RU2050653C1

RU2050653C1 - Vacuum spark gap

Info

Publication number: RU2050653C1
Authority: RU
Inventors: В.П. Афанасьев; Г.А. Дюжев; А.А. Логачев; Б.И. Циркель; С.М. Школьник
Original assignee: Физико-технический институт им.А.Ф.Иоффе РАН
Priority date: 1992-04-20
Filing date: 1992-04-20
Publication date: 1995-12-20

Abstract

FIELD: spark gaps and equipment using them. SUBSTANCE: vacuum spark gap has sealed case with at least two electrodes placed opposite to each other; cathode is coated with activating metal or alloy whose crystal lattice is doped with atomic hydrogen in quantity of at least 0.1 at/at. EFFECT: improved design. 2 cl, 1 dwg

Description

Изобретение относится к электротехнике, в частности к вакуумным электрическим разрядникам, и может быть использовано для коммутации больших импульсных токов. The invention relates to electrical engineering, in particular to vacuum electric arresters, and can be used for switching large pulsed currents.

В настоящее время для многих целей требуются электрические разрядники, способные за короткое время пропустить большой, порядка нескольких кулонов, заряд и при этом иметь достаточный ресурс долговечности при сохранении электрических характеристик. Кроме того, напряжение на выводах разрядника при зажигании разряда должно значительно снижаться для защиты оборудования от перенапряжения. Currently, for many purposes, electric dischargers are required that can, in a short time, miss a large charge of the order of several coulombs, and at the same time have a sufficient durability resource while maintaining electrical characteristics. In addition, the voltage at the terminals of the arrester during ignition of the discharge should be significantly reduced to protect the equipment from overvoltage.

Замыкание тока на катоде происходит через катодные пятна, поведение которых при указанных условиях сильно затрудняет получение требуемых параметров. При скоростях нарастания тока порядка 10⁹-10¹¹ А/с катодные пятна, образующиеся на чистых металлах, например на Сu, двигаются по поверхности катода гораздо медленнее, чем это необходимо для равномерного стравливания поверхности, в результате чего образуются макродефекты, выводящие разрядник из строя. Кроме того, при указанных скоростях нарастания тока напряжение на дуге увеличивается до нескольких киловольт и более, что значительно превышает обычное напряжение порядка 100 В. Для того, чтобы уменьшить эти отрицательные эффекты, катоды покрывают активирующими веществами, которые призваны увеличивать скорость движения пятен по катоду, более равномерно распределять их по поверхности, уменьшать эрозию и катодное падение напряжения.The current closes at the cathode through cathode spots, the behavior of which under the indicated conditions makes it very difficult to obtain the required parameters. At current growth rates of the order of 10 ⁹ -10 ¹¹ A / s, the cathode spots formed on pure metals, for example Cu, move on the cathode surface much more slowly than is necessary for uniform etching of the surface, as a result of which macrodefects are formed that damage the arrester . In addition, at the indicated rates of current rise, the arc voltage increases to several kilovolts and more, which significantly exceeds the usual voltage of about 100 V. In order to reduce these negative effects, the cathodes are coated with activating substances, which are designed to increase the speed of the spots along the cathode, more evenly distribute them on the surface, reduce erosion and cathodic voltage drop.

Известны разрядники [1-3] содержащие герметичный корпус с по крайней мере двумя электродами, расположенными напротив друг друга, причем по крайней мере один из электродов покрыт активирующим веществом. В качестве активирующего вещества используются смеси из щелочных и щелочноземельных металлов с малыми добавками других элементов. Добавками служат, например, боросиликатное стекло [1] сплав Ba c Al, а также W и (или) Mo [2]
Наиболее близким к предлагаемому является вакуумный разрядник [2] содержащий герметичный корпус с по крайней мере двумя электродами, расположенными напротив друг друга, причем по крайней мере один из электродов покрыт активизирующим веществом. В качестве активирующего вещества используется сплав бария с алюминием с добавлением вольфрама и/или молибдена.Known arresters [1-3] containing a sealed housing with at least two electrodes located opposite each other, and at least one of the electrodes is coated with an activating substance. As an activating substance, mixtures of alkali and alkaline earth metals with small additives of other elements are used. Additives are, for example, borosilicate glass [1] an alloy of Ba with Al, as well as W and (or) Mo [2]
Closest to the proposed is a vacuum spark gap [2] containing a sealed housing with at least two electrodes located opposite each other, and at least one of the electrodes is coated with an activating substance. As an activating substance, an alloy of barium with aluminum with the addition of tungsten and / or molybdenum is used.

