RU2185698C2

RU2185698C2 - Arrester

Info

Publication number: RU2185698C2
Application number: RU2000116197A
Authority: RU
Inventors: В.Ф. Анисимов; Ю.В. Киселев; Е.В. Круглова
Original assignee: Рязанская государственная радиотехническая академия
Priority date: 2000-06-19
Filing date: 2000-06-19
Publication date: 2002-07-20

Abstract

FIELD: gaseous discharge and vacuum engineering. SUBSTANCE: arrester that may be used to protect electronic equipment against voltage surges and electric circuit switching including protection of telephone exchange lines against dangerous voltage surges has at least two electrodes; effective surface of at least one electrode is coated with active layer composed of at least two components (alloys, mixtures, composites) having different melting points; active layer thickness amounts to 0.5-20 diameters of arc cathode spot. EFFECT: enhanced operating voltage stability. 1 dwg, 1 tbl

Description

Известен электрод сильноточного газоразрядного прибора, у которого на керн электрода нанесена пленка ЩМ или ЩЗМ и защитная оболочка, выполненная из металла, имеющего температуру плавления больше активного металла (а.с. 1671060 А1. Электрод сильноточного газоразрядного прибора). A known electrode of a high-current gas-discharge device, in which a SchM or SCHM film and a protective shell made of a metal having a melting point higher than the active metal (A.S. 1671060 A1. Electrode of a high-current gas-discharge device) are deposited on the core of the electrode.

К недостаткам данного катода относятся кроме необходимости токовой или термической активировки, позволяющей произвести выход ЩМ или ЩЗМ на поверхность катода, и связанная с этим сильная неоднородность работы выхода по поверхности катода, в процессе наработки разрядников с таким катодом наблюдается увеличение статического напряжения пробоя, связанное с выработкой с поверхности эмиссионного слоя легкоплавкого компонента. The disadvantages of this cathode include, in addition to the need for current or thermal activation, which makes it possible to produce an alkali-metal or alkali metal oxide on the cathode surface, and the strong non-uniformity of the work function along the cathode surface, an increase in the breakdown voltage associated with generation of dischargers with such a cathode is observed from the surface of the emission layer of the fusible component.

Известен газонаполненный разрядник, у которого в качестве активного вещества катода используется сплав стронций-медь в следующем соотношением компонентов, мас. %: медь 70-90, стронций 10-30 (а.с. 1777530. Газонаполненный разрядник.)
К недостаткам данного катода относятся большой разброс статического напряжения пробоя разрядника в процессе наработки, связанный с неравномерностью выработки активного вещества покрытия по толщине катода.Known gas-filled spark gap, in which the strontium-copper alloy is used as the active substance of the cathode in the following ratio of components, wt. %: copper 70-90, strontium 10-30 (a.s. 1777530. Gas-filled spark gap.)
The disadvantages of this cathode include a large variation in the static voltage of the breakdown of the spark gap during the operating time, associated with the uneven generation of the active coating substance over the thickness of the cathode.

Известен матричный катод, у которого в качестве активного вещества используются алюминаты ЩЗМ, спрессованные с порошком вольфрама (Добрецов. Эмиссионная электроника // "Наука", М., 1966г., с.221)
К недостаткам данного катода относится неравномерная выработка легкоплавкого компонента по толщине эмиссионного состава. Это приводит к формированию на поверхности катода пленки из тугоплавкого компонента, что сильно влияет на стабильность статического напряжения пробоя разрядника. Кроме того, эмиссионное покрытие имеет значительную толщину (единицы мм.) и запасы активного вещества остаются практически не использованы.Known matrix cathode, in which the active substance is used aluminates SchZM, pressed with tungsten powder (Dobretsov. Emission electronics // "Science", Moscow, 1966, p. 211)
The disadvantages of this cathode include the uneven production of a low-melting component in the thickness of the emission composition. This leads to the formation of a film of a refractory component on the cathode surface, which greatly affects the stability of the static breakdown voltage of the spark gap. In addition, the emission coating has a significant thickness (units mm.) And the reserves of the active substance remain practically unused.

