RU198751U1

RU198751U1 - CONTROLLED VACUUM PROTECTION ARRESTER

Info

Publication number: RU198751U1
Application number: RU2019140192U
Authority: RU
Inventors: Рустам Халимович Якубов; Владимир Александрович Андреев; Татьяна Ивановна Козловская
Original assignee: Российская Федерация, от имени которой выступает Государственная корпорация по атомной энергии "Росатом"
Priority date: 2019-12-09
Filing date: 2019-12-09
Publication date: 2020-07-28

Abstract

Полезная модель относится к газоразрядной и вакуумной технике, представляет собой управляемый вакуумный защитный разрядник и предназначена для защиты от перенапряжений, например устройств связи или для коммутирования электрических цепей. Разрядник состоит из анода, катода, поджигающего электрода; катод и поджигающий электрод выполнены из магния. Катод, поджигающий электрод и плотно сжатая между ними диэлектрическая шайба толщиной 1,5 мм, выполненная из керамики ВК94-1, образуют поджигающий промежуток. Поджигающий промежуток, закрепленный выводом поджигающего электрода и держателем, располагается в керамическом корпусе. Техническим результатом полезной модели является повышение ресурса работы разрядника без использования внешних магнитов. 1 ил.The utility model relates to gas-discharge and vacuum technology, is a controlled vacuum arrester and is intended for overvoltage protection, for example, communication devices or for switching electrical circuits. The spark gap consists of an anode, a cathode, an ignition electrode; the cathode and ignition electrode are made of magnesium. The cathode, the igniting electrode and the 1.5 mm thick dielectric washer made of VK94-1 ceramics tightly compressed between them, form an igniting gap. The ignition gap, fixed by the ignition electrode lead and the holder, is located in the ceramic body. The technical result of the utility model is to increase the service life of the arrester without using external magnets. 1 ill.

Description

Полезная модель относится к газоразрядной и вакуумной технике, а именно к разрядникам, которые могут быть использованы для защиты от перенапряжений, например устройств связи или для коммутирования электрических цепей.The utility model relates to gas-discharge and vacuum technology, namely to arresters, which can be used for overvoltage protection, for example, communication devices or for switching electrical circuits.

Известен разрядник, содержащий не менее двух электродов, образующих с изоляционным корпусом вакуумно-плотную оболочку, и по меньшей мере один инициатор пробоя (поджигающий электрод), который совместно с элементами сопротивления образует электрическую цепь, включенную параллельно основным электродам разрядника. Патент РФ №2227951, МПК Н01Т 1/20, Н01Т 2/02, 27.04.2004. Недостатком данного разрядника является то, что для работы разрядника в электрической цепи требуются дополнительные элементы, например индуктивность, варистор, полупроводниковые приборы подсоединенные параллельно основным электродам разрядника и расположенные внутри или/и снаружи изоляционного корпуса разрядника, что значительно увеличивает размер разрядника.Known arrester containing at least two electrodes forming a vacuum-tight shell with an insulating body, and at least one initiator of breakdown (igniting electrode), which together with resistance elements forms an electric circuit connected in parallel to the main electrodes of the arrester. RF patent No. 2227951, IPC Н01Т 1/20, Н01Т 2/02, 27.04.2004. The disadvantage of this arrester is that additional elements are required for the operation of the arrester in the electrical circuit, for example, inductance, varistor, semiconductor devices connected in parallel with the main electrodes of the arrester and located inside and / and outside the insulating housing of the arrester, which significantly increases the size of the arrester.

Известен разрядник, содержащий коаксиальную электродную систему, состоящую из анода, катода и поджигающего электрода, которые расположены в герметичной диэлектрической оболочке. Катод, поджигающий электрод и плотно сжатая между ними диэлектрическая шайба толщиной 0,1 мм образуют поджигающий промежуток. Снаружи герметичной диэлектрической оболочки установлен магнит для формирования магнитного поля, силовые линии которого параллельны оси электродов и диэлектрической вставки. Патент РФ №143138, МПК Н01Т 2/02, 20.07.2014. Данное техническое решение принято в качестве прототипа.Known arrester containing a coaxial electrode system, consisting of an anode, cathode and ignition electrode, which are located in a sealed dielectric shell. The cathode, the ignition electrode, and a 0.1 mm thick dielectric washer tightly compressed between them form an ignition gap. Outside the sealed dielectric shell, a magnet is installed to form a magnetic field, the lines of force of which are parallel to the axis of the electrodes and the dielectric insert. RF patent No. 143138, IPC Н01Т 2/02, 20.07.2014. This technical solution was adopted as a prototype.

