RU2608825C2 - Spark discharger - Google Patents
Spark discharger Download PDFInfo
- Publication number
- RU2608825C2 RU2608825C2 RU2015123277A RU2015123277A RU2608825C2 RU 2608825 C2 RU2608825 C2 RU 2608825C2 RU 2015123277 A RU2015123277 A RU 2015123277A RU 2015123277 A RU2015123277 A RU 2015123277A RU 2608825 C2 RU2608825 C2 RU 2608825C2
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- insert
- dielectric
- hve
- breakdown
- spark gap
- Prior art date
Links
Images
Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01T—SPARK GAPS; OVERVOLTAGE ARRESTERS USING SPARK GAPS; SPARKING PLUGS; CORONA DEVICES; GENERATING IONS TO BE INTRODUCED INTO NON-ENCLOSED GASES
- H01T1/00—Details of spark gaps
Landscapes
- Thermistors And Varistors (AREA)
- Spark Plugs (AREA)
Abstract
Description
(i) Область техники(i) Technical Field
Изобретение относится к электронной технике, а более конкретно к вакуумным и газоразрядным приборам, в частности неуправляемым коммутационным разрядникам, предназначенным для коммутации сильноточных высоковольтных цепей различных импульсных устройств в широком диапазоне рабочих температур, в том числе систем зажигания авиационных двигателей, а также к защитным разрядникам, предназначенным для защиты аппаратуры от грозовых импульсов и других электромагнитных наводок.The invention relates to electronic equipment, and more particularly to vacuum and gas-discharge devices, in particular uncontrolled switching arresters, designed for switching high-current high-voltage circuits of various pulse devices in a wide range of operating temperatures, including ignition systems of aircraft engines, as well as protective arresters, designed to protect equipment from lightning impulses and other electromagnetic interference.
(ii) Предшествующий уровень техники(ii) Prior Art
Временная стабильность пробоя разрядного промежутка, статистическое время запаздывания пробоя, его разброс, статическое и динамическое напряжение пробоя являются основными параметрами искрового разрядника. Они определяются наличием облучения электродов и объема газа заряженными частицами, фотонами света, рентгеновскими, гамма- и космическими лучами, значением напряженности электрического поля, состоянием поверхности электродов и рядом других факторов. Почти все эти процессы, их интенсивность, носят случайный, вероятностный характер, что ведет к разбросу временных параметров разрядников, а также такого параметра, как напряжение первого пробоя (эффект первого импульса), превышающему на 50 и более процентов среднее значение напряжения пробоя. Для нормальной работы аппаратуры это требует повышения запаса напряжения источников питания, а соответственно, и рабочих напряжений конденсаторов, увеличения их массогабаритных параметров. В связи с этим такие разрядники неприемлемы для коммутации емкостных накопителей во многих применениях, особенно в системах зажигания авиационных двигателей.Temporary breakdown stability of the discharge gap, statistical breakdown delay time, its spread, static and dynamic breakdown voltage are the main parameters of the spark gap. They are determined by the presence of irradiation of the electrodes and the volume of gas by charged particles, light photons, x-ray, gamma and cosmic rays, the value of the electric field strength, the state of the surface of the electrodes and a number of other factors. Almost all of these processes, their intensity, are random, probabilistic in nature, which leads to a spread in the time parameters of the arresters, as well as such a parameter as the voltage of the first breakdown (the effect of the first pulse), which exceeds the average value of the breakdown voltage by 50 percent or more. For the normal operation of the equipment, this requires an increase in the supply of voltage of power sources, and, accordingly, of the operating voltages of capacitors, and an increase in their overall dimensions. In this regard, such arresters are unacceptable for switching capacitive storage in many applications, especially in aircraft engine ignition systems.
Для снижения напряжения первого пробоя и повышения стабильности работы разрядников создают искусственную предионизацию, например, за счет введения в прибор радиоактивных изотопов (Киселев Ю.В., Черепанов В.П. "Искровые разрядники", М.: "Советское радио", 1976, а также Киселев Ю.В., "Искровые разрядники", Рязань РРТИ, учебное пособие, 1989). Так, после введения дозы изотопа Ni63 с активностью 185⋅104 1/с (50 мкКи) среднеквадратичное отклонение напряжения первого пробоя σ уменьшается в 2 раза. Однако изотоп Ni63 вводится в виде твердых или жидких солей, опасен в экологическом плане и требует весьма строгих мер обращения, специальной утилизации, подвергает опасности заражения окружающей среды, что усложняет и удорожает производство разрядников,To reduce the voltage of the first breakdown and increase the stability of the arresters, they create artificial preionization, for example, by introducing radioactive isotopes into the device (Kiselev Yu.V., Cherepanov V.P. "Spark Dischargers", M .: "Soviet Radio", 1976, and also Kiselev Yu.V., "Spark arresters", Ryazan RRTI, study guide, 1989). Thus, after a dose of the Ni 63 isotope with an activity of 185 × 10 4 1 / s (50 μCi) is introduced, the standard deviation of the voltage of the first breakdown σ decreases by a factor of 2. However, the Ni 63 isotope is introduced in the form of solid or liquid salts, is environmentally hazardous and requires very strict handling measures, special disposal, endangers the environment, which complicates and increases the cost of production of arresters,
