RU2599981C1

RU2599981C1 - Switching device

Info

Publication number: RU2599981C1
Application number: RU2015113518/07A
Authority: RU
Inventors: Виктор Борисович Беляев
Original assignee: Общество с ограниченной ответственностью "Вакуумные технологии"
Priority date: 2015-04-14
Filing date: 2015-04-14
Publication date: 2016-10-20

Abstract

FIELD: machine building.

SUBSTANCE: invention relates to gas-discharge equipment and can be used in designing switching devices intended for equipment and communication lines protection against overvoltage. Device comprises dielectric cylinders (2, 3) coaxially installed relative to each other, limiting discharge gap (4) on sides. At cylinders (2, 3) ends electrodes (5, 6) are installed, which form discharge gap (4). Metal rod (9) connected bushing (8) and cup (7) with electrodes (6) output is installed coaxially with dielectric cylinders (2, 3). Cup (7) bottom is made flexible. Gas-discharge gap (4) is filled with working gas, for example, argon and hydrogen mixture at pressure of 5-20 torr.

EFFECT: technical result is creation of switching device, which withstands several hundreds of powerful discharges and providing reliable protection against overvoltage.

1 cl, 1 dwg

Description

Изобретение относится к области газоразрядной техники и может быть использовано для защиты аппаратуры и линий связи от перенапряжений.The invention relates to the field of gas discharge technology and can be used to protect equipment and communication lines from overvoltages.

Известно коммутирующее устройство (см. патент РФ №2366051, кл. Н01Т 1/20), содержащее основные электроды, разделенные воздушным разрядным промежутком, и дополнительный электрод, расположенный вблизи одного из основных электродов. В этом основном электроде расположен поджигающий электрод в виде стержня, касающийся одним торцом дополнительного электрода, а другим через вспомогательное коммутирующее устройство с основным электродом, вблизи которого расположен дополнительный электрод.Known switching device (see RF patent No. 2366051, class Н01Т 1/20), containing the main electrodes separated by an air discharge gap, and an additional electrode located near one of the main electrodes. In this main electrode there is a firing electrode in the form of a rod, touching one end of the additional electrode, and the other through an auxiliary switching device with the main electrode, near which the additional electrode is located.

Недостатком этого устройства являются большой разброс напряжения зажигания (порядка 30%) и небольшое число срабатываний (порядка 10). Эти недостатки обусловлены тем, что в устройстве используется мощный дуговой разряд в воздухе. В разряде образуются соединения материала электродов с кислородом и азотом - оксиды и нитриды. Воздух в процессе разряда выгорает, а после окончания разряда в разрядный промежуток засасывается новая порция воздуха, которая может содержать влагу, пыль, органические частицы (пыльцу) и т.д. Это приводит к образованию карбидов. Оксиды, нитриды, карбиды, пыль и влага будут осаждаться на поджигающий электрод и на контактирующие с ним поверхности. В результате условия поджига от разряда к разряду будут ухудшаться. Поэтому работа известного коммутирующего устройства будет сильно зависеть от погоды, времени года и от окружающей местности. Другим недостатком известного устройства являются отсутствие механизмов, ограничивающих величину разрядного тока. Поэтому в ряде случаев, например удар молнии, он может превышать допустимую величину. Кроме того, для срабатывания защитных устройств достаточны токи порядка 1 кА.The disadvantage of this device is the large spread in the ignition voltage (about 30%) and a small number of trips (about 10). These disadvantages are due to the fact that the device uses a powerful arc discharge in the air. In the discharge, compounds of the electrode material with oxygen and nitrogen are formed - oxides and nitrides. The air burns out during the discharge, and after the discharge ends a new portion of air is sucked into the discharge gap, which may contain moisture, dust, organic particles (pollen), etc. This leads to the formation of carbides. Oxides, nitrides, carbides, dust and moisture will be deposited on the ignition electrode and on surfaces in contact with it. As a result, the conditions of ignition from discharge to discharge will deteriorate. Therefore, the operation of a known switching device will greatly depend on the weather, time of year and the surrounding area. Another disadvantage of the known device is the lack of mechanisms that limit the amount of discharge current. Therefore, in some cases, for example, a lightning strike, it can exceed the permissible value. In addition, currents of the order of 1 kA are sufficient for tripping protective devices.

