SU1757001A1

SU1757001A1 - Controlled switching tube

Info

Publication number: SU1757001A1
Application number: SU904822250A
Authority: SU
Inventors: Владимир Игоревич Модзолевский
Original assignee: Государственный Научно-Исследовательский Энергетический Институт Им.Г.М.Кржижановского
Priority date: 1990-02-20
Filing date: 1990-02-20
Publication date: 1992-08-23

Abstract

Использование: в высоковольтной импульсной технике дл генерации больших импульсных токов. Сущность изобретени , первый основной электрод выполнен в виде плоского диска со сферическим центральным выступом, а второй основной электрод - в виде полого усеченного конуса с зеркаль- ной внутренней поверхностью. Икицирую щий электрод выполнен в виде диска, образующего инициирующий искровой промежуток с первым основным электродом . 1 ил.Usage: in high-voltage impulse technology for generating high impulse currents. The invention, the first main electrode is made in the form of a flat disk with a spherical central protrusion, and the second main electrode is made in the form of a hollow truncated cone with a mirror inner surface. The initiating electrode is made in the form of a disk forming the initiating spark gap with the first main electrode. 1 il.

Description

Изобретение относитс к наносекунд- ной высоковольтной импульсной технике, а именно к генерации больших импульсных токов, и может найти применение при разработке искровых коммутирующих устройств .The invention relates to a nanosecond high voltage pulse technique, namely to the generation of large pulse currents, and can be used in the development of spark switching devices.

Известен управл ющий разр дник, предназначенный дл одновременного подключени к нагрузке большого числа отдельных модулей емкостного накопител , который содержит искровой промежуток тригатронного типа, когда один из электродов - шар, другой - диск, а поджигающий электрод расположен в отверстии диска.A control gaiter is known for simultaneously connecting to the load a large number of individual capacitive storage modules, which contains a trigatron-type spark gap, when one of the electrodes is a ball, the other is a disk, and the ignition electrode is located in the hole of the disk.

Недостатком такого устройства вл ет- ей необходимость работы при напр жени х на основных электродах, лишь незначительно , не более 10%, отличающихс от статического пробивного напр жени . Возможность самопробо и неконтролируемый стохастический разорос включени , достигающий дес тков НС, не позвол ют использовать такое коммутирующее устройство в многомодульных накопител 1, где требуетс высока надежность эксплута- ции.The disadvantage of such a device is the need to work with voltages on the main electrodes, only slightly, no more than 10%, which is different from static breakdown voltage. The possibility of self-testing and uncontrolled stochastic turn-on inclusions reaching tens of HCs do not allow the use of such a switching device in multi-module drive 1, where high reliability of operation is required.

Известен трехэлектродный разр дник, содержащий три соосно расположенных сферических электрода с соотношением че- личин высоковольтного и низковольтного зазоров равным 2, облучаемых с целью ускорени и стабилизации коммутации УФ-лу- чами от искры, возникающей во вспомогательном промежутке, с ключен- ном последовательно с кабелем, по которому поступает пусковой импульс.A three-electrode discharge is known, containing three coaxially arranged spherical electrodes with a ratio of high-voltage and low-voltage gaps of 2, irradiated in order to accelerate and stabilize the switching by UV beams from a spark arising in the auxiliary gap, connected in series with the cable , which receives the starting impulse.

Однако такое устройство имеет лишь двукратный диапазон рабочих напр жений, Узость рабочего диапазона, больша амплитуда пускового импульса, необходимость дополнительного источника УФ-излучени вл ютс его недостатками.However, such a device has only a double range of operating voltages. The narrowness of the working range, the large amplitude of the starting pulse, the need for an additional source of UV radiation are its disadvantages.

Известен трехэлектродный управл емый разр дник, содержащий соосно установленные два основных и инициирующий электроды, инициирующий электрод выголетгъттэтA three-electrode controlled arrester is known, containing coaxially mounted two main and initiating electrodes, a initiating electrode.

текли)flowed)

нен в виде диска с центральным токоподво- д щим стержнем дл подключени к генератору поджигающих импульсов, и образует с одним из основных электродов инициирующий искровой промежуток, а другой основной электрод выполнен с зеркальной поверхностью, расположенной в области пр мой видимости из указанного инициирующего искрового промежутка.It is in the form of a disk with a central current-supporting rod for connection to the generator of igniting pulses, and forms the initiating spark gap with one of the main electrodes, and the other main electrode is made with a specular surface located in the direct visibility region from the specified initiating spark gap.