Известен искровой разрядник (Зорин A.M., Митрохина И.А. ГАЗОНАПОЛНЕННЫЙ РАЗРЯДНИК, Заявка: 2003107187/09 от 18.03.2003. Опубликовано: 20.08.2004), который содержит цилиндрический корпус с держателями электродов и газовое наполнение, состоящее из аргона и водорода. В наполнение введена добавка трития до значения 0,74±0,186 МБк (2±0,5 мкКи), обеспечивающая стабилизацию первого пробоя прибора. Тритий на первый взгляд не так опасен, как другие радиоактивные вещества, улетучиваясь в случае разгерметизации или разрушения разрядника, сравнительно быстро обеспечивает снижение уровня радиации в помещении до предельно допустимого. Однако этот изотоп имеет высокую стоимость, условия обращения с ним и утилизация также удорожают производство и эксплуатацию приборов, так как при попадании в организм (при вдыхании) он замещает водород в содержащих его молекулах и подвергает облучению ткани человека, что даже при малых дозах обеспечивает высокую вероятность получения онкологических заболеваний.Known spark gap (Zorin A.M., Mitrokhina IA GAS-FILLED DISCHARGE, Application: 2003107187/09 of 03/18/2003. Published: 08/20/2004), which contains a cylindrical body with electrode holders and a gas filling, consisting of argon and hydrogen. The tritium additive was added to the filling to a value of 0.74 ± 0.186 MBq (2 ± 0.5 μCi), which ensures stabilization of the first breakdown of the device. Tritium at first glance is not as dangerous as other radioactive substances, evaporating in the event of depressurization or destruction of the arrester, relatively quickly reduces the level of radiation in the room to the maximum permissible level. However, this isotope has a high cost, the conditions for its handling and disposal also increase the cost of production and operation of devices, since when it enters the body (by inhalation) it replaces hydrogen in the molecules containing it and irradiates human tissue, which even at low doses provides high the likelihood of cancer.
С этой же целью предложен разрядник (Арефьев А.С., Анисимов В.Ф., Киселев Ю.В., РАЗРЯДНИК, RU 2227951 С2, от 15.06.2001), содержащий не менее двух электродов, образующих с изоляционным корпусом вакуумно-плотную оболочку и, по меньшей мере, один инициатор пробоя, который совместно с элементами сопротивления образует электрическую цепь, включенную параллельно основным электродам разрядника, отличающийся тем, что инициатор пробоя выполнен на дополнительной вставке, расположенной в зоне основного разрядного промежутка и проходящей через углубление или центральное отверстие хотя бы в одном из основных электродов, в качестве элементов сопротивления использованы активные и/или реактивные элементы, а зазор между вставкой и основным электродом не превышает междуэлектродного расстояния.For this purpose, a spark gap has been proposed (Arefyev A.S., Anisimov V.F., Kiselev Yu.V., DISTRIBUTION, RU 2227951 C2, dated June 15, 2001) containing at least two electrodes that form a vacuum tight with an insulating casing a shell and at least one breakdown initiator, which together with resistance elements forms an electric circuit connected in parallel with the main electrodes of the spark gap, characterized in that the breakdown initiator is made on an additional insert located in the zone of the main discharge gap and passing through a recess or The neutral hole in at least one of the main electrodes uses active and / or reactive elements as resistance elements, and the gap between the insert and the main electrode does not exceed the interelectrode distance.
Такой разрядник предназначен для цепей с малыми разрядными токами и малыми напряжениями пробоя, так как при включенном в параллель основным электродам инициаторе пробоя из-за быстрого напыления из разряда проводящих пленок на поверхности инициатора и элементов сопротивления возникает короткое замыкание высоковольтных электродов, низка стабильность его характеристик, мал срок службы. Недостатком является также большая величина проходной емкости, образованной проводящей (или полупроводящей) вставкой и основными электродами.Such a spark gap is designed for circuits with low discharge currents and low breakdown voltages, since when the breakdown initiator is connected to the main electrodes in parallel, due to the rapid deposition of conductive films from the discharge on the surface of the initiator and resistance elements, a short circuit of high-voltage electrodes occurs, its characteristics are low, short service life. The disadvantage is the large size of the passage capacitance formed by a conductive (or semi-conductive) insert and the main electrodes.
Известен также искровой разрядник (Патент на полезную модель РФ №108224), содержащий изолятор, фиксирующий высоковольтные электроды (ВЭ), разделенные разрядным промежутком, а также дополнительный элемент, соединенный с основным ВЭ, отличающийся тем, что дополнительный элемент располагается, по крайней мере, в одном из ВЭ и представляет собой вставку (В), прилегающую к поверхности ВЭ, обращенной к противоположному ВЭ, и выполненную из материала, имеющего физические свойства, например характер диэлектрической проницаемости или проводимости, отличные от свойств основного материала ВЭ, в частности, из полупроводника или диэлектрика.Also known is a spark gap (Patent for a utility model of the Russian Federation No. 108224) containing an insulator fixing high-voltage electrodes (VE) separated by a discharge gap, as well as an additional element connected to the main VE, characterized in that the additional element is located at least in one of the CEs and is an insert (B) adjacent to the surface of the CEs facing the opposite CE and made of a material having physical properties, for example, the nature of the dielectric constant or conductivity, o different from the properties of the main material of REs, in particular, from a semiconductor or dielectric.
