voltage pulses of more than 200 kV with subnanosecond fronts, it is difficult to ensure a uniform perimeter spark gap of about 1 mm, which impedes the implementation of multi-channel switching. In this design, if the spark gap is not uniform around the perimeter of the ring, the discharge is tied to one point with the smallest gap, which leads to distortion of the TEM wave and delaying of the pulse front. Also, the design of this arrester is unsuitable for the formation of a high-voltage voltage pulse with an amplitude of more than 200 kV and a subnanosecond duration, because in this case, the spark gap should be filled with hydrogen with a pressure of the order of several MPa units. The design does not have sufficient rigidity, since the insulators of the device of the selected configuration, which have lower mechanical strength compared to other parts of the spark gap, experience tensile forces when filling with working gas, which significantly reduces the mechanical strength of the spark gap. Another significant drawback of this design of the arrester is a narrow range of variation of permissible operating temperatures due to the rigid connection of insulators with an electrically conductive rod along the axis of the arrester. When the arrester is heated during operation or from exposure to ambient temperature, internal stresses occur at the junction points of the insulators with the housing and with the electrically conductive rod, leading to a decrease in mechanical strength.

Задачей данной полезной модели является создание газонаполненного разрядника с кольцевым разрядным промежутком, имеющего малое время коммутации (менее 0,5 нс) с развязкой входной и выходной цепей при формировании высоковольтных импульсов напряжения с субнаносекундной длительностью за счет увеличения механической прочности и обеспечения равномерности кольцевого разрядного промежутка.The objective of this utility model is to create a gas-filled spark gap with an annular discharge gap having a short switching time (less than 0.5 ns) with isolation of the input and output circuits during the formation of high-voltage voltage pulses with a subnanosecond duration by increasing the mechanical strength and ensuring the uniformity of the annular discharge gap.

Указанный технический результат достигается тем, что в известном газонаполненном разряднике содержащем цилиндрический электропроводящий корпус, с закрепленным на нем внешним электродом, имеющим форму тора, два герметично соединенные с краями электропроводящего корпуса изолятора с центральным отверстием, через которые проходит электропроводящий стержень с закрепленным на нем внутренним электродом, дискообразной формы, образующий с внешним электродом искровой разрядный промежуток в виде кольца, изоляторы выполнены в виде полых усеченных конусов, расположенных внутри электропроводящего корпуса и соединенных большими основания с его краями, а электропроводящий стержень состоит из двух осевых выводов, каждый из которых проходит внутри соответствующего ему изолятора и соединен с его меньшим основанием, при этом внутренний электрод расположен на торцевой поверхности меньшего основания одного из изоляторов и соединен с проходящим внутри него осевым выводом, который гальванически связан со вторым осевым выводом посредствам цангового соединенияThe specified technical result is achieved by the fact that in a known gas-filled spark gap containing a cylindrical electrically conductive housing, with an external electrode having a torus shape fixed to it, two hermetically connected to the edges of the electrically conductive insulator body with a central hole through which an electrically conductive rod with an internal electrode mounted on it passes , disk-shaped, forming a spark discharge gap in the form of a ring with an external electrode, insulators are made in the form of hollow truncated cones located inside the electrically conductive housing and connected by a large base with its edges, and the electrically conductive rod consists of two axial leads, each of which extends inside its corresponding insulator and connected to its smaller base, while the inner electrode is located on the end surface of the smaller base of one from insulators and connected to an axial terminal passing inside it, which is galvanically connected to the second axial terminal by means of a collet connection

Такая конструкция разрядника обладает высокой механической прочностью, т.к. изоляторы, выполненные в виде усеченных конусов, при наполнении рабочим газом (водородом) высокого давления испытывают усилия на сжатие и имеют практически десятикратный запас прочности по сравнению с усилиями на растяжение. Цанговое соединение между осевыми выводами снимает напряжения в конструкции разрядника при температурном воздействии из-за имеющейся свободы перемещения вдоль оси прибора.This design of the arrester has high mechanical strength, because insulators made in the form of truncated cones, when filled with high pressure working gas (hydrogen), experience compressive forces and have almost a ten-fold safety factor in comparison with tensile forces. A collet connection between the axial terminals relieves stress in the design of the arrester during temperature exposure due to the freedom of movement along the axis of the device.

Предлагаемая конструкция разрядника позволяет наполнять приборы до давления более 10 МПа, что необходимо при формировании амплитуды импульса напряжения порядка 200 кВ и выше с длительностью фронта порядка 0,2-0,3 нс и обеспечивает равномерность кольцевого разрядного промежутка.The proposed design of the spark gap allows filling the instruments to a pressure of more than 10 MPa, which is necessary when forming a voltage pulse amplitude of about 200 kV and higher with a front duration of about 0.2-0.3 ns and ensures uniformity of the annular discharge gap.

