RU2223580C1

RU2223580C1 - Arrester

Info

Publication number: RU2223580C1
Application number: RU2002118276/09A
Authority: RU
Inventors: К.С. Гайнутдинов; Т.А. Гусева; В.В. Никитин; бова Л.П. Р; Л.П. Рябова
Original assignee: Открытое акционерное общество "Научно-исследовательский институт газоразрядных приборов "Плазма"
Priority date: 2002-07-08
Filing date: 2002-07-08
Publication date: 2004-02-10
Also published as: RU2002118276A

Abstract

FIELD: gas-discharge engineering. SUBSTANCE: arrester that can be used to manufacture gas-discharge devices, including gap-arresters, for handling high energy levels and for protecting equipment and communication lines against voltage surges has at least two electrodes spaced apart through certain distance. Filling gas is mixture of argon, hydrogen, and neon, proportion of ingredients being as follows, volume percent: argon, 60-84; hydrogen, 8-20; neon, 8- 20; product of gas mixture divided by distance between electrodes exceeds 2 mm of mercury/cm. EFFECT: enhanced operating stability of arrester under heavy-current and high-power conditions. 1 cl, 1 tbl

Description

Изобретение относится к области газоразрядной техники и может быть использовано при создании газоразрядных приборов, в частности, искровых разрядников, предназначенных для коммутации высоких уровней энергии, защиты аппаратуры и линий связи от опасных перенапряжений. The invention relates to the field of gas-discharge equipment and can be used to create gas-discharge devices, in particular, spark gaps designed for switching high energy levels, protecting equipment and communication lines from dangerous overvoltages.

Известен газоразрядный прибор, в котором в качестве наполняющего газа используется водород (см. Ворончев Т. А. Импульсные тиратроны. - М.: Советское радио, 1958, с.4). A gas-discharge device is known in which hydrogen is used as the filling gas (see T. Voronchev. Pulse thyratrons. - M.: Soviet radio, 1958, p. 4).

Недостатком такого газового наполнения является снижение напряжения пробоя в процессе работы, вызванное жестчением водорода. The disadvantage of this gas filling is the reduction of the breakdown voltage during operation, caused by stiffening of hydrogen.

Известен газоразрядный прибор, который наполнен газовой смесью, состоящей из водорода и ксенона (см. А.с. СССР 317331, кл. Н 01 J 17/20, опубл. 30.08.92 г.). Known gas discharge device, which is filled with a gas mixture consisting of hydrogen and xenon (see A.S. USSR 317331, CL H 01 J 17/20, publ. 30.08.92).

В разрядниках с таким наполнением ограничена коммутируемая энергия. При увеличении коммутируемой энергии через прибор также происходит жестчение газового наполнения и снижение напряжения пробоя, что еще более усиливается большим углом наклона правой ветви кривой зависимости напряжения пробоя от произведения давления в приборе на межэлектродное расстояние. In arresters with such a filling, the switched energy is limited. As the switched energy increases through the device, gas filling becomes stiffer and the breakdown voltage decreases, which is further enhanced by the large angle of inclination of the right branch of the curve of the breakdown voltage versus the product of pressure in the device by the interelectrode distance.

Известен газоразрядный прибор, газовое наполнение которого состоит из смеси инертных газов: неона С небольшой добавкой аргона (см. Патент Великобритании 611433, кл. Н 2 Н, опубл. октябрь 1948 г.). В разрядниках, наполненных этой смесью, при коммутации высоких уровней энергии в процессе работы происходит повышение напряжения пробоя выше допустимых норм. Это связано с тем, что смесь инертных газов и особенно так называемая Пенинговская смесь очень чувствительна даже к незначительным примесям молекулярных газов. При прохождении через разрядник высокоэнергетических импульсов происходит сильный локальный нагрев электродов, температура в катодном пятне при этом может подниматься до температуры плавления электродов. Выделение примесей молекулярных газов из глубинных слоев электродов приводит к повышению напряжения пробоя. Known gas discharge device, the gas filling of which consists of a mixture of inert gases: neon With a small addition of argon (see UK Patent 611433, CL N 2 N, publ. October 1948). In surge arresters filled with this mixture, when switching high energy levels during operation, an increase in breakdown voltage occurs above permissible norms. This is due to the fact that a mixture of inert gases and especially the so-called Pening mixture is very sensitive even to minor impurities of molecular gases. When high-energy pulses pass through the spark gap, a strong local heating of the electrodes occurs, and the temperature in the cathode spot can rise to the melting temperature of the electrodes. The release of molecular gas impurities from the deep layers of the electrodes leads to an increase in breakdown voltage.