Такая конструкция дает эффект только при надежном контакте ВЭ с В и поэтому требует для обеспечения стабильности параметров приборов очень точной подгонки размеров ВЭ и вставки, что сложно и дорого выполнить в процессе серийного производства. Кроме того, практически невозможно обеспечить равенство коэффициентов расширения вставки и ВЭ так, чтобы между вставкой и ВЭ при изготовлении, например после пайки прибора (нагрев от комнатной температуры до 800-1000°С), оставался бы плотный контакт. К тому же при циклической работе разрядника, определяющей колебания его температуры от значений окружающей среды минус 60°С до нагрева электродов за счет потерь в разряде достигающей +600°С, из-за разности коэффициентов линейного расширения сопрягаемых элементов возникают механические напряжения, приводящие к разрушению вставки.This design gives an effect only with reliable contact between the RE and B and therefore requires very precise fitting of the sizes of the RE and the insert to ensure the stability of the parameters of the devices, which is difficult and expensive to perform in the process of mass production. In addition, it is practically impossible to ensure the equality of the expansion coefficients of the insert and the HE so that between the insert and the HE in the manufacture, for example, after soldering the device (heating from room temperature to 800-1000 ° C), a tight contact would remain. In addition, during the cyclic operation of the spark gap, which determines the temperature fluctuations from the ambient temperature of minus 60 ° С to the heating of the electrodes due to losses in the discharge reaching + 600 ° С, mechanical stresses arise due to the difference in the linear expansion coefficients of the mating elements, leading to destruction insertion.
Наиболее близким техническим решением к предлагаемому изобретению является разрядник с элементом инициирования пробоя, представляющим собой вставку из твердого диэлектрика, в частности из полиэтилена, расположенную на торце одного из высоковольтных электродов (ВЭ), обращенном к противоположному ВЭ (SU 738021 A1, НИИВН при Томском политехническом институте, 30.05.1980), причем диэлектрическая проницаемость вставки выбрана отличающейся от диэлектрической проницаемости жидкой среды, в которую помещены высоковольтные электроды.The closest technical solution to the proposed invention is a spark gap with a breakdown initiation element, which is an insert made of a solid dielectric, in particular polyethylene, located at the end of one of the high-voltage electrodes (VE) facing the opposite VE (SU 738021 A1, NIIVN at Tomsk Polytechnic Institute, 05/30/1980), and the dielectric constant of the insert is chosen different from the dielectric constant of the liquid medium in which the high-voltage electrodes are placed.
Выбор эластичного материала (полиэтилена) обеспечивает точную подгонку без зазоров и надежный контакт между вставкой и ВЭ в патентованной конструкции, не требующей вакуумной высокотемпературной обработки прибора. Данный разрядник предназначен для работы в условиях рабочих температур не выше 80°С и помещения ВЭ в жидкий диэлектрик, что обеспечивает охлаждение и постоянную смену диэлектрической среды при прокачке жидкости через рабочий промежуток и ее очистку на внешних фильтрах.The choice of an elastic material (polyethylene) provides an accurate fit without gaps and reliable contact between the insert and the CE in a patented design that does not require vacuum high-temperature processing of the device. This arrester is designed to operate at operating temperatures of no higher than 80 ° C and placing renewable energy in a liquid dielectric, which provides cooling and constant change of the dielectric medium when pumping the liquid through the working interval and its cleaning on external filters.
Недостатком конструкции ее является сложность, громоздкость, невысокая временная стабильность, низкая частота коммутации (менее 1 Гц), малый срок службы. Такую конструкцию невозможно использовать при изготовлении по вакуумной технологии компактных отпаянных приборов, предназначенных для длительной коммутации больших значений заряда (более 0,01 Кл) в газовой среде или в вакууме, которые выбираются в большей части применений разрядников. Вакуумная технология предполагает для достижения чистоты газовой рабочей среды и обеспечения стабильного давления этой среды на сроке службы нагрев приборов (до 850-1080°С при пайке прибора и до 500°С при обезгаживании на откачном посту) перед наполнением рабочими газами. Все известные пластики не выдерживают без плавления такие температуры.The design drawback is its complexity, cumbersomeness, low temporal stability, low switching frequency (less than 1 Hz), short service life. This design cannot be used in the manufacture of vacuum sealed compact devices designed for long-term switching of large charge values (more than 0.01 C) in a gaseous medium or in a vacuum, which are chosen in most applications of arresters. Vacuum technology assumes to achieve the purity of the gas working medium and to ensure stable pressure of this medium during the service life of the devices (up to 850-1080 ° С when soldering the device and up to 500 ° С when degassing at the pumping station) before filling with working gases. All known plastics cannot withstand such temperatures without melting.
В связи с этим в отпаянных приборах используется не органический, а минеральный диэлектрик, например высокоглиноземистая керамика, которая обладает большей термостойкостью и позволяет вести ее высокотемпературную обработку для получения стабильного газового состава.In this regard, sealed devices use not an organic, but a mineral dielectric, for example, high-alumina ceramics, which have greater heat resistance and allow its high-temperature processing to produce a stable gas composition.
(iii) Раскрытие изобретения(iii) Disclosure of the invention
Задачей изобретения является создание неуправляемого, отпаянного и малогабаритного искрового коммутационного разрядника с высокой электрической прочностью, долговечностью, малым разбросом по амплитуде напряжения пробоя в различные моменты времени коммутации (в т.ч. напряжения первого пробоя), с высокой временной стабильностью коммутируемых импульсов тока, а также с технологически простой, экологически чистой конструкцией без применения радиоактивных изотопов.The objective of the invention is the creation of uncontrolled, sealed and small-sized spark switching spark gap with high electric strength, durability, small variation in the amplitude of the breakdown voltage at various times of switching time (including the voltage of the first breakdown), with high temporal stability of switched current pulses, and also with a technologically simple, environmentally friendly design without the use of radioactive isotopes.