Известно, что композиционные катоды газоразрядных приборов в процессе наработки подвержены тепловому старению, которое выражается в обеднении поверхностного слоя активной составляющей катода. Это приводит к существенному изменению параметров газоразрядных приборов. (И.В. Баранова, В.И. Веретенников, Х. С. Кан. Исследование механизма деградации катодов газоразрядных приборов // XXI Всесоюзная конференция по эмиссионной электронике, Ленинград, 1990 г. Тезисы докладов, т.1, с.206). It is known that the composite cathodes of gas-discharge devices in the process of production are subject to thermal aging, which is expressed in the depletion of the surface layer of the active component of the cathode. This leads to a significant change in the parameters of gas-discharge devices. (I.V. Baranova, V.I. Veretennikov, H.S. Kan. Investigation of the degradation mechanism of cathodes of gas-discharge devices // XXI All-Union Conference on Emission Electronics, Leningrad, 1990. Abstracts, vol. 1, p.206) .

Вышеприведенные недостатки ставят задачу оптимизации толщины пленочных катодов для защитных искровых разрядников. The above disadvantages pose the problem of optimizing the thickness of the film cathodes for protective spark gaps.

Решение данной технической задачи достигается тем, что пленочные катоды, которые имеют в своем составе не менее двух компонентов, имеют толщину эмиссионного слоя, равную 0,5-20 диаметрам катодного пятна дуги. The solution to this technical problem is achieved in that the film cathodes, which have at least two components in their composition, have an emission layer thickness equal to 0.5-20 diameters of the cathode spot of the arc.

Стабильность статического напряжения пробоя разрядников и напряжения поддержания разряда определяются эмиссионными свойствами катода, которые зависят от температурного режима эмиссионного слоя в момент токопрохождения. С увеличением тока увеличивается катодное пятно и увеличивается мощность, подводимая к катоду. Если толщина эмиссионного покрытия мала, то при значительных токах возможно его полное испарение, что влечет за собой полную потерю эмиссионных свойств и уход параметров прибора. Поэтому должна существовать связь между токовой нагрузкой, которая определяет диаметр катодного пятна дуги, и толщиной эмиссионного покрытия, которая обеспечивает оптимальный тепловой режим работы покрытия, а следовательно, и стабильность электрических параметров разрядника. The stability of the static breakdown voltage of the arresters and the voltage to maintain the discharge are determined by the emission properties of the cathode, which depend on the temperature regime of the emission layer at the moment of current passage. With increasing current, the cathode spot increases and the power supplied to the cathode increases. If the thickness of the emission coating is small, then at significant currents its complete evaporation is possible, which entails a complete loss of emission properties and the departure of the device parameters. Therefore, there must be a relationship between the current load, which determines the diameter of the cathode spot of the arc, and the thickness of the emission coating, which ensures the optimal thermal regime of the coating, and hence the stability of the electrical parameters of the spark gap.

Для определения оптимальной толщины эмиссионного покрытия использовались макеты разрядников приведенные на чертеже. To determine the optimal thickness of the emission coating, the models of the arresters shown in the drawing were used.

Разрядники, наполненные инертным газом, имели расстояние между электродами 0,5 мм. На торцы электродов 1 методом вакуумного напыления наносился активный состав 6. Для устранения явления первого пробоя на внутреннюю поверхность изолятора 2 наносился изотоп 5 в виде сернокислой соли никеля. Электроды изготавливались из сплава 42НАВИ. Собранный разрядник помещался в откачную камеру, в которой сначала создавался вакуум не хуже, чем 5•10^-5 мм Hg, затем происходило обезгаживание деталей разрядника в течение 30 мин. Далее камеру отсоединяли от откачной системы и производили напуск рабочего газа разрядника до необходимого давления и производилась герметизация разрядника. Для очистки электродов и токовой активировки катода на разрядники подавался импульс переменного тока амплитудой 5 А, длительностью одна секунда. В качестве эмиссионных покрытий использовались сплавы, компоненты которых имели разную температуру плавления и, как следствие, разное давление насыщенных паров и разную скорость испарения.Dischargers filled with an inert gas had a distance between the electrodes of 0.5 mm. The active compound 6 was applied to the ends of the electrodes 1 by vacuum deposition. To eliminate the phenomenon of the first breakdown, an isotope 5 was deposited on the inner surface of insulator 2 in the form of nickel sulfate salt. The electrodes were made of alloy 42NAVI. The assembled arrester was placed in a pumping chamber, in which at first a vacuum was created no worse than 5 • 10 ^-5 mm Hg, then the arrester parts were degassed for 30 minutes. Then the chamber was disconnected from the pumping system and the working gas of the spark gap was inflated to the required pressure and the spark gap was sealed. For electrode cleaning and current activation of the cathode, an alternating current pulse with an amplitude of 5 A and a duration of one second was supplied to the arresters. As emission coatings, alloys were used whose components had different melting points and, as a result, different saturated vapor pressure and different evaporation rates.