Техническим результатом изобретения является коммутирующее устройство, выдерживающее несколько сотен мощных разрядов при изменении напряжения зажигания не более 10%.The technical result of the invention is a switching device that can withstand several hundred powerful discharges when the ignition voltage changes no more than 10%.

Технический результат достигается путем использования в устройстве газонаполненного разрядника, разрядный промежуток которого ограничен с боков двумя коаксиально расположенными керамическими цилиндрами путем использования металлического стержня, установленного коаксиально с керамическими цилиндрами, путем использования гибкой металлической пластины (мембраны), путем закрепления гибкой металлической пластины на выводе одного из основных электродов, путем закрепления одного конца металлического стержня на гибкой пластине.The technical result is achieved by using a gas-filled spark gap in the device, the discharge gap of which is laterally limited by two coaxially arranged ceramic cylinders by using a metal rod mounted coaxially with ceramic cylinders, by using a flexible metal plate (membrane), by fixing a flexible metal plate to the output of one of main electrodes, by fixing one end of a metal rod on a flexible plate.

Заявленное устройство показано на фиг. 1. Оно состоит из металлического цилиндрического кожуха 1, внутри которого коаксиально с ним расположены керамические цилиндры 2 и 3, образующие кольцевой разрядный промежуток 4. К торцам цилиндров 2 и 3 припаяны электроды 5 и 6, на рабочие части которых нанесено активное вещество. Цилиндры 2 и 3 и электроды 5 и 6 образуют объем, заполненный рабочим газом, например смесью аргона и водорода при давлении 5-20 Торр. К выводам электрода 6 приварена чашка 7, дно которой представляет собой мембрану, способную прогибаться под воздействием прикладываемых к ней усилий. На чашке 7 коаксиально с ней закреплена втулка 8, по оси которой выполнено отверстие с резьбой. Коаксиально с цилиндрами 2 и 3 установлен металлический стержень 9 с резьбой на конце для закрепления в отверстии втулки 8. Кожух 1 и вывод электрода 5 крепятся болтами 10 к металлической чашке 11 так, что между выводом электрода 5 и кожухом 1 обеспечивается надежный электрический контакт. На стержне 9 вблизи электрода 5 установлена втулка 12, выполненная из изоляционного материала. Она устанавливается в чашку 11 и ограничивает смещение стержня 9 в боковых направлениях, изолирует его от выводов электрода 5 и предохраняет чашку 7 от механических повреждений. На кожухе 1 закреплен стержень 13. Стержнями 9 и 13 устройство присоединяется к защищаемому объекту. В кожухе 1 коаксиально с ним установлен цилиндр 14, выполненный из изоляционного материала. Он предотвращает пробои между корпусом 1 и выводом электрода 6.The claimed device is shown in FIG. 1. It consists of a metal cylindrical casing 1, inside of which ceramic cylinders 2 and 3 are located coaxially with it, forming an annular discharge gap 4. Electrodes 5 and 6 are soldered to the ends of the cylinders 2 and 3, on the working parts of which the active substance is applied. Cylinders 2 and 3 and electrodes 5 and 6 form a volume filled with a working gas, for example, a mixture of argon and hydrogen at a pressure of 5-20 Torr. A cup 7 is welded to the conclusions of the electrode 6, the bottom of which is a membrane capable of bending under the influence of the forces applied to it. A sleeve 8 is fixed on the cup 7 coaxially with it, along the axis of which a threaded hole is made. Coaxially with cylinders 2 and 3, a metal rod 9 is installed with a thread on the end for fastening in the bore of the sleeve 8. The casing 1 and the terminal of the electrode 5 are bolted 10 to the metal cup 11 so that reliable electrical contact is ensured between the terminal of the electrode 5 and the casing 1. On the rod 9 near the electrode 5 is installed a sleeve 12 made of insulating material. It is installed in the cup 11 and limits the displacement of the rod 9 in the lateral directions, isolates it from the terminals of the electrode 5 and protects the cup 7 from mechanical damage. A rod 13 is fixed to the casing 1. The rods 9 and 13 attach the device to the protected object. In the casing 1, a cylinder 14 is made coaxially with it, made of insulating material. It prevents breakdowns between the housing 1 and the terminal of the electrode 6.