Это достигается тем, что в искровом разряднике, содержащем изолятор, фиксирующий разделенные разрядным промежутком высоковольтные электроды (ВЭ), а также расположенный, по крайней мере, в одном из ВЭ на его поверхности, например в проточке, обращенной к противоположному ВЭ, элемент инициирования пробоя (ЭИП), выполненный в виде вставки из твердого материала, имеющего физические свойства, например характер диэлектрической проницаемости или проводимости, отличные от свойств основного материала ВЭ, при этом элемент инициирования пробоя отделен от ВЭ промежуточным слоем, заглубленным в ВЭ не менее чем на 10 нм и толщиной не менее 10 нм, состоящим из высокотемпературного полупроводника или диэлектрика с пористой структурой и/или порошкообразного либо упругого металлического наполнителя, обеспечивающих многоточечный контакт этих элементов.This is achieved by the fact that in the spark gap containing an insulator fixing high-voltage electrodes (VE) separated by a discharge gap, and also located in at least one of the VE on its surface, for example, in a groove facing the opposite VE, a breakdown initiation element (EIT), made in the form of an insert made of a solid material having physical properties, for example, the nature of the dielectric constant or conductivity, different from the properties of the main material of the SE, while the element of breakdown initiation flax from CEs intermediate layer, a RE recessed not less than 10 nm and not thicker than 10 nm, consisting of high-temperature semiconductor or dielectric having a porous structure and / or particulate filler or a resilient metal, providing multipoint contact these elements.
Другим отличием является то, что промежуточный элемент (слой), обеспечивающий многоточечный контакт с ВЭ, выполнен в виде композиционного материала, состоящего из металлической (поликристаллической), полупроводящей либо диэлектрической основы с пористостью не менее 20%, смешанной с инородным материалом, например при основе, выполненной из металлического спеченного порошка, поры между частицами порошка заполняются диэлектрическим или полупроводящим веществом и, наоборот, при основе, выполненной из диэлектрического порошка, поры между частицами его заполняются металлическим или полупроводящим веществом.Another difference is that the intermediate element (layer) providing multipoint contact with the RE is made in the form of a composite material consisting of a metal (polycrystalline), semiconducting or dielectric base with a porosity of at least 20% mixed with a foreign material, for example, with made of sintered metal powder, the pores between the powder particles are filled with a dielectric or semiconducting substance, and, conversely, with a base made of dielectric powder, the pores between it is filled with metal or a semiconducting substance.
Третьим отличием является то, что в промежуточном элементе (слое) использован волокнистый материал либо в виде коротких отрезков в качестве заполнителя в основном материале, либо обернутый вокруг вставки в один или несколько слоев промежуточный слой, например, из кварцевого или углеродных волокон, фуллеренов либо графенов.The third difference is that the intermediate element (layer) uses fibrous material either in the form of short segments as a filler in the main material or an intermediate layer wrapped around the insert in one or several layers, for example, of quartz or carbon fibers, fullerenes or graphenes .
Четвертым отличием является выполнение ВЭ в его проточке с неметаллической поверхностью (например, путем окисления, анодирования, азотирования, фосфатирования), которая заполняется материалом промежуточного элемента.The fourth difference is the performance of renewable energy in its groove with a non-metallic surface (for example, by oxidation, anodizing, nitriding, phosphating), which is filled with the material of the intermediate element.
Пятым отличием является выполнение промежуточного элемента в виде упругого, пружинящего элемента, вставленного в промежуток между ВЭ и вставкой.The fifth difference is the implementation of the intermediate element in the form of an elastic, spring element inserted in the gap between the CE and the insert.
(iv) Предпочтительные примеры осуществления изобретения и краткое описание чертежей(iv) Preferred Embodiments and Brief Description of the Drawings
Возможные варианты осуществления предлагаемого изобретения поясняются чертежами.Possible embodiments of the invention are illustrated by drawings.
