RU223870U1

RU223870U1 - Управляемый вакуумный коммутатор комбинированного типа

Info

Publication number: RU223870U1
Application number: RU2023120145U
Authority: RU
Inventors: Сергей Геннадьевич Давыдов; Александр Николаевич Долгов; Александр Андреевич Козлов; Владислав Олегович Ревазов; Рустам Халимович Якубов
Filing date: 2023-07-31
Publication date: 2024-03-06

Abstract

Полезная модель относится к электротехнике и сильноточной электронике, может использоваться для коммутации сильноточных высоковольтных электрических систем и представляет собой управляемый вакуумный коммутатор комбинированного типа, который является совокупностью вспомогательного разрядника с оптическим управлением, коммутируемой им низкоиндуктивной электрической схемы, закрепленной на корпусе коммутатора и основного управляемого вакуумного трехэлектродного разрядника. При этом вспомогательный и основной разрядник представляют собой единую герметичную конструкцию, имеющую малую индуктивность, что позволяет достичь повышения мощности, вкладываемой в поджиг основного вакуумного разрядника, что способствует увеличению количества лавин электронов, рождающихся в единицу времени, ответственных за развитие разряда и возникновение пробоя вдоль поверхности диэлектрика, снижая относительный разброс их количества относительно среднего и, следовательно, уменьшая относительный разброс времени от момента старта разряда, за которое будет достигнуто условие короткого замыкания - пробоя, и тем самым уменьшая относительный разброс величины напряжения пробоя по отношению к средней величине напряжения пробоя. Отсутствие схемы запуска вспомогательного разрядника исключает возникновение паразитных импульсных сигналов в поджигающей системе основного разрядника, приводящих к его несвоевременным срабатываниям. Все соединения металлических элементов с диэлектрическими (керамическими) - вакуумно-герметичные, выполненные с применением технологии диффузионной сварки. Технический результат заключается в увеличении стабильности значения импульсного напряжения пробоя по поверхности диэлектрика основного управляемого вакуумного трехэлектродного разрядника, а также в исключении возникновения паразитных импульсных сигналов в его поджигающей системе, приводящих к несвоевременным срабатываниям. 2 ил.

Description

Полезная модель относится к области электротехники, а именно к силовой коммутирующей аппаратуре, и может быть использована для коммутации электрических цепей.

Известен управляемый вакуумный разрядник, представляющий собой коаксиальную трехэлектродную систему в герметичном диэлектрическом корпусе. Поджигающая система состоит их двух электродов - катода, поджигающего электрода и плотно сжатой между ними шайбой из диэлектрика. Поджигающая система окружена третьим электродом - анодом. Катод и анод образуют основной разрядный промежуток. Патент Российской Федерации №143137, МПК Н01Т 2/02, 20.07.2014.

Данный разрядник работает следующим образом: при подаче, на поджигающий электрод импульса потенциала положительной относительно катода полярности, сформированного с помощью повышающего трансформатора, у кромки катода на границе трех сред - металл, диэлектрик, вакуум - возникают токи автоэлектронной эмиссии, приводящие к появлению лавин вторичных электронов, распространяющихся вдоль поверхности диэлектрика. В свою очередь вторичные электроны инициируют выброс газов, адсорбированных на поверхности диэлектрика, и обеспечивают их последующую ионизацию, превращающая их в плазму, вдоль поверхности диэлектрика развивается разряд. С ростом количества лавин растет проводимость и падает омическое сопротивление промежутка «катод- поджигающий электрод», происходит пробой. В условиях выравнивания потенциалов катода и поджигающего электрода происходит расширение плазмы в направлении анода. С замыканием промежутка «катод - анод» плазмой факела напряжение между катодом и анодом начинает падать и разряд в вакуумном промежутке за время порядка 10^-7 с переходит в дуговую стадию. Происходит срабатывание коммутирующего устройства.