Данное устройство работает следующим образом: на поджигающий электрод подается импульс напряжения положительной полярности с амплитудой в несколько киловольт. По мере роста напряжения напряженность электрического поля у катода достигает значений, при которых возникают токи автоэлектронной эмиссии с катода, происходит искровой пробой по поверхности диэлектрика с ионизацией молекул сорбированного на ее поверхности газа и испарением микроострий на катоде, сопровождающийся взрывной эмиссией электронов. В завершающей искровой стадии пробоя поджигающего промежутка на катоде возникает первичное катодное пятно, являющееся источником электронов, паров металла катода, ионов и дающее начало пробою основного разрядного промежутка. Электронный ток с катода приводит к его преждевременной эрозии, а также к преждевременному перегреву тонкой диэлектрической вставки. В присутствии магнитного поля катодное пятно приобретает направленное движение по поверхности катода, что приводит к использованию большей площади катода при работе устройства и как следствие к равномерной эрозии катода и снижению тепловой нагрузки на тонкую диэлектрическую вставку.This device works as follows: a voltage pulse of positive polarity with an amplitude of several kilovolts is applied to the ignition electrode. As the voltage rises, the electric field strength at the cathode reaches values at which currents of field emission from the cathode arise, a spark breakdown occurs along the surface of the dielectric with ionization of gas molecules sorbed on its surface and the evaporation of micropoints at the cathode, accompanied by explosive electron emission. In the final spark stage of the breakdown of the igniting gap, a primary cathode spot appears at the cathode, which is a source of electrons, cathode metal vapors, ions and gives rise to a breakdown of the main discharge gap. Electron current from the cathode leads to its premature erosion, as well as to premature overheating of the thin dielectric insert. In the presence of a magnetic field, the cathode spot acquires a directional movement along the cathode surface, which leads to the use of a larger cathode area during device operation and, as a consequence, to uniform cathode erosion and a decrease in the thermal load on the thin dielectric insert.

Недостатками прототипа являются использование алюминиевого сплава в качестве материала для изготовления катода, использование диэлектрической шайбы толщиной 0,1 мм, использование внешних магнитов, что приводит к увеличению габаритов разрядника, что в свою очередь препятствует использованию его в малогабаритных установках и системах.The disadvantages of the prototype are the use of an aluminum alloy as a material for the manufacture of the cathode, the use of a dielectric washer 0.1 mm thick, the use of external magnets, which leads to an increase in the size of the arrester, which in turn prevents its use in small-sized installations and systems.

Техническим результатом полезной модели является повышение ресурса работы разрядника без использования внешних магнитов.The technical result of the utility model is to increase the service life of the arrester without using external magnets.

Технический результат достигается тем, что в предлагаемом устройстве в качестве материалов катода и поджигающего электрода используется магний, а в качестве материала диэлектрической шайбы применяется керамика марки ВК94-1, при этом толщина диэлектрической шайбы составляет 1,5 мм. Данные усовершенствования позволяют повысить договечность работы разрядника без использования внешних магнитов.The technical result is achieved by the fact that in the proposed device magnesium is used as the materials of the cathode and the ignition electrode, and VK94-1 ceramics is used as the material of the dielectric washer, while the thickness of the dielectric washer is 1.5 mm. These improvements make it possible to increase the arrester operation life without the use of external magnets.

Сущность полезной модели поясняется чертежом, где схематично представлен управляемый вакуумный защитный разрядник.The essence of the utility model is illustrated by the drawing, which schematically shows a controlled vacuum protective spark gap.