Недостатками такого разр дника вл ютс :The disadvantages of this glitch are:

а)резко неоднородное поле в зазоре между основными злектродами из-за полусферических выемок и формы основного электрода в виде кольца, что существенно снижает рабочее напр жение разр дника. Применение изол ционных накладок в этой конструкции невозможно;a) a sharply inhomogeneous field in the gap between the main electrodes due to hemispherical grooves and the shape of the main electrode in the form of a ring, which significantly reduces the operating voltage of the discharge. The use of insulation pads in this design is not possible;

б)потер около половины УФ-светового потока, падающего на полусферическую выемку , из-за его отражени внутрь пространствакольцевогоэлектрода . Неравномерность интенсивности УФ-облу- чени по окружности межэлектродного зазора . И то и другое не позвол ет заметно снизить его омическое сопротивление в результате УФ-облучени ;b) lost about half of the UV light flux falling on the hemispherical recess due to its reflection inside the ring of the electrode. Uneven intensity of UV irradiation around the circumference of the interelectrode gap. Both of them do not allow to significantly reduce its ohmic resistance as a result of UV irradiation;

в)невозможность использовани механизма автоэлектронной эмиссии с торцов инициирующего электрода дл пробо основного промежутка.c) the impossibility of using the field emission mechanism from the ends of the initiating electrode for the breakdown of the main gap.

Цель изобретени - повышение стабильности срабатывани в широком диапазоне рабочих напр жений.The purpose of the invention is to increase the stability of operation in a wide range of operating voltages.

Предложенное устройство содержит со- осно установленные два основных электрода и инициирующий электрод, выполненный а виде диска с центральным токоподводом дл подключени к генератору поджигающих импульсов и образующий инициирующий искровой промежуток с одним из основных электродов, второй из которых выполнен с зеркальной поверхностью, расположенной в области пр мой видимости из указанного искрового промежутка.The proposed device comprises a coaxially mounted two main electrodes and an initiating electrode, made in the form of a disk with a central current lead for connection to the ignition pulse generator and forming the initiating spark gap with one of the main electrodes, the second of which is made with a specular surface my visibility is from the specified spark gap.

Отличие предложенного управл емого разр дника состоит в том, что первый основной электрод выполнен в виде плоского диска со сферическим центральным рабочим выступом, образующим указанный ини- циирующий искровой промежуток с обращенным к нему торцом инициирующего электрода, который выполнен с кольцевой острой кромкой, а второй основной электрод выполнен в виде полого усеченного конуса с зеркальной внутренней поверхностью , суживающегос в направлении к первому основному электроду и охватывающего инициирующий электрод с образованием кольцевого искрового промежутка, второй основной электрод по высоте перекрывает инициирующий искровой промежуток , длина Si которого и длина S2The difference of the proposed controlled spark discharge lies in the fact that the first main electrode is made in the form of a flat disk with a spherical central working ledge forming the specified initiating spark gap with the end face of the initiating electrode facing it, and the second main edge the electrode is made in the form of a hollow truncated cone with a mirror inner surface, tapering towards the first main electrode and enclosing the initiating electrode with is formed em annular spark gap, the second main electrode of height overlaps the initiating spark gap, Si and whose length is the length S2

кольцевого искрового промежутка выбраны в соотношении: (1+sln2«), где а -угол между образующей полого усеченного конуса и его большим основанием, выбранный в пределах 45° . причем на плоскойannular spark gap selected in the ratio: (1 + sln2 "), where a is the angle between the generator of the hollow truncated cone and its large base, selected within 45 °. and on a flat

поверхности рабочего торца первого основного электрода установлена дополнительно введенна изол ционна накладка, электроды установлены в дополнительно введенном токопровод щем корпусе, на которомthe surface of the working end of the first main electrode is installed additionally introduced insulating plate, the electrodes are installed in the additionally introduced conductive housing, on which

закреплен второй основной электрод, а то- коподвод к основным электродам выполнен с помощью дополнительно введенных кабелей , жилы которых подключены к периферийной части первого основного электрода,the second main electrode is fixed, and the supply to the main electrodes is made with the help of additionally introduced cables, the conductors of which are connected to the peripheral part of the first main electrode,

а оплетки которых подключены к указанному корпусу.and braids which are connected to the specified body.

Сопоставительный анализ с прототипом показывает, что предлагаемый управл емый разр дник имеет преимущества:A comparative analysis with the prototype shows that the proposed controlled bit has the advantages:

а) практически однородное поле (сфера- плоскость) в зазоре между инициирующим и высоковольтным основным электродом. Снижение электрической прочности из-за неоднородности пол в зазоре между основными электродами устранено с помощью изол ционной накладки. В целом конструкци позвол ет существенно повысить рабочее напр жение по сравнению с прототипом;a) almost homogeneous field (sphere-plane) in the gap between the initiating and high-voltage main electrode. The decrease in electric strength due to inhomogeneity of the floor in the gap between the main electrodes is eliminated with the help of an insulating lining. In general, the design allows to significantly increase the operating voltage compared with the prototype;