На фигуре 1 показан общий вид конструкции искрового разрядника, на фигуре 2 дан укрупненный чертеж электрода 2 со вставкой и промежуточным слоем.The figure 1 shows a General view of the design of the spark gap, figure 2 is an enlarged drawing of the
Искровой разрядник содержит высоковольтные электроды ВЭ (1 и 2), разделенные изолятором 3 и разрядным промежутком 4, а также элемент инициирования пробоя (ЭИП) - вставку (В) 5 в проточке (углублении) ВЭ 2 на поверхности, обращенной к противоположному ВЭ 1. Между вставкой 5 и электродом 2 пространство проточки заполняется промежуточным элементом (ПЭ) 6. Высоковольтные электроды выполняются из проводящего материала с высокой стойкостью к эрозии, например вольфрама или композиции вольфрам-медь, вольфрам-никель с добавками эмиссионно-активных элементов (барий, лантан) их окислов или солей, а вставка - из материала, имеющего физические свойства, диэлектрическую проницаемость, и/или проводимость, отличные от свойств основного материала ВЭ, в частности, из полупроводника или диэлектрика. Откачка и наполнение производится через штенгель 7, который после вакуумной обработки (и, если требуется, наполнения рабочим газом) перекусывается, при этом за счет холодной сварки прибор герметизируется.The spark gap contains high-voltage electrodes of the CE (1 and 2), separated by an insulator 3 and a
При подаче напряжения на высоковольтные электроды в местах контакта разнородных материалов (фигура 3А) возникают эффекты, способствующие развитию пробоя между ВЭ 1 и ВЭ 2. Так, в случае вставки из диэлектрика - в местах контактов с ВЭ происходит усиление напряженности электрического поля, величина которого зависит от значения диэлектрической проницаемости ε вставки и коэффициента формы поверхностного слоя ВЭ β. Коэффициент β, например, при наличии микроострий (микровыступов) на ВЭ 2, приблизительно определяется соотношением длины к среднему диаметру микроострия. На острие, расположенном в зоне действия электрического поля, в зависимости от значения β напряженность поля может увеличиваться от единиц до десятков раз. При отсутствии контакта между проводником и диэлектриком с вакуумным или заполненным газом зазором (диэлектрическая проницаемость газа εг≈εвакуума=1) электрическое поле между ВЭ и вставкой, например, вблизи микроострий 8 будет пропорционально εгβ, а в контакте между выступами 9 и вставкой 5 - увеличится пропорционально произведению εβ, что на несколько порядков больше (ε - диэлектрическая проницаемость вставки, которая может достигать десятков тысяч единиц) и пробой происходит при меньших рабочих напряжениях. Однако при расположении вдали от поверхности поле может быть существенно снижено вплоть до нуля и поэтому такой контакт должен находиться вблизи поверхности.When voltage is applied to high-voltage electrodes at the contact points of dissimilar materials (Figure 3A), effects arise that contribute to the development of breakdown between
Таким образом, для обеспечения эффективной работы вставки при выполнении электродов разрядника без ПЭ приходится выполнять ее плотный контакт с ВЭ либо использовать сам материал вставки из эластичного вещества как в прототипе. В реальных условиях производства это практически невозможно обеспечить. Ведь чтобы оставался плотный контакт требуется обеспечить равенство коэффициентов расширения вставки и ВЭ, что нереально, и при изготовлении, например, после пайки прибора (нагрев от комнатной температуры до 800-1100°С) между вставкой и ВЭ возникает либо механическое напряжение, разрушающее вставку, либо увеличивается зазор. Это усугубляется при циклической работе разрядника, определяющей колебания его температуры от значений окружающей среды минус 60°С до нагрева за счет потерь в разряде, достигающей +600°С, из-за разности коэффициентов линейного расширения сопрягаемых элементов возникают механические напряжения, приводящие к разрушению вставки.Thus, to ensure the effective operation of the insert when performing the electrodes of the arrester without PE, it is necessary to make close contact with the cell or to use the material of the insert from an elastic substance as in the prototype. In real production conditions, it is almost impossible to provide. Indeed, in order to maintain tight contact, it is necessary to ensure the equality of the expansion coefficients of the insert and the CE, which is unrealistic, and during manufacture, for example, after soldering the device (heating from room temperature to 800-1100 ° C), either mechanical stress arises between the insert and the CE, destroying the insert, or the clearance increases. This is exacerbated by the cyclic operation of the arrester, which determines the temperature fluctuations from the ambient temperature of minus 60 ° С to heating due to losses in the discharge reaching + 600 ° С, due to the difference in the linear expansion coefficients of the mating elements, mechanical stresses arise, leading to destruction of the insert .
Контактирующие элементы "диэлектрик-электрод" (вставка-ВЭ) должны располагаться в приповерхностном слое со стороны высоковольтного промежутка 4 преимущественно в направлении поля, а не поперек его. В таком случае эффективность вставки (ее поляризация) резко увеличивается. Однако при сопряжении вставки с электродом даже строго по образующим эффективность низка, т.к. случай расположения "диэлектрик над электродом" маловероятен, тем более в микромасшабах. Выполнение диэлектрического элемента в виде пленки на электроде возможно, но такая пленка при работе быстро сбивается разрядом. Лучшим вариантом является помещение (заливка) материала ПЭ в щель между электродом и вставкой, когда вероятность эффективного расположения возрастает. Некоторая заглубленность ПЭ снижает возможность горения основного разряда из щели, так как после инициирования эмиссии, учитывая работу разрядника на правой ветви кривой Пашена, разряду энергетически выгодней гореть по короткому пути ВЭ 1-ВЭ 2. При этом снижается вероятность сбивания разрядом и испарения материала промежуточного элемента, повышается стабильность пробоя.The contacting elements "dielectric-electrode" (insert-VE) should be located in the near-surface layer from the side of the high-
На фиг. 3 показана в увеличенном виде реальная картина сопрягаемых поверхностей в зазоре между ВЭ 2 и вставкой (В) 5 при обычной конструкции вставки (А) и с заполнением (Б) массой промежуточного элемента ПЭ 6. Стрелками обозначено направление электрического поля Ε между ВЭ 1 и ВЭ 2. В известной конструкции (фиг. 3А) без ПЭ невозможно (или маловероятно) добиться контакта ВЭ 2 и В вблизи поверхности (например, выступов 10 и 8), так как более вероятно что где-то на глубине среди множества выступов имеется выступ 9, препятствующий сближению ВЭ и В. В конструкции фигуры 3Б выступ 9 не мешает, т.к. заливка ПЭ 6 вблизи поверхности ВЭ и В с большой вероятностью обеспечит контакт с эффективным расположением диэлектрика 11 над выступом 8 ВЭ 2. Так как напряженность поля резко убывает при заглублении от поверхности ВЭ и В, то места контактов в глубине электрода (например 9), не будут оказывать влияние на инициирование пробоя. Рабочим будет в этом случае приповерхностный слой.In FIG. 3 shows an enlarged view of the real picture of the mating surfaces in the gap between the
В контакте между ПЭ 6 и выступом 8, расположенным вблизи поверхности (фигура 3Б), напряженность электрического поля увеличится пропорционально произведению εβ, что на несколько порядков больше, чем без такого контакта (ε - диэлектрическая проницаемость материала ПЭ, которая может достигать десятков тысяч единиц) и пробой происходит при меньших рабочих напряжениях.In the contact between
В такой конструкции, кроме вышеуказанного усиления поля, из p-n перехода в контакте ВЭ и ПЭ возникает фото- и электронная эмиссии, также способствующая инициированию разряда.In this design, in addition to the above field amplification, photo- and electron emission arise from the pn junction in the contact between the SE and PE, which also contributes to the initiation of the discharge.