Однако указанные разрядники осуществляют разряд, в недостаточной степени равномерно распределенный по электроду, что приводит к значительной эрозии, поэтому они имеют недостаточный ресурс долговечности при больших пропускаемых зарядах. However, these arresters carry out a discharge that is insufficiently evenly distributed over the electrode, which leads to significant erosion, therefore they have an insufficient durability resource with large transmitted charges.

В основу изобретения положена задача разработать разрядник, который позволил бы увеличить ресурс долговечности при больших пропускаемых зарядах. The basis of the invention is the task of developing a spark gap, which would increase the durability resource at high transmitted charges.

Решение указанной задачи достигается тем, что в вакуумном разряднике, содержащем герметичный корпус с по крайней мере двумя электродами, расположенными напротив друг друга, причем по крайней мере один из электродов покрыт активирующим веществом из металла или сплава, согласно изобретению в кристаллическую решетку упомянутого металла или сплава введен водород не менее 0,1 ат/ат. The solution to this problem is achieved by the fact that in a vacuum spark gap containing a sealed housing with at least two electrodes located opposite each other, at least one of the electrodes is coated with an activating substance of a metal or alloy, according to the invention, in the crystal lattice of said metal or alloy hydrogen introduced at least 0.1 at / at.

Указанная задача решается, если в качестве металла или сплава использованы Ti и/или Pd. This problem is solved if Ti and / or Pd are used as a metal or alloy.

Установлено, что в изобретении при возникновении пятна на катоде, покрытом слоем металла или сплава, наполненного водородом, водород выходит из металла под пятном, ионизуется и участвует в токопереносе, составляя существенную часть от общей эрозии и уменьшая тем самым эрозию самого металла. Чем выше коэффициент наполнения решетки металла водородом, тем меньше эрозия металла при фиксированном пропущенном заряде, поэтому следует выбирать металлы, допускающие большие коэффициенты наполнения. Слабо наполненные металлы эрозию катода сколько-нибудь заметно не уменьшают. Эффект уменьшения эрозии металла при увеличении степени наполнения (атомного соотношения) не носит порогового характера, однако при использовании атомного соотношения меньшем, чем 0,1 ат/ат, эрозия катода практически не уменьшается. Обнаружено, кроме того, что газоотделение из электрода способствует уменьшению тока на пятно и увеличению скорости перемещения пятен. Это приводит к более равномерному распределению тока по поверхности катода и меньшему повреждению последнего. Установлено также, что катодное падение напряжения в газонаполненном металле при больших скоростях нарастания тока существенно меньше, чем на чистом металле, что дает возможность снижать напряжение на выводах разрядника при разряде. Таким образом, установлено, что наполнение металла водородом уменьшает ток на пятно, увеличивает скорость перемещения пятен по катоду и тем самым уменьшает эрозию катода, делает ее равномерной по катоду и, в конечном счете, увеличивает ресурс долговечности разрядника. It was found that in the invention, when a stain appears on the cathode, covered with a layer of metal or an alloy filled with hydrogen, hydrogen leaves the metal under the stain, ionizes and participates in current transfer, making up a significant part of the total erosion and thereby reducing the erosion of the metal itself. The higher the filling coefficient of the metal lattice with hydrogen, the less metal erosion at a fixed missed charge, so you should choose metals that allow large filling ratios. Weakly filled metals do not significantly reduce the erosion of the cathode. The effect of reducing metal erosion with an increase in the degree of filling (atomic ratio) does not have a threshold character, however, when using an atomic ratio less than 0.1 at / at, the cathode erosion practically does not decrease. It was also found that gas separation from the electrode reduces the current to the spot and increases the speed of the spots. This leads to a more uniform distribution of current over the surface of the cathode and less damage to the latter. It was also established that the cathodic voltage drop in a gas-filled metal at high current rise rates is significantly less than on pure metal, which makes it possible to reduce the voltage at the terminals of a spark gap during a discharge. Thus, it was found that filling the metal with hydrogen reduces the current to the spot, increases the speed of the spots along the cathode and thereby reduces the erosion of the cathode, makes it uniform along the cathode and, ultimately, increases the service life of the spark gap.