Устройство работает следующим образом.The device operates as follows.

Напряжение, возникающее на защищаемом объекте, через стержни 9 и 13, кожух 1, втулку 8 и чашку 7 подается на электроды 5 и 6. Когда оно достигает величины, достаточной для пробоя разрядного промежутка 4, между электродами 5 и 6 происходит разряд. Ток разряда идет по стержню 9 и создает вокруг него магнитное поле, направление силовых линий которого перпендикулярно направлению протекания тока в разряде. В результате проводимость газоразрядной плазмы в направлении протекания тока значительно снижается. Таким образом, происходит ограничение величины разрядного тока его собственным магнитным полем. Напряженность магнитного поля вокруг стержня 9 пропорционально величине разрядного тока и обратно пропорционально расстоянию до стержня 9. Оперируя диаметром стержня 9, диаметром и длиной разрядного промежутка 4 и давлением наполняющего газа, можно добиться, чтобы разрядный ток не превышал заданной величины.The voltage arising on the protected object through the rods 9 and 13, the casing 1, the sleeve 8 and the cup 7 is supplied to the electrodes 5 and 6. When it reaches a value sufficient to breakdown the discharge gap 4, a discharge occurs between the electrodes 5 and 6. The discharge current flows along the rod 9 and creates a magnetic field around it, the direction of the lines of force of which is perpendicular to the direction of current flow in the discharge. As a result, the conductivity of the gas-discharge plasma in the direction of current flow is significantly reduced. Thus, the discharge current is limited by its own magnetic field. The magnetic field around the rod 9 is proportional to the magnitude of the discharge current and inversely proportional to the distance to the rod 9. Using the diameter of the rod 9, the diameter and length of the discharge gap 4 and the pressure of the filling gas, it is possible to ensure that the discharge current does not exceed a predetermined value.

Кожух 1 защищает цилиндры 2 и 3 и выводы электродов 5 и 6 от воздействия влаги, пыли и других загрязняющих веществ. Чашка 7 соединяет электрод 6 со стержнем 9 и за счет гибкости донца снимает механические напряжения, возникающие в цилиндрах 2 и 3 и в стержне 9 вследствие их нагрева разрядом. Ограничение величины разрядного тока увеличивает долговечность устройства, а также снижает уровень помех, создаваемых мощными разрядами. Отношение внешнего диаметра внутреннего цилиндра 3 к внутреннему диаметру внешнего цилиндра 2 выбирают в пределах 0,7-0,9. При большей величине этого отношения разряд становится затрудненным. При меньшей величине этого отношения магнитное поле по радиусу разрядного промежутка будет существенно отличаться по величине.The casing 1 protects the cylinders 2 and 3 and the terminals of the electrodes 5 and 6 from moisture, dust and other contaminants. Cup 7 connects the electrode 6 to the rod 9 and, due to the flexibility of the bottom, relieves mechanical stresses arising in the cylinders 2 and 3 and in the rod 9 due to their heating by discharge. Limiting the amount of discharge current increases the durability of the device, and also reduces the level of interference created by powerful discharges. The ratio of the outer diameter of the inner cylinder 3 to the inner diameter of the outer cylinder 2 is chosen in the range of 0.7-0.9. With a larger value of this ratio, the discharge becomes difficult. With a smaller value of this ratio, the magnetic field along the radius of the discharge gap will differ significantly in magnitude.

Claims

A switching device comprising two electrodes separated by a discharge gap filled with a working gas, characterized in that the discharge gap is laterally bounded by two dielectric cylinders coaxially spaced relative to each other, with a metal rod mounted coaxially with one end fixed to a flexible metal plate fixed to the output of one of the electrodes, the ratio of the outer diameter of the inner dielectric cylinder to the inner diameter of the outer di The electrical cylinder is in the range 0.7-0.9.