В данном решении между ВЭ и вставкой вводится промежуточный элемент 6 (ПЭ). Наиболее эффективна заливка ПЭ с пористой структурой на основе окиси алюминия Αl2Ο3, окиси магния MgO, титаната бария или их смесей. Наличие ПЭ и выбранная его толщина определяет отсутствие жесткого контакта ВЭ и вставки. Промежуточный элемент в такой конструкции демпфирует механические напряжения и, в то же время, обеспечивает эмиссионные явления, надежно зажигающие разряд.In this solution, an intermediate element 6 (PE) is introduced between the CE and the insert. The most effective is pouring PE with a porous structure based on aluminum oxide Αl 2 2 3 , magnesium oxide MgO, barium titanate, or mixtures thereof. The presence of PE and its selected thickness determines the absence of hard contact between the RE and the insert. An intermediate element in this design dampens mechanical stresses and, at the same time, provides emission phenomena that reliably ignite the discharge.
При этом можно не добиваться высокой точности изготовления сопрягающихся деталей, и, более того, становится возможным выполнять их с развитой (шероховатой) поверхностью, что увеличивает число контактирующих точек, задействует в процесс инициирования разряда не только поверхность, но и некоторый приповерхностный объем этих деталей. Это снижает себестоимость изготовления и повышает ресурс прибора.At the same time, it is possible not to achieve high accuracy in the manufacture of mating parts, and, moreover, it becomes possible to execute them with a developed (rough) surface, which increases the number of contacting points and involves not only the surface, but also some near-surface volume of these parts in the process of initiating the discharge. This reduces the cost of manufacturing and increases the resource of the device.
Важно, что вставка 5 на поверхности ВЭ, обращенной к противоположному ВЭ, выполняется таким образом, что отделена от ВЭ промежуточным элементом 6 толщиной не менее 10 нм с многоточечными контактами этих элементов. Размер толщины ПЭ обеспечивает смягчение механических напряжений между ВЭ и вставкой при колебаниях температур, а также эмиссию и выход носителей заряда или квантов в межэлектродное пространство. Величина 10 нм соответствует пороговой длине волны мягкого рентгеновского излучения, которое реально имеет место в разрядных явлениях, обеспечивая предионизацию газа в приборе.It is important that the
Предлагаемая конструкция ведет к стабилизации пробивного напряжения и устранению эффекта первого пробоя.The proposed design leads to stabilization of the breakdown voltage and the elimination of the effect of the first breakdown.
Промежуточный слой, обеспечивающий многоточечный контакт с ВЭ, может также быть выполнен в виде композиционного материала, состоящего из металлической (поликристаллической), полупроводящей либо диэлектрической основы с пористостью не менее 20%, смешанной с инородным материалом. При основе, выполненной из металлического спеченного порошка, поры между частицами порошка заполняются диэлектрическим или полупроводящим веществом либо эмиссионно-активном веществом с малой работой выхода и, наоборот, при основе, выполненной из диэлектрического порошка, поры между его частицами заполняются металлическим или полупроводящим веществом.The intermediate layer, providing multi-point contact with the SE, can also be made in the form of a composite material consisting of a metal (polycrystalline), semiconducting or dielectric base with a porosity of at least 20% mixed with a foreign material. In a base made of sintered metal powder, the pores between the powder particles are filled with a dielectric or semiconducting substance or an emission-active substance with a small work function and, conversely, in a base made of dielectric powder, the pores between its particles are filled with a metal or semiconducting substance.
Шероховатость сопрягаемых поверхностей ВЭ и ПЭ, создающая развитую поверхность контактов, обеспечивается при наличии их поликристаллической структуры либо спекания порошков из этих материалов с заданной зернистостью.The roughness of the mating surfaces of CE and PE, which creates a developed contact surface, is ensured by the presence of their polycrystalline structure or sintering of powders from these materials with a given grain size.