В качестве металла, наполненного водородом, наиболее целесообразно выбирать Ti и/или Pd, так как они относятся к металлам, допускающим наибольшую по сравнению с другими степень наполнения. As a metal filled with hydrogen, it is most advisable to choose Ti and / or Pd, since they are metals that allow the highest degree of filling compared to others.

Покажем, что предлагаемое техническое решение отвечает критерию изобретения "изобретательский уровень". Металлы с большим коэффициентом наполнения водородом известны и находят применение в технике. В частности, известно применение гидрида титана в качестве поджигающего электрода в управляемом вакуумном разряднике. В этом разряднике поджигающий газонаполненный электрод соединен с положительным полюсом источника поджигающего напряжения, при подаче поджигающего импульса разогревается и за счет этого выделяют водород, что способствует надежности поджига основного разряда и стабилизации времени его задержки. В изобретении металл, наполненный водородом, используется в качестве активирующего слоя на электроде, соединенном с отрицательным полюсом источника питания (на катоде). Катодные пятна, возникающие на катоде в процессе разряда, приводят к эрозии катода и определяют ресурс долговечности разрядника. Обнаружено, что использование активирующего слоя на катоде на основе металла или сплава, кристаллическая решетка которого наполнена водородом, приводит к тому, что ток, приходящийся на одно пятно, уменьшается, скорость движения пятен по катоду увеличивается, в результате чего эрозия катода уменьшается и ресурс долговечности разрядника растет. We show that the proposed solution meets the criteria of the invention "inventive step". Metals with a high hydrogen filling factor are known and find application in technology. In particular, it is known to use titanium hydride as an ignition electrode in a controlled vacuum spark gap. In this spark gap, the igniting gas-filled electrode is connected to the positive pole of the ignition voltage source, when the ignition pulse is supplied, it is heated and hydrogen is thereby released, which contributes to the reliability of ignition of the main discharge and stabilization of its delay time. In the invention, a hydrogen-filled metal is used as an activating layer on an electrode connected to the negative pole of the power source (at the cathode). Cathode spots arising on the cathode during the discharge process lead to cathode erosion and determine the service life of the spark gap. It was found that the use of an activating layer on a cathode based on a metal or alloy, the crystal lattice of which is filled with hydrogen, leads to the fact that the current per one spot decreases, the speed of the spots along the cathode increases, as a result of which the erosion of the cathode decreases and the service life arrester is growing.

На чертеже представлен вакуумный разрядник. The drawing shows a vacuum spark gap.

Он содержит герметичный корпус 1, изготовленный из керамики. В корпусе размещены два электрода: анод 2 и катод 3 с внешними выводами 4 и 5 соответственно. На поверхности электрода 3 (катода) имеется слой 6 из титана, наполненного водородом. It contains a sealed housing 1 made of ceramic. Two electrodes are placed in the casing: anode 2 and cathode 3 with external terminals 4 and 5, respectively. On the surface of the electrode 3 (cathode) there is a layer 6 of titanium filled with hydrogen.

Разрядник работает следующим образом. The arrester operates as follows.

При превышении напряжением на внешних выводах 4 и 5 величины пробойного напряжения промежуток между анодом 2 и катодом 3 пробивается и на поверхности катода образуются катодные пятна 7 со струями плазмы, летящими в сторону анода и замыкающими ток. Водород, заполняющий титан, из областей, расположенных под пятнами, выходит в разрядный промежуток, ионизуется и вместе с ионами титана образует струи плазмы, замыкающие ток. При этом скорости движения пятен по поверхности катода и величина тока, приходящаяся на одно пятно (а значит, количество пятен при заданном токе) таковы, что на временах порядка микросекунды поверхность катода как бы равномерно покрыта пятнами. Выделившийся при разряде водород частично перепоглощается катодом. When the voltage at the external terminals 4 and 5 exceeds the breakdown voltage, the gap between the anode 2 and the cathode 3 breaks through and cathode spots 7 form on the cathode surface with plasma jets flying toward the anode and closing the current. Hydrogen filling titanium, from the areas located under the spots, enters the discharge gap, ionizes, and together with titanium ions forms plasma jets that close the current. In this case, the speeds of the spots on the cathode surface and the current per one spot (and, therefore, the number of spots at a given current) are such that at times of the order of a microsecond the cathode surface is uniformly covered with spots. The hydrogen released during the discharge is partially reabsorbed by the cathode.