Основным недостатком является использование для поджига разрядника трансформатора, между первичной и вторичной обмоткой которого в процессе развития разряда, сопровождающегося протеканием тока, в поджигающей системе разрядника, подключенной параллельно вторичной обмотке, возникает обратная связь. Обратная связь ограничивает электрическую мощность, передающуюся на поджиг разрядника, что является причиной снижения количества лавин электронов, рождающихся в единицу времени, ответственных за развитие разряда и возникновение пробоя вдоль поверхности диэлектрика. Данные обстоятельства способствуют увеличению времени развития разряда и, соответственно, отсрочиванию момента пробоя, при этом напряжение в промежутке между катодом и поджигающим электродом во время развития разряда продолжает расти. Как утверждает статистика, чем меньше возникает лавин, тем больше относительный разброс их количества относительно среднего количества при большом числе разрядов, а следовательно, больше относительный разброс времени от момента старта разряда, за которое будет достигнуто условие короткого замыкания - пробоя, и тем самым больше относительный разброс величины напряжения пробоя по отношению к средней величине напряжения пробоя. Совокупность указанных обстоятельств является причиной значительного разброса значений напряжения пробоя - низкой стабильности данной величины.

Известно коммутирующее устройство, состоящее из двух отдельно расположенных управляемых вакуумных разрядников и электрической схемы, содержащей высоковольтный емкостный накопитель энергии и резистор. Каждый разрядник представляет собой коаксиальную трехэлектродную систему в герметичном диэлектрическом корпусе. Поджигающая система состоит из двух электродов - катода, поджигающего электрода и плотно сжатой между ними шайбой из диэлектрика.

Поджигающая система окружена третьим электродом - анодом. Катод и анод образуют основной разрядный промежуток. Один из разрядников является вспомогательным и используется для поджига второго - основного - разрядника. Давыдов С.Г., Долгов А. Н., Козлов А. А., Якубов P. X. Повышение энергии инициирующего искрового разряда с целью уменьшения и стабилизации времени задержки в компактном вакуумном разряднике. -Успехи прикладной физики, 2021, том 9, №5. - С. 393-401. Данное техническое решение принято в качестве прототипа.

Коммутирующее устройство (фиг.1) состоит из вспомогательного разрядника 1, электрической схемы 2 и основного разрядника 3. Схема, которую коммутирует вспомогательный разрядник, состоит из емкостного накопителя энергии 4 и резистора 5.

Устройство работает следующим образом. При подаче пускового импульса напряжения между катодом и поджигающим электродом вспомогательного разрядника происходит его срабатывание, в результате чего высоковольтный емкостной накопитель энергии электрической схемы разряжается через сопротивление, входящее в ее состав. Возникающий импульс напряжения между поджигающим электродом и катодом поджигающей системы основного разрядника вызывает пробой и искровой разряд по поверхности диэлектрической шайбы между ними, что приводит к срабатыванию основного разрядника и замыканию коммутируемой им цепи. При этом мощность, передающаяся на поджиг основного разрядника, оказывается больше, чем в случае поджига разрядника с помощью трансформатора, что способствует увеличению количества лавин электронов, рождающихся в единицу времени, ответственных за развитие разряда и возникновение пробоя вдоль поверхности диэлектрика, снижая относительный разброс их количества относительно среднего и, следовательно, уменьшая относительный разброс времени от момента старта разряда, за которое будет достигнуто условие короткого замыкания - пробоя, и тем самым уменьшая относительный разброс величины напряжения пробоя по отношению к средней величине напряжения пробоя.

Недостатками прототипа являются наличие паразитных импульсных сигналов в поджигающей системе основного разрядника и недостаточная стабильность значения напряжения пробоя основного разрядника. Недостатки обусловлены, соответственно, воздействием импульса напряжения, формируемого схемой запуска вспомогательного разрядника, на электрический контур, образованный электрическими связями между вспомогательным и основным разрядником, а также индуктивностью данного контура, ограничивающей мощность, подводимую к поджигу основного разрядника. При этом паразитные импульсные сигналы приводят к несвоевременным срабатываниям основного разрядника.

Техническим результатом полезной модели является повышение стабильности значения импульсного напряжения пробоя по поверхности диэлектрика, а также исключение возникновения паразитных импульсных сигналов в его поджигающей системе, приводящих к несвоевременным срабатываниям.

Технический результат достигается тем, что управляемый вакуумный коммутатор представляет собой комбинацию вакуумного разрядника с оптическим управлением, играющего роль вспомогательного разрядника, коммутируемой им низкоиндуктивной электрической схемы и управляемого вакуумного разрядника, играющего роль основного разрядника. При этом вспомогательный и основной разрядник представляют собой единую герметичную конструкцию, что обеспечивает сведение к минимуму размера и, как следствие, индуктивности электрического контура, образованного электрическими связями между вспомогательным и основным разрядником. Малая индуктивность указанного электрического контура и коммутатора в целом по отношению к прототипу позволяет повысить мощность, вкладываемую в поджигающий разряд основного разрядника, что приводит к увеличению стабильности напряжения пробоя основного разрядника.