Экспериментально установлено, что при коммутации тока от 1 кА до 20 кА длительностью 8-20 мкс, стабильность параметров разрядников сохранялась в течение 200 пробоев, если выполнялось условие, что отношение толщины покрытия к диаметру катодного пятна находится в пределах 0,5-20. При покрытии катода пленкой, толщина которой менее половины диаметра катодного пятна дуги, напряжение поддержания разряда имеет значительный разброс. Это связано с нестабильностью процесса поставки паров легкоплавкого компонента материала эмиссионного слоя в разрядный промежуток в процессе горения дуги. При толщине покрытия более в чем 20 раз превышающей диаметр катодного пятна, происходит постепенная выработка более легкоплавкого компонента с поверхности катода. На поверхности формируется пленка, состоящая из более тугоплавкого металла, что приводит к изменению эмиссионных свойств покрытия и, как следствие, к изменению параметров разрядника. It was experimentally established that when switching current from 1 kA to 20 kA with a duration of 8-20 μs, the stability of the parameters of the arresters was maintained for 200 breakdowns, provided that the condition that the ratio of the coating thickness to the diameter of the cathode spot was within 0.5-20. When a cathode is coated with a film whose thickness is less than half the diameter of the cathode spot of the arc, the voltage for maintaining the discharge has a significant spread. This is due to the instability of the process of supplying vapors of the fusible component of the material of the emission layer to the discharge gap during arc burning. When the coating thickness is more than 20 times the diameter of the cathode spot, a gradual development of a more fusible component from the surface of the cathode occurs. A film consisting of a more refractory metal is formed on the surface, which leads to a change in the emission properties of the coating and, as a result, to a change in the parameters of the spark gap.

При соблюдении вышеуказанного диапазона толщин эмиссионного слоя создаются оптимальные условия для получения быстро перемещающихся катодных пятен, что связано с теплофизическими свойствами покрытий. Subject to the above range of thicknesses of the emission layer, optimal conditions are created for obtaining rapidly moving cathode spots, which is associated with the thermophysical properties of the coatings.

В таблице приведены результаты исследований стабильности статического напряжения пробоя разрядников в процессе наработки в зависимости от толщины эмиссионного покрытия. Испытания проводились в импульсном режиме при амплитуде тока 5 кА при форме импульса 8-20 мкс. The table shows the results of studies of the stability of the static breakdown voltage of arresters during the operating time, depending on the thickness of the emission coating. The tests were carried out in a pulsed mode with a current amplitude of 5 kA with a pulse shape of 8-20 μs.

Как видно из приведенных результатов статическое напряжение пробоя разрядников стабильно в течении 200 импульсов как для пленочного, так и для монолитного катода. Далее идет увеличение статического напряжения пробоя, что объясняется формированием на поверхности катода пленки из более тугоплавкого металла. Это подтверждается при исследовании поверхности катода после вскрытия прибора. As can be seen from the above results, the static breakdown voltage of the arresters is stable for 200 pulses for both the film and monolithic cathodes. Next is an increase in the static breakdown voltage, which is explained by the formation of a film of a more refractory metal on the surface of the cathode. This is confirmed by examining the cathode surface after opening the device.

Предложенное техническое решение позволяет оптимизировать толщину эмиссионных покрытий искровых разрядников, что в конечном итоге дает возможность не менее чем в 2-3 раза улучшить массогабаритные показатели приборов. The proposed technical solution allows us to optimize the thickness of the emission coatings of spark gaps, which ultimately makes it possible to improve the overall dimensions of devices by at least 2–3 times.

Claims

The arrester, consisting of at least two electrodes, forming a vacuum-tight shell with an insulating body, on the working part of at least one of which an active layer is deposited, consisting of alloys, mixtures or composites consisting of at least two components having different melting point, characterized in that the thickness of the active coating is 0.5-20 diameters of the cathode spot of the arc.