RU2093917C1

RU2093917C1 - Gas-filled switching tube

Info

Publication number: RU2093917C1
Application number: RU96100938A
Authority: RU
Inventors: Э.А. Авилов; А.Я. Картелев; А.Л. Юрьев
Original assignee: Картелев Анатолий Яковлевич
Priority date: 1996-01-16
Filing date: 1996-01-16
Publication date: 1997-10-20

Abstract

FIELD: radio engineering, high-voltage pulse equipment. SUBSTANCE: invention is intended for use as commutator in high-voltage circuits forming high-voltage pulses. Gas-filled switching tube has electrodes mounted opposite one to another in metal case and insulators in the form of truncated cones which minor bases are anchored on electrodes and which major bases are located on butts of case. Novelty consists in that length of generating line of insulator operating under pulse voltage is equal to 0.4-0.6 length of envelope of insulator working under static voltage. EFFECT: enhanced functional reliability and safety. 1 dwg

Description

Изобретение относится к высоковольтной импульсной технике, а именно к устройствам сильноточных импульсных газонаполненных разрядников, предназначенных для использования в качестве коммутаторов в высоковольтных цепях при формировании наносекундных импульсов высокого напряжения. The invention relates to high-voltage pulse technology, and in particular to devices of high-current pulse gas-filled arresters, intended for use as switches in high-voltage circuits in the formation of nanosecond high-voltage pulses.

Известен газонаполненный разрядник (см. Э.А. Авилов и др. а.с. СССР N 1431588, кл. H О1 J 17/00, опубл. в БИ N 2, 1991), содержащий металлический корпус в виде цилиндрического стакана, изолятор в виде усеченного конуса, размещенного внутри корпуса и соединенного с ним большим основанием, а также два электрода. Электроды установлены друг против друга, один из электродов закреплен на внутренней поверхности дна корпуса, а другой на торцевой поверхности меньшего основания изолятора. Known gas-filled spark gap (see E.A. Avilov and other AS of the USSR N 1431588, class H О1 J 17/00, published in BI N 2, 1991), containing a metal casing in the form of a cylindrical glass, insulator in the form of a truncated cone, placed inside the housing and connected to it by a large base, as well as two electrodes. The electrodes are mounted against each other, one of the electrodes is fixed on the inner surface of the bottom of the housing, and the other on the end surface of the smaller base of the insulator.

При приложении высокого импульсного напряжения к промежутку между электродами происходит его пробой, и импульс напряжения, обусловленный протеканием тока в разрядном контуре, выделяется на нагрузке, при этом крутизна нарастания импульса на нагрузке определяется временем коммутации (пробоя) разрядника и индуктивностью разрядного контура, а распределение потенциала электрического поля вдоль образующей конической поверхности изолятора и между выводом электрода и корпусом зависит от взаимного расположения изолятора, корпуса и вывода электрода. When a high pulse voltage is applied to the gap between the electrodes, it breaks down, and the voltage pulse due to the current flow in the discharge circuit is released at the load, while the slope of the pulse rise at the load is determined by the switching time (breakdown) of the spark gap and the discharge circuit inductance, and the potential distribution electric field along the generatrix of the conical surface of the insulator and between the electrode terminal and the housing depends on the relative position of the insulator, the housing and the output lektroda.

Наиболее близким к заявляемому устройству является газонаполненный разрядник (см. Р.А. Рафиков и А.А. Герасимов, а.с. СССР N 1402187, кл. H О1 J 17/00, опубл. в БИ N 2, 1990), содержащий электроды, установленные друг против друга в металлическом корпусе, и изоляторы в виде усеченных конусов, меньшие основания которых закреплены на электродах, а большие на торцах корпуса. Closest to the claimed device is a gas-filled spark gap (see R.A. Rafikov and A.A. Gerasimov, AS USSR N 1402187, class H O1 J 17/00, published in BI N 2, 1990), containing electrodes mounted against each other in a metal case, and insulators in the form of truncated cones, the smaller bases of which are fixed to the electrodes, and large at the ends of the case.

Корпус цилиндрический, выполнен из ковара, электроды расположены соосно, состоят из рабочей части сферической формы, нерабочей части цилиндрической формы и электродной ножки. Конические изоляторы изготовлены из керамики и имеют одинаковую длину образующих. The case is cylindrical, made of kovar, the electrodes are aligned, consist of the working part of a spherical shape, the inoperative part of a cylindrical shape and the electrode leg. Conical insulators are made of ceramic and have the same length of generators.