Наиболее близким техническим решением к предлагаемому изобретению является защитный разрядник, наполненный смесью газов, состоящей из аргона с добавкой водорода (см. Патент США 3885202, кл. 317/61, опубл. 20.05.75 г. - прототип). Эта смесь обладает хорошими деионизационными свойствами. Но она непригодна для низковольтных разрядников, коммутирующих высокоэнергетические импульсы. В процессе работы происходит интенсивное распыление материала электродов из-за низкого давления наполняющего газа и, как следствие, снижение сопротивления изоляции и напряжения пробоя. The closest technical solution to the proposed invention is a protective spark gap filled with a gas mixture consisting of argon with the addition of hydrogen (see US Patent 3885202, CL 317/61, publ. 05.20.75, prototype). This mixture has good deionization properties. But it is unsuitable for low-voltage arresters, switching high-energy pulses. In the process of work, an intensive spraying of the electrode material occurs due to the low pressure of the filling gas and, as a result, a decrease in the insulation resistance and breakdown voltage.

Задачей изобретения является создание разрядника устойчиво работающего в сильноточном высокоэнергетическом режиме путем подбора состава смеси наполняющих газов. The objective of the invention is the creation of a spark gap stably operating in high-current high-energy mode by selecting the composition of the mixture of filling gases.

Технический результат достигается за счет использования предлагаемого газового наполнения, позволяющего уменьшить эрозию электродов и жестчение газового наполнителя в режиме коммутации высоких уровней энергии. The technical result is achieved through the use of the proposed gas filling, which allows to reduce erosion of the electrodes and stiffening of the gas filler in the switching mode of high energy levels.

Указанный технический результат достигается тем, что в предлагаемом разряднике, содержащем, по крайне мере, два электрода, расположенные на расстоянии друг от друга, газовое наполнение состоит из смеси газов, содержащей в своем составе аргон, водород и неон при следующем соотношении компонентов, %: аргон 60-84, водород 8-20, неон 8-20, при этом произведение давления "Р" газовой смеси на расстояние "d" между электродами превышает 2 мм рт.ст.•см. The specified technical result is achieved by the fact that in the proposed spark gap containing at least two electrodes located at a distance from each other, the gas filling consists of a mixture of gases containing argon, hydrogen and neon in the following ratio of components,%: argon 60-84, hydrogen 8-20, neon 8-20, while the product of the pressure "P" of the gas mixture by the distance "d" between the electrodes exceeds 2 mm Hg • cm.

Основной причиной снижения напряжения пробоя является жестчение водорода - наиболее высоковольтной компоненты газового наполнения, которое вызывается диссоциацией молекул водорода с образованием химически активных атомов. The main reason for reducing the breakdown voltage is stiffening of hydrogen - the highest voltage component of gas filling, which is caused by the dissociation of hydrogen molecules with the formation of chemically active atoms.

Введение в состав газового наполнения неона, потенциал возбуждения которого ниже потенциала возбуждения водорода, снижает скорость диссоциации молекул водорода, а следовательно, и скорость снижения напряжения пробоя. The introduction of neon into the gas filling composition, the excitation potential of which is lower than the hydrogen excitation potential, reduces the dissociation rate of hydrogen molecules and, consequently, the rate of breakdown voltage decrease.