Пример конкретного исполнения. Был изготовлен макет вакуумного разрядника, состоящий из герметичного корпуса из алундовой керамики диаметром 45 мм и длиной 65 мм и двух электродов диаметром 20 мм с межэлектродным расстоянием 8 мм. Электроды выполнены из бескислородной меди. Поверхность катода, обращенная к аноду, покрывалась слоем титана толщиной 30 мкм, наполненного водородом из газовой фазы под давлением с атомным соотношением порядка единицы (ат/ат). Был изготовлен также идентичный разрядник, но и без слоя титана. Проводились сравнительные испытания двух макетов. An example of a specific implementation. A vacuum discharger prototype was made, consisting of a sealed case made of alundum ceramics with a diameter of 45 mm and a length of 65 mm and two electrodes with a diameter of 20 mm and an interelectrode distance of 8 mm. The electrodes are made of oxygen-free copper. The cathode surface facing the anode was covered with a 30 μm thick titanium layer filled with hydrogen from the gas phase under pressure with an atomic ratio of the order of unity (at / at). An identical spark gap was also made, but without a titanium layer. Comparative tests of two models were carried out.

Результаты испытаний. Скорость нарастания тока при фиксированных параметрах цепи на макете с газонаполненным катодом была более чем на порядок величины выше, чем на макете с медным катодом. При этом скорость эрозии титанового покрытия χ≈2˙ 10^-5 г/Кл против χ≈2˙ 10^-4 г/Кл в случае меди. В проведенных испытаниях полный заряд, перенесенный через разрядник, составлял Q ≈ 10³ Кл. После пропускания заряда такого порядка величины слой титана в 30 мкм практически полностью эродировал. Для пропускания больших зарядов нужно наносить пропорционально более толстые слои.Test results. The current rise rate for fixed circuit parameters on a prototype with a gas-filled cathode was more than an order of magnitude higher than on a prototype with a copper cathode. In this case, the erosion rate of the titanium coating is χ≈2˙ 10 ^-5 g / Cl versus χ≈2˙ 10 ^-4 g / Cl in the case of copper. In the tests performed, the total charge transferred through the arrester was Q ≈ 10 ³ C. After passing a charge of this order of magnitude, a titanium layer of 30 μm almost completely eroded. To transmit large charges, proportionally thicker layers must be applied.

Изобретение позволяет значительно уменьшить эрозию металла из катода, сделать эту эрозию равномерно распределенной по поверхности катода и тем самым увеличить срок службы разрядника. Кроме того, напряжение на разряднике быстро снижается и большую часть времени разряда незначительно превышает обычные значения в десятки вольт. The invention allows to significantly reduce the erosion of the metal from the cathode, to make this erosion evenly distributed over the surface of the cathode and thereby increase the service life of the spark gap. In addition, the voltage across the arrester decreases rapidly and most of the discharge time slightly exceeds the usual values of tens of volts.

Изобретение может быть использовано в устройствах, где необходимо за малый промежуток времени пропустить заряд в несколько кулонов и при этом иметь достаточный ресурс долговечности при сохранении электрических характеристик. The invention can be used in devices where it is necessary for a small period of time to miss a charge of several pendants and at the same time have a sufficient resource of durability while maintaining electrical characteristics.

Claims

1. VACUUM DISCHARGE containing a sealed housing with at least two electrodes located opposite each other, and the cathode is coated with an activating substance of a metal or alloy, characterized in that at least 0.1 hydrogen is introduced into the crystal lattice of the said metal or alloy at / at

2. The arrester according to claim 1, characterized in that Ti and / or Pd are used as said metal or alloy.