В случае использования полупроводящего материала ПЭ рекомендуется широкозонный полупроводник типа карбида кремния, который обеспечивает работоспособность разрядника в силу меньшей зависимости от температуры при существенно более высоких температурах рабочей среды (до 500°С и более) и больших частотах следования импульсов. Его нелинейная (варисторная) вольтамперная характеристика обеспечивается при вставке, выполненной в виде композиционной пористой (поликристаллической) полупроводящей основы, промежутки (зазоры между кристаллами) которой заполнены диэлектрическим материалом. Такая конструкция обеспечивает обострение фронта импульса тока и большую, чем у диэлектрической вставки, эрозионную стойкость.In the case of using a semiconductor PE material, a wide-gap semiconductor such as silicon carbide is recommended, which ensures the performance of the arrester due to its lower temperature dependence at significantly higher temperatures of the working medium (up to 500 ° C and more) and high pulse repetition rates. Its non-linear (varistor) current-voltage characteristic is ensured by an insert made in the form of a composite porous (polycrystalline) semiconductor base, the gaps (gaps between crystals) of which are filled with dielectric material. This design provides a sharpening of the front of the current pulse and greater erosion resistance than that of the dielectric insert.
В промежуточном слое 6 может быть использован волокнистый материал (например, кварцевое волокно) либо в виде коротких отрезков в качестве заполнителя в основном материале, либо обернутый вокруг вставки 5 в один или несколько слоев, но общей толщиной менее внутреннего диаметра ВЭ 2, в который помещена вставка. Вариантом может быть промежуточный слой из проводящих углеродных волокон (фуллеренов), а также графенов. При изготовлении ВЭ такой промежуточный слой предварительно наматывается на вставку, смазанную органическим биндером либо диэлектрической пастой, и затем вставляется в проточку в ВЭ. После термической обработки волокна, расправляясь, также образуют многоточечные контакты.In the
Одним из вариантов предлагаемой конструкции является выполнение проточки в ВЭ с неметаллической внутренней поверхностью (например, путем ее окисления, анодирования, азотирования, фосфатирования), что эквивалентно изготовлению тонкой диэлектрической или полупроводящей вставки. Проточка заполняется материалом промежуточного элемента. Такой процесс необходим для обеспечения надежного сцепления ПЭ с ВЭ, так как ВЭ с чисто металлической поверхностью не создает прочного соединения с ПЭ, который высыпается из проточки. Эта конструкция особенно подходит для миниатюрных разрядников.One of the options of the proposed design is the implementation of grooves in the CE with a nonmetallic inner surface (for example, by oxidizing, anodizing, nitriding, phosphating), which is equivalent to the manufacture of a thin dielectric or semiconducting insert. The groove is filled with the material of the intermediate element. Such a process is necessary to ensure reliable adhesion of PE to VE, since VE with a purely metal surface does not create a strong connection with PE, which spills out of the groove. This design is especially suitable for miniature arresters.
Выполнение промежуточного элемента в виде упругого пружинящего элемента, вставленного в промежуток между ВЭ и вставкой, обеспечивает надежный контакт между ними. Материал ПЭ при этом должен быть не подвержен отжигу при температурах обработки прибора. Для этого подходят высокотемпературные металлы: молибден, вольфрам, молибден-рениевые сплавы и пр. в виде полоски, проволоки. Для увеличения контактирующей поверхности (увеличения точек контакта) ПЭ можно покрыть синтерирующим слоем из металлического порошка (например, никеля или молибдена), спеченного с ПЭ. Такая конструкция устраняет недостатки компактного материала ВЭ при температурных колебаниях, оставляя постоянным контакт с вставкой.The implementation of the intermediate element in the form of an elastic spring element inserted in the gap between the CE and the insert provides reliable contact between them. In this case, the PE material should not be subject to annealing at the processing temperatures of the device. High-temperature metals are suitable for this: molybdenum, tungsten, molybdenum-rhenium alloys, etc. in the form of strips, wires. To increase the contacting surface (increase the contact points), PE can be coated with a sintering layer of metal powder (for example, nickel or molybdenum) sintered with PE. This design eliminates the shortcomings of the compact HE material during temperature fluctuations, leaving constant contact with the insert.
Прибор может быть вакуумным или наполняться газом (водородом, азотом, аргоном или двуокисью углерода) при давлении более 0,1 атм для обеспечения высоких пробивных напряжений на правой ветви кривой Пашена.The device can be vacuum or filled with gas (hydrogen, nitrogen, argon or carbon dioxide) at a pressure of more than 0.1 atm to ensure high breakdown voltages on the right branch of the Paschen curve.
Разрядник данной конструкции испытывался в нескольких режимах - при рабочем напряжении 2 кВ, импульсных токах до 1 кА, коммутируемой емкости 1 мкФ, при частоте следования до 600 Гц, а также 4 кВ, 7 мкФ, токе до 10 кА. При этом устраняется эффект первого пробоя у 98% приборов (в случае конструкции разрядника без промежуточного слоя эффект первого пробоя наблюдается не менее чем у 45% приборов), обеспечивается нестабильность напряжения пробоя менее 5%, и сроки службы около 10 млн срабатываний, во втором режиме - до 1 млн импульсов. Данный разрядник обеспечивает стабильную коммутацию в широком диапазоне температур от -60 до +300°С.The arrester of this design was tested in several modes - with an operating voltage of 2 kV, pulse currents of up to 1 kA, switched capacitance of 1 μF, with a repetition rate of up to 600 Hz, as well as 4 kV, 7 μF, current up to 10 kA. This eliminates the effect of the first breakdown in 98% of devices (in the case of a spark gap design without an intermediate layer, the effect of the first breakdown is observed in at least 45% of devices), the instability of the breakdown voltage is less than 5%, and the service life is about 10 million operations, in the second mode - up to 1 million pulses. This spark gap provides stable switching in a wide temperature range from -60 to + 300 ° С.