Это позволяет увеличить коммутируемую энергию в импульсе при сохранении заданной долговечности прибора или наоборот увеличить долговечность при сохранении неизменной коммутируемой энергии. This allows you to increase the switched energy in the pulse while maintaining the specified durability of the device or vice versa to increase the durability while maintaining the same switched energy.

Проведенный заявителем анализ уровня техники позволил установить, что заявителем не обнаружен аналог, характеризующийся признаками, идентичными всем существенным признакам заявленного изобретения, а определение из аналогов прототипа позволил выявить совокупность существенных по отношению к усматриваемому заявителем техническому результату отличительных признаков в заявленном объекте, изложенных в формуле изобретения. Следовательно, заявленное изобретение соответствует требованию "новизна". The analysis of the prior art by the applicant made it possible to establish that the applicant did not find an analogue characterized by features identical to all the essential features of the claimed invention, and the determination from analogues of the prototype made it possible to identify the totality of the distinguishing features essential to the applicant's perceived technical result in the claimed object set forth in the claims . Therefore, the claimed invention meets the requirement of "novelty."

Для проверки соответствия заявленного изобретения требованию изобретательского уровня был проведен дополнительный поиск известных решений с целью выявления признаков, совпадающих с отличительными от прототипа признаками заявленного изобретения, результаты которого показывают, что заявленное изобретение не следует для специалиста явным образом из известного уровня техники, так как не выявлены технические решения, в которых предлагаемое газовое наполнение позволило бы уменьшить эрозию электродов и жестчение газа в режиме коммутации высоких уровней энергии, при обеспечении заданной долговечности прибора. To verify the conformity of the claimed invention to the requirement of the inventive step, an additional search was carried out for known solutions in order to identify features that match the distinctive features of the claimed invention, the results of which show that the claimed invention does not explicitly follow from the prior art, as it has not been identified technical solutions in which the proposed gas filling would reduce the erosion of the electrodes and gas hardening in switching mode and high energy levels, while ensuring the specified durability of the device.

Разрядник работает следующим образом. Как правило, разрядник включается параллельно защищаемому объекту или линии связи. При появлении на защищаемом объекте или линии перенапряжения, превышающего напряжение пробоя разрядника, последний пробивается и пропускает через себя на "землю" мощный импульс перенапряжения, обеспечивая надежную защиту объекта. The arrester operates as follows. As a rule, the arrester is connected in parallel to the protected object or communication line. When an overvoltage exceeding the arrester breakdown voltage appears on the protected object or line, the latter breaks through and passes a powerful overvoltage pulse through itself to the ground, providing reliable protection of the object.

Процентное содержание компонентов газового наполнения выбраны с учетом следующих соображений. При заданных межэлектродном расстоянии и напряжении пробоя разрядника, количество неона определяет выбор величины давления газовой смеси в разряднике. The percentage of gas filling components is selected taking into account the following considerations. Given the interelectrode distance and breakdown voltage of the spark gap, the amount of neon determines the choice of the pressure of the gas mixture in the spark gap.

При прочих равных условиях уменьшение содержания неона в газовой смеси вызывает необходимость уменьшения давления смеси наполняющих газов. При низком давлении разряд носит диффузный характер и распространяется на всю площадь катода. Существует граничное значение минимального содержания неона, при котором разряд может "сползать" на катододержатель, который распыляется более интенсивно, чем катод. Продукты распыления оседают на внутренних поверхностях изоляторов и снижают сопротивление изоляции разрядника. Other things being equal, a decrease in the neon content in the gas mixture necessitates a decrease in the pressure of the filling gas mixture. At low pressure, the discharge is diffuse and spreads over the entire cathode area. There is a boundary value of the minimum neon content at which the discharge can “slide” onto the cathode holder, which is sprayed more intensely than the cathode. Spray products settle on the inner surfaces of the insulators and reduce the insulation resistance of the arrester.