Проведенный заявителем анализ уровня техники, включающий поиск по патентам и научно-техническим источникам информации, позволил установить, что не обнаружен аналог, характеризующийся признаками, идентичными всем существенным признакам заявленного изобретения. Сравнение с прототипом позволило выявить совокупность существенных признаков по отношению к усматриваемому техническому результату, изложенных в формуле на полезную модель.The analysis of the prior art, carried out by the applicant, including a search by patents and scientific and technical sources of information, made it possible to establish that no analogue was found, characterized by features identical to all the essential features of the claimed invention. Comparison with the prototype revealed a set of essential features in relation to the perceived technical result set forth in the formula for a utility model.

Следовательно, заявленная полезная модель отвечает требованию «новизна» по действующему законодательству.Therefore, the claimed utility model meets the requirement of “novelty” under current law.

Заявленное техническое решение поясняется чертежом.The claimed technical solution is illustrated by the drawing.

На фиг. 1 показан один из вариантов предлагаемого газонаполненного разрядника с кольцевым разрядным промежутком.In FIG. 1 shows one of the variants of the proposed gas-filled spark gap with an annular discharge gap.

Разрядник состоит из электропроводящего цилиндрического корпуса 1, на внутренней поверхности которого закреплен внешний электрод 2, имеющий форму тора, двух изоляторов 3 и 4, выполненных в виде полых усеченных конусов и расположенных внутри электропроводящего корпуса 1 по оси прибора так, чтобы их большие основания были герметично связаны с краями корпуса 1, двух осевых выводов 5 и 6, проходящих внутри изоляторов, один из которых 5 соединен с меньшим основанием изолятора 3 и внутренним электродом 7 в виде диска со скругленными краями и расположенным относительно внешнего электрода с образованием разрядного промежутка в виде кольца, другой вывод 6 соединен с меньшим основанием второго изолятора 4 и имеет гальваническую связь с другим выводом 5 посредством цангового соединения 8 по оси прибора.The arrester consists of an electrically conductive cylindrical housing 1, on the inner surface of which an external electrode 2, shaped like a torus, is fastened, two insulators 3 and 4, made in the form of hollow truncated cones and located inside the electrically conductive housing 1 along the axis of the device so that their large bases are hermetically sealed connected with the edges of the housing 1, two axial terminals 5 and 6, passing inside the insulators, one of which 5 is connected to the smaller base of the insulator 3 and the inner electrode 7 in the form of a disk with rounded edges and located ennym relative to the outer electrode to form a spark gap in the form of a ring, the other terminal 6 is connected to a lower base 4 and the second insulator has a galvanic connection to the other terminal of the collet 5 by compound 8 to the tool axis.

Работает газонаполненный разрядник следующим образом.The gas-filled spark gap operates as follows.

В результате подачи высоковольтных импульсов напряжения на осевой вывод 6, гальванически соединенный с осевым выводом 5 посредством цангового соединения 8 по оси прибора, происходит зарядка емкостной накопительной линии совместно с емкостью основного межэлектродного промежутка, при пробое которого в нагрузке выделяется импульс напряжения с формой импульса напряжения зависящей от коммутационных характеристик разрядника и элементов разрядного контура. К краю внутреннего электрода 7 фронт импульса подходит одновременно по всему периметру кольцевого разрядного промежутка и при соблюдении условия равномерности зазора происходит пробой в нескольких местах и образуются несколько проводящих каналов, что позволяет значительно сократить время коммутации разрядника и получить фронт импульса напряжения менее 0,5 нс.As a result of the supply of high-voltage voltage pulses to the axial terminal 6, galvanically connected to the axial terminal 5 by means of a collet connection 8 along the device axis, the capacitive storage line is charged together with the capacitance of the main interelectrode gap, during the breakdown of which a voltage pulse with a shape of a voltage pulse depending on from the switching characteristics of the spark gap and the elements of the discharge circuit. The edge of the pulse approaches the edge of the inner electrode 7 simultaneously along the entire perimeter of the annular discharge gap and, subject to the uniformity of the gap, breakdown occurs in several places and several conductive channels are formed, which can significantly reduce the switching time of the spark gap and obtain a voltage pulse front of less than 0.5 ns.

Таким образом, предлагаемая конструкция разрядника с коаксиальным расположением электродов позволяет создать газонаполненный разрядник с раздельными входом и выходом для формирования высоковольтных импульсов напряжения с субнаносекундными фронтами (менее 0,5 нс).Thus, the proposed design of the arrester with a coaxial arrangement of the electrodes allows you to create a gas-filled arrester with separate input and output for the formation of high-voltage voltage pulses with subnanosecond fronts (less than 0.5 ns).

Claims

A gas-filled spark gap comprising a cylindrical electrically conductive housing with a torus-shaped external electrode fixed to it, two hermetically connected to the edges of the insulator conductive housing with a central hole, through which an electrically conductive rod with a disk-shaped internal electrode fixed to it forms a spark discharge with an external electrode a gap in the form of a ring, characterized in that the insulators are made in the form of hollow truncated cones located inside the electric a leading body and connected by a large base with its edges, and the electrically conductive rod consists of two axial leads, each of which passes inside the corresponding insulator and connected to its smaller base, while the inner electrode is located on the end surface of the smaller base of one of the insulators and is connected to an axial terminal passing inside it, which is galvanically connected to the second axial terminal by means of a collet connection.