Claims (5)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2015123277A RU2608825C2 (en) | 2015-06-17 | 2015-06-17 | Spark discharger |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2015123277A RU2608825C2 (en) | 2015-06-17 | 2015-06-17 | Spark discharger |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2015123277A RU2015123277A (en) | 2017-01-10 |
RU2608825C2 true RU2608825C2 (en) | 2017-01-25 |
Family
ID=57955789
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2015123277A RU2608825C2 (en) | 2015-06-17 | 2015-06-17 | Spark discharger |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2608825C2 (en) |
Families Citing this family (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN117313619B (en) * | 2023-10-09 | 2024-04-19 | 北京航空航天大学 | Analysis method for influence of frequency on atmospheric pressure low-frequency spark discharge characteristics |
Citations (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
SU738021A1 (en) * | 1977-04-04 | 1980-05-30 | Научно-Исследовательский Институт Высоких Напряжений При Томском Ордена Октябрьской Революции И Ордена Трудового Красного Знамени Политехническом Институте Им.С.М. Кирова | Spark discharger |
RU2227951C2 (en) * | 2001-06-15 | 2004-04-27 | Рязанская государственная радиотехническая академия | Discharger |
RU108224U1 (en) * | 2009-11-09 | 2011-09-10 | Виктор Дмитриевич Бочков | SPARK DISCHARGE |
RU143137U1 (en) * | 2014-03-04 | 2014-07-20 | Федеральное государственное унитарное предприятие "Всероссийский научно-исследовательский институт автоматики им. Н.Л. Духова" (ФГУП "ВНИИА") | CONTROLLED VACUUM DISCHARGE |
-
2015
- 2015-06-17 RU RU2015123277A patent/RU2608825C2/en active
Patent Citations (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
SU738021A1 (en) * | 1977-04-04 | 1980-05-30 | Научно-Исследовательский Институт Высоких Напряжений При Томском Ордена Октябрьской Революции И Ордена Трудового Красного Знамени Политехническом Институте Им.С.М. Кирова | Spark discharger |
RU2227951C2 (en) * | 2001-06-15 | 2004-04-27 | Рязанская государственная радиотехническая академия | Discharger |
RU108224U1 (en) * | 2009-11-09 | 2011-09-10 | Виктор Дмитриевич Бочков | SPARK DISCHARGE |
RU143137U1 (en) * | 2014-03-04 | 2014-07-20 | Федеральное государственное унитарное предприятие "Всероссийский научно-исследовательский институт автоматики им. Н.Л. Духова" (ФГУП "ВНИИА") | CONTROLLED VACUUM DISCHARGE |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
RU2015123277A (en) | 2017-01-10 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
Rajović et al. | Influence of ${\rm SF} _ {6}\hbox {--}{\rm N} _ {2} $ Gas Mixture Parameters on the Effective Breakdown Temperature of the Free Electron Gas | |
RU2608825C2 (en) | Spark discharger | |
Bokhan et al. | A high-voltage subnanosecond sharpener based on a combination of ‘open’and capillary discharges | |
Žumer et al. | Breakdown voltage reliability improvement in gas-discharge tube surge protectors employing graphite field emitters | |
RU108224U1 (en) | SPARK DISCHARGE | |
KR20050121210A (en) | Discharge tube and surge absorbing device | |
Osmokrovic et al. | Investigation of the optimal method for improvement of the protective characteristics of gas-filled surge arresters-with/without the built-in radioactive sources | |
US1930088A (en) | Electrical discharge device | |
Simon et al. | Application of the gas-discharge surge arresters in X-ray devices and low voltage instrumentation | |
Loncar et al. | Influence of gamma and X radiation on gas-filled surge arrester characteristics | |
Kovalchuk et al. | Stability of triggering of the switch with sharply non-uniform electric field at the electrode with negative potential | |
Mitea et al. | Generation of microdischarges in diamond substrates | |
US20070297479A1 (en) | Triggered spark gap | |
US20180274448A1 (en) | Spark gap assembly with non-radioactive gas fill | |
Ramakrishna et al. | Two‐dimensional analysis of electrical breakdown in a nonuniform gap between a wire and a plane | |
Kozlov et al. | Formation of the voltage pulses up to 400 kilovolts with front pulse less than 10 nanoseconds | |
Nedić et al. | A Three-electrode gas arrester for low voltage isolation coordination | |
Baksht et al. | Study of the optical properties of a pulse-periodic high-pressure cesium discharge | |
Zhang et al. | A miniaturized surface flash triggered vacuum switch with low trigger delay time and high working life | |
Rozman et al. | Operation of GDT with metal body desigend for high current surges | |
JP3156065U (en) | Surge absorber | |
US11329480B1 (en) | Series static spark gap for EMP protection | |
Cai et al. | Study of characteristics and performance optimization of a three-electrode spark gap | |
US2892964A (en) | Ionic discharge devices | |
US20180158560A1 (en) | Nuclear radiation thermoelectron engine |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
QB4A | Licence on use of patent |
Free format text: LICENCE FORMERLY AGREED ON 20180122 Effective date: 20180122 |