Разрядник состоит из анода 1, катода 2, поджигающего электрода 5; катод и поджигающий электрод выполнены из магния. Катод, поджигающий электрод и плотно сжатая между ними диэлектрическая шайба 6 толщиной 1,5 мм, выполненная из керамики ВК94-1, образуют поджигающий промежуток. Поджигающий промежуток, закрепленный выводом поджигающего электрода 3 и держателем 4, располагается в керамическом корпусе 7.The spark gap consists of anode 1, cathode 2, ignition electrode 5; the cathode and ignition electrode are made of magnesium. The cathode, the igniting electrode and the dielectric washer 6 with a thickness of 1.5 mm, which is tightly compressed between them, made of VK94-1 ceramics, form an igniting gap. The ignition gap, secured by the lead of the ignition electrode 3 and the holder 4, is located in the ceramic body 7.

Управляемый вакуумный защитный разрядник работает следующим образом.The controlled vacuum protective spark gap works as follows.

В процессе изготовления разрядника осуществляются тренировочные включения, и при каждом включении происходит распыление магниевого катода 2, пары магния оседают на поверхность диэлектрической шайбы, таким образом на боковую поверхность диэлектрической шайбы напыляется тонкий слой магния.In the process of manufacturing the spark gap, training inclusions are carried out, and each time it is turned on, the magnesium cathode 2 is sputtered, the magnesium vapor is deposited on the surface of the dielectric washer, thus a thin layer of magnesium is sprayed onto the side surface of the dielectric washer.

В исходном рабочем состоянии на аноде разрядника имеется напряжение положительной полярности 3,5 кВ и промежуток «катод-анод» находится под этим напряжением. При коммутации тока в начальный момент времени происходит пробой по внешней поверхности керамической шайбы. Далее электрический разряд по поверхности диэлектрика инициирует вакуумно-дуговой разряд в основном разрядном промежутке «катод-анод», в результате чего через него начинает протекать ток. После пропускания импульса тока основной разрядный промежуток «катод-анод» восстанавливает свою исходную электрическую прочность, и разрядник снова готов к работе. Под действием поджигающего пробоя происходит испарение пленки магния с боковой поверхности керамической шайбы, далее в парах магния зажигается вакуумно-дуговой разряд в промежутке «катод-анод». Испарение магния с поверхности диэлектрической шайбы со временем приводит к повышению сопротивления поджигающего промежутка и, как следствие, к его неработоспособности. Но при каждом включении происходит распыление магниевого катода 2, пары магния оседают на поверхность диэлектрической шайбы, происходит обратный процесс - напыление магния на боковую поверхность диэлектрической шайбы. Таким образом, при каждом включении разрядника происходит частичное восстановление свойств и работоспособности поджигающего промежутка. Устанавливающееся динамическое равновесие между процессами напыления и испарения магния на боковой поверхности диэлектрической шайбы позволяет повысить договечность работы разрядника без использования внешних магнитов.In the initial operating state, there is a voltage of positive polarity of 3.5 kV at the anode of the spark gap, and the cathode-anode gap is under this voltage. When the current is switched at the initial moment of time, a breakdown occurs along the outer surface of the ceramic washer. Further, an electric discharge on the surface of the dielectric initiates a vacuum-arc discharge in the main discharge gap "cathode-anode", as a result of which current begins to flow through it. After passing the current pulse, the main cathode-anode discharge gap restores its original dielectric strength, and the spark gap is ready for operation again. Under the action of the igniting breakdown, the magnesium film evaporates from the side surface of the ceramic washer, and then a vacuum-arc discharge is ignited in the magnesium vapor in the cathode-anode gap. The evaporation of magnesium from the surface of the dielectric washer over time leads to an increase in the resistance of the igniting gap and, as a consequence, to its inoperability. But with each switch-on, the magnesium cathode 2 is sputtered, the magnesium vapor is deposited on the surface of the dielectric washer, the opposite process occurs - magnesium is sprayed onto the side surface of the dielectric washer. Thus, each time the spark gap is turned on, the properties and operability of the igniting gap are partially restored. The established dynamic balance between the processes of deposition and evaporation of magnesium on the lateral surface of the dielectric washer makes it possible to increase the arrester's operation without the use of external magnets.

Claims

A controlled vacuum protective spark gap, including an anode, a cathode, an ignition electrode and a dielectric washer tightly compressed between the cathode and an ignition electrode, located in a ceramic case made of electrical insulating material, characterized in that the cathode and ignition electrode are made of magnesium, the dielectric washer is made of ceramic VK94-1 and has a thickness of 1.5 mm.