Отсутствие схемы запуска вспомогательного разрядника, исключает возникновение в поджигающей системе основного разрядника паразитных импульсов напряжения, вызванных ее работой.

Сущность полезной модели поясняется фиг.2, где:

6 - вспомогательный разрядник;

7 - низкоиндуктивная электрическая схема;

8 - основной разрядник;

9 - входное прозрачное окно вспомогательного разрядника;

10 - анод вспомогательного разрядника;

11 - катод-мишень вспомогательного разрядника;

12 - диэлектрический корпус вспомогательного разрядника;

13 - емкостный накопитель энергии;

14 - резистор;

15 - катод основного разрядника;

16 - поджигающий электрод основного разрядника;

17 - диэлектрическая шайба основного разрядника;

18 - анод основного разрядника;

19 - диэлектрический корпус основного разрядника. Управляемый вакуумный коммутатор комбинированного типа состоит

из вспомогательного разрядника 6, низкоиндуктивной электрической схемы 7, закрепленной на корпусе коммутатора, и основного разрядника 8.

В качестве вспомогательного разрядника применяется разрядник с оптическим управлением, включающий входное прозрачное окно 9, анод 10 с отверстием для прохода оптического излучения, катод-мишень 11 и диэлектрический (керамический) корпус 12.

Электрическая схема, которую коммутирует вспомогательный разрядник, состоит из низкоиндуктивного высоковольтного конденсатора 13 и резистора 14.

В качестве основного разрядника применяется управляемый вакуумный разрядник, включающий катод 15, поджигающий электрод 16, плотно сжатую между ними диэлектрическую шайбу 17 и анод 18, размещенные внутри диэлектрического корпуса 19.

Все соединения металлических элементов с диэлектрическими (керамическими) - вакуумно-герметичные, выполненные с применением технологии диффузионной сварки.

Управляемый вакуумный коммутатор комбинированного типа работает следующим образом. Катоды коммутатора заземлены, аноды имеют положительный относительно катодов потенциал величиной в несколько киловольт. При подаче через входное окно оптического разрядника пускового импульса оптического излучения на катод-мишень происходит его срабатывание, в результате чего высоковольтный конденсатор коммутируемой этим разрядником низкоиндуктивной электрической схемы разряжается через сопротивление, также входящее в ее состав. Возникающий импульс напряжения между поджигающим электродом и катодом управляемого вакуумного разрядника вызывает пробой и искровой разряд по поверхности диэлектрика между ними, что приводит к развитию дугового разряда между его катодом и анодом и замыканию коммутируемой им цепи.

Таким образом, использование предложенного управляемого вакуумного коммутатора комбинированного типа позволяет достичь повышения мощности, вкладываемой в поджиг управляемого вакуумного разрядника, что способствует увеличению количества лавин электронов, рождающихся в единицу времени, ответственных за развитие разряда и возникновение пробоя вдоль поверхности диэлектрика снижая относительный разброс их количества относительно среднего и, следовательно, уменьшая относительный разброс времени от момента старта разряда, за которое будет достигнуто условие короткого замыкания - пробоя, и тем самым уменьшая относительный разброс величины напряжения пробоя по отношению к средней величине напряжения пробоя. Совокупность указанных обстоятельств является причиной малого разброса значений напряжения пробоя - высокой стабильности данной величины.

Также достигается отсутствие схемы запуска вспомогательного разрядника, что исключает возникновение паразитных импульсных сигналов в поджигающей системе основного разрядника, приводящих к его несвоевременным срабатываниям.

Claims

Управляемый вакуумный коммутатор комбинированного типа, включающий основной разрядник, вспомогательный разрядник, электрическую схему, коммутируемую вспомогательным разрядником, включающую высоковольтный емкостный накопитель энергии и резистор, отличающийся тем, что основной разрядник выполнен в виде управляемого вакуумного разрядника; вспомогательный разрядник выполнен в виде вакуумного разрядника с оптическим управлением; высоковольтный емкостный накопитель энергии выполнен в виде низкоиндуктивного конденсатора; вспомогательный и основной разрядники представляют собой единую герметичную конструкцию, имеющую малую индуктивность.