Разрядник заполнен смесью ксенона и углекислого газа до давления 12 атм. The arrester is filled with a mixture of xenon and carbon dioxide to a pressure of 12 atm.

При приложении напряжения к электродам разрядника в разрядном промежутке возникает сильное электрическое поле. Свободный электрон, попадая в межэлектродный промежуток, ускоряется в электрическом поле и ионизирует атом газа, при этом вновь появляются свободные электроды, происходит быстрое образование электронных лавин и за время порядка десятков наносекунд формируется канал пробоя диаметром порядка 1 мм. When voltage is applied to the electrodes of the arrester, a strong electric field arises in the discharge gap. A free electron, falling into the interelectrode gap, accelerates in an electric field and ionizes a gas atom, while free electrodes reappear, electronic avalanches form rapidly and a breakdown channel with a diameter of about 1 mm is formed in a time of the order of tens of nanoseconds.

Недостатком разрядника-прототипа является необходимость увеличения габаритов разрядника соответственно с ростом его статического пробивного напряжения и коммутируемой энергии. The disadvantage of the arrester prototype is the need to increase the dimensions of the arrester, respectively, with an increase in its static breakdown voltage and switched energy.

При создании данного изобретения решалась задача обеспечения условий работы заявляемого разрядника в схемах генераторов импульсного высокого напряжения, где главным условием является ограничение объемов элементов схемы. When creating this invention, the problem was solved to ensure the working conditions of the inventive spark gap in the circuits of pulse high voltage generators, where the main condition is to limit the volume of circuit elements.

Техническим результатом является сокращение габаритов и собственной индуктивности разрядника. The technical result is a reduction in size and self-inductance of the arrester.

Указанный технический результат достигается тем, что по сравнению с известным газонаполненным разрядником, содержащим электроды, установленные друг против друга в металлическом корпусе, и изоляторы в виде усеченных конусов, меньшие основания которых закреплены на электродах, а большие на торцах корпуса, новым является то, что длина образующей изолятора, работающего под импульсным напряжением, выполнена равной 0,4 0,6 длины образующей изолятора, работающего под статическим напряжением. The specified technical result is achieved in that, in comparison with the known gas-filled spark gap, containing electrodes mounted against each other in a metal case, and insulators in the form of truncated cones, the smaller bases of which are fixed to the electrodes, and the larger ones at the ends of the case, new is that the length of the generatrix of the insulator operating under pulsed voltage is made equal to 0.4 0.6 the length of the generatrix of the insulator operating under static voltage.

Экспериментально установлено, что пробивная электропрочность поверхности изолятора в воздухе при нормальных условиях, т.е. при давлении 760 мм рт. ст. и температуре 20^oС, и статическом напряжении лежит в пределах 1 1,5 кВ/мм.It was experimentally established that the breakdown electric strength of the surface of the insulator in air under normal conditions, i.e. at a pressure of 760 mm RT. Art. and a temperature of 20 ^o C, and static voltage is in the range of 1 1.5 kV / mm

При переходе к импульсным напряжениям микросекундного диапазона значение пробивной электропрочности поверхности изолятора возрастает до 2 3 кВ/мм соответственно в указанных выше условиях. When switching to pulse voltages of the microsecond range, the value of the breakdown electric strength of the insulator surface increases to 2 3 kV / mm, respectively, under the above conditions.

Это позволяет сократить примерно вдвое длину образующей изолятора, работающего при импульсном напряжении, амплитуда которого равна исходному статическому напряжению. This allows you to reduce approximately half the length of the generatrix of the insulator operating at a pulsed voltage, the amplitude of which is equal to the initial static voltage.

При создании данного изобретения удалось сократить габаритные размеры разрядника, а более конкретно его длину на 30 40% по сравнению с габаритами, полученными путем простого увеличения геометрических размеров прототипа. Сокращение габаритов обеспечивает не только снижение материалоемкости разрядника, но и уменьшение собственной индуктивности разрядника. When creating this invention, it was possible to reduce the overall dimensions of the arrester, and more specifically its length by 30-40% compared with the dimensions obtained by simply increasing the geometric dimensions of the prototype. The reduction in size provides not only a decrease in the material consumption of the arrester, but also a decrease in the inductance of the arrester.