Увеличение содержания неона при тех же условиях наоборот требует увеличения давления газовой смеси. При этом также существует граничное значение максимального содержания неона в газовой смеси, при котором разряд переходит из диффузной в контрагированную форму, когда разряд сосредотачивается на части поверхности катода. В этом случае токоотбор с единицы поверхности катода увеличивается, что приводит к более интенсивной эрозии катода и осаждению продуктов эрозии на внутренних стенках изоляторов. Сопротивление изоляции разрядника в этом случае также снижается. An increase in neon content under the same conditions, on the contrary, requires an increase in the pressure of the gas mixture. At the same time, there is also a boundary value of the maximum neon content in the gas mixture at which the discharge changes from diffuse to contracted form when the discharge focuses on a part of the cathode surface. In this case, the current collection per unit surface of the cathode increases, which leads to more intense erosion of the cathode and the deposition of erosion products on the inner walls of the insulators. The insulation resistance of the arrester in this case also decreases.

Таким образом, основным критерием выбора граничных значений содержания неона при прочих равных условиях является снижение сопротивления изоляции в процессе эксплуатации. Thus, the main criterion for choosing the boundary values of the neon content, ceteris paribus, is the decrease in insulation resistance during operation.

Наилучшие результаты получены при содержании неона в пределах от 8-10% до 18-20%. Напряжение пробоя и сопротивление изоляции, как видно из таблицы в процессе работы изменяются в этом случае незначительно. The best results were obtained with a neon content ranging from 8-10% to 18-20%. The breakdown voltage and insulation resistance, as can be seen from the table during operation, change slightly in this case.

Предлагаемое изобретение используется при разработке мощного защитного разрядника на напряжение пробоя 250 В, коммутируемый ток в импульсе 1000 А длительностью до 37•10^-3 с.The present invention is used in the development of a powerful protective arrester for a breakdown voltage of 250 V, the switched current in a pulse of 1000 A with a duration of up to 37 • 10 ^-3 s.

Электроды разрядника диаметром 9 мм выполнены из малораспыляемого вольфрамового сплава, расстояние между электродами около 1,2 мм. Оболочка разрядника - металлокерамическая образована керамическими кольцами и торцевыми дисками из сплава 42НА-ВИ. Наполнен разрядник смесью газов состоящей из 80% Аr, 10% водорода и 10% неона до давления около 50 мм рт.ст. Рабочие электроды разрядника припаиваются к никелевым дискам электродержателя. Для снятия явления первого пробоя разрядника в смесь газов может добавляться газообразный радиоактивный тритий в дозах, не превышающих величины радиоактивного фона. Разрабатываемый разрядник будет использован в линиях и аппаратуре связи для обеспечения высокой надежности связи. The spark gap electrodes with a diameter of 9 mm are made of low-spray tungsten alloy, the distance between the electrodes is about 1.2 mm. The spark gap is cermet formed by ceramic rings and end disks of alloy 42NA-VI. The arrester is filled with a mixture of gases consisting of 80% Ar, 10% hydrogen and 10% neon to a pressure of about 50 mm Hg. The working electrodes of the spark gap are soldered to the nickel disks of the electrode holder. To remove the phenomenon of the first breakdown of a spark gap, gaseous radioactive tritium can be added to the gas mixture in doses not exceeding the value of the radioactive background. The arrester under development will be used in communication lines and equipment to ensure high reliability of communication.

Следовательно, заявленное изобретение соответствует требованию "промышленная применимость" по действующему законодательству. Therefore, the claimed invention meets the requirement of "industrial applicability" under applicable law.

Claims

The arrester containing at least two electrodes located at a distance from each other, and a filling comprising argon and hydrogen, characterized in that neon is additionally introduced into the filling of the gas mixture in the following ratio of components, vol.%:

Neon 8-20

Hydrogen 8-20

Argon 60-84

and the product of the total pressure of the gas mixture by the interelectrode distance is more than 2 mm Hg • cm.