Если длину образующей изолятора, работающего под импульсным напряжением, выполнить менее 0,4 от длины образующей изолятора, работающего под статическим напряжением, то начнутся электрические пробои по наружной поверхности укороченного изолятора, находящейся в обычной воздушной среде, и произойдет аварийное шунтирование конденсатора высоковольтного генератора. If the length of the generatrix of the insulator operating under pulsed voltage is less than 0.4 of the length of the generatrix of the insulator operating under static voltage, electrical breakdowns will begin on the outer surface of the shortened insulator located in ordinary air, and emergency shunting of the capacitor of the high-voltage generator will occur.

А если длина образующей будет более 0,6, то выигрыш по материалоемкости и индуктивности разрядника будет незначительным. And if the length of the generatrix is more than 0.6, then the gain in material consumption and inductance of the arrester will be insignificant.

На фиг. 1 изображен заявляемый газонаполненный разрядник в разрезе. In FIG. 1 shows the inventive gas-filled spark gap in the context.

Газонаполненный разрядник содержит электроды 1 и 2, установленные друг против друга в металлическом корпусе 3, и изоляторы 4 и 5 в виде усеченных конусов, меньшие основания которых закреплены на электродах 1 и 2, а большие
на торцах корпуса 3. Длина образующей изолятора 4, работающего под импульсным напряжением, выполнена равной 0,4 0,6 длины образующей изолятора 5, работающего под статическим напряжением.The gas-filled spark gap contains electrodes 1 and 2, mounted against each other in a metal case 3, and insulators 4 and 5 in the form of truncated cones, the smaller bases of which are fixed to the electrodes 1 and 2, and large
at the ends of the housing 3. The length of the generatrix of the insulator 4 operating under pulse voltage is equal to 0.4 0.6 the length of the generatrix of the insulator 5 operating under static voltage.

В примере конкретного выполнения заявляемого разрядника корпус 3 был изготовлен из стали и имел диаметр 84 мм и длину 128 мм. Электроды 1 и 2 вытачивались из вольфрамового сплава, изоляторы 4 и 5 из керамики. Рабочая полость разрядника заполнялась техническим водородом. In an example of a specific embodiment of the inventive spark gap, the housing 3 was made of steel and had a diameter of 84 mm and a length of 128 mm. Electrodes 1 and 2 were machined from a tungsten alloy, insulators 4 and 5 from ceramic. The working cavity of the spark gap was filled with technical hydrogen.

При работе заявляемый разрядник выполняет роль быстродействующего электрического ключа в высоковольтном RLC контуре. Его металлический корпус и укороченный изолятор с закрепленным на нем электродом подключены к нагрузке RL и во время зарядки конденсатора C находятся под нулевым потенциалом. Соответственно другой удлиненный изолятор с закрепленным на нем электродом соединен с конденсатором C и работает под высоким статическим напряжением. При достижении на высоковольтном электроде разрядника статического напряжения, соответствующего пробивному значению для данного межэлектродного зазора и давления газа, происходит быстрое увеличение числа электронных лавин и формирование искрового канала разряда. Результатом этих процессов является закорачивание за время менее 10 нс межэлектродного зазора и подключение конденсатора к нагрузке. During operation, the inventive spark gap acts as a high-speed electric switch in a high-voltage RLC circuit. Its metal casing and a shortened insulator with an electrode fixed to it are connected to the load RL and are at zero potential during charging of the capacitor C. Accordingly, another elongated insulator with an electrode fixed to it is connected to capacitor C and operates under high static voltage. When a static voltage corresponding to the breakdown value for a given interelectrode gap and gas pressure is reached at the high-voltage electrode, a rapid increase in the number of electron avalanches and the formation of a spark discharge channel occurs. The result of these processes is the shorting of the interelectrode gap in less than 10 ns and the connection of the capacitor to the load.

Таким образом, благодаря сокращению длины образующей изолятора, работающего под импульсным напряжением, удается уменьшить размер (высоту) заявляемого разрядника в 1,4 раза и соответственно его индуктивность уменьшить на 30 40% по сравнению с вариантом, полученным путем пропорционального увеличения геометрических размеров прототипа. Thus, due to the reduction in the length of the generatrix of the insulator operating under pulsed voltage, it is possible to reduce the size (height) of the claimed arrester by 1.4 times and accordingly reduce its inductance by 30–40% compared to the version obtained by proportionally increasing the geometric dimensions of the prototype.

Claims

A gas-filled arrester containing electrodes mounted opposite each other in a metal casing and insulators in the form of truncated cones, the smaller bases of which are fixed to the electrodes, and the larger ones at the ends of the casing, characterized in that the length of the generatrix of the insulator operating under pulsed voltage is 0 , 4 0.6 the length of the generatrix of the insulator operating under static voltage.