б) инициирующий пробой происходит строго по оси конструкции, имеет центральную симметрию, что позвол ет полностью использовать весь поток УФ-излучени , равномерно распределить его интенсивность в зазоре между инициирующим (дисковым ) и низковольтным основным (коническим) электродами, вызвав существенное снижение его омического сопротивлени . Допустимый угол образующейb) the initiating breakdown occurs strictly along the axis of the structure, has a central symmetry that allows you to fully use the entire flux of UV radiation, evenly distribute its intensity in the gap between the initiating (disk) and low-voltage main (conical) electrodes, causing a significant decrease in its ohmic resistance . Permissible forming angle

конической поверхности можно выбрать так, чтобы обеспечить УФ-облучение не части , а всего межэлектродного зазора;the conical surface can be chosen so as to ensure UV irradiation not of the part, but of the whole interelectrode gap;

в) если в прототипе инициирующий электрод выполн ет пассивную роль включател УФ-подсветки, то в нашем предложении инициирующий электрод вл етс активным элементом каскадного пробо разр дника: сначала пробой происходит с высоковольтного основного электрода наc) if, in the prototype, the initiating electrode performs the passive role of switching on the UV illumination, then in our proposal the initiating electrode is the active element of the cascade discharge of the arrester: first, the breakdown occurs from the high-voltage main electrode to

инициирующий, а затем с инициирующего на низковольтный основной электрод, обеспечива двухступенчатое замыкание всего разр дного промежутка. Этому способствует автоэлектронна эмисси с кольцевой острои кромки инициирующего электрода, котора начинаетс с момента подачи пускового импульса и продолжаетс после пробо первого зазора в результате поступлени на инициирующий электрод высокого напр жени с высоковольтного основного электрода вплоть до пробо второго зазора разр дника.the initiator, and then from the initiator to the low-voltage main electrode, providing a two-stage short circuit of the entire discharge gap. This is facilitated by autoelectronic emission from the annular sharp edge of the initiating electrode, which starts from the moment the trigger pulse is applied and continues after the first gap is broken as a result of high voltage applied to the trigger electrode from the high voltage main electrode to the second gap of the discharge gap.

Таким образом, предложенна конструкци по сравнению с прототипом позволила расширить диапазон рабочих напр жений управл ющего разр дника на 30%, который стал равен 25-98% от статического пробивного напр жени .Thus, the proposed design, in comparison with the prototype, made it possible to expand the range of operating voltages of the control gaps by 30%, which became equal to 25-98% of the static breakdown voltage.

На чертеже приведен управл мый разр дник .The drawing shows a controllable surge.

Управл емый разр дник содержит высоковольтный плоский электрод 1 со сферическим выступом, служащим дл создани однородного электрического пол и фиксации центрального местоположени разр дного канала. Плоска часть электрода закрыта изол тором 2 дл предотвращени разр дов на другие элементы конструкции. На рассто нии Si от сферического выступа смонтирован на проходном профилированном изол торе 3, закрепленном в резьбовом отверстии корпуса 4, инициирующий электрод 5 в виде тонкого плоского диска. К корпусу разр дника изол тором плотно прижат низковольтный электрод 6 в форме усеченного конуса с углом а при основании , бокова коническа поверхность которого расположена на рассто нии S2 от инициирующего электрода. Кабельные линии 7, служащие дл пуска силовых разр дников модулей емкостного накопител , центральными проводниками присоединены к высоковольтному электроду, а оплетками - к корпусу разр дника С помощью кабел 8 источник посто нного напр жени величиной U подключен к высоковольтному электроду. По кабелю 9 подаетс высоковольтный сигнал от генератора поджигающих импульсов дл включени управл емого разр дника в требуемый момент времени. Амплитуда поджигающего импульса равна Un.The controlled discharge contains a high-voltage flat electrode 1 with a spherical protrusion, which serves to create a uniform electric field and fix the central location of the discharge channel. The flat part of the electrode is covered by insulator 2 to prevent discharges to other structural elements. At a distance of Si from the spherical protrusion, mounted on the shaped profile insulator 3 fixed in the threaded hole of the housing 4, initiating the electrode 5 in the form of a thin flat disk. A low-voltage electrode 6 in the shape of a truncated cone with an angle a is tightly pressed against the insulator body with an insulator at the base, whose lateral conic surface is located at a distance of S2 from the initiating electrode. Cable lines 7, which serve to start the power gaps of the capacitive storage module, are connected to the high voltage electrode by central conductors and braided to the gage body. Using a cable 8, a constant voltage source of U value is connected to the high voltage electrode. Cable 9 provides a high voltage signal from the ignition pulse generator to turn on the controlled discharger at the desired time. The ignition pulse amplitude is Un.

Управл емый разр дник работает следующим образом.Managed spark works as follows.

Пуск осуществл етс подачей на электрод 5 по кабелю 9 поджигающего импульса. Его пол рности противоположна знаку напр жени на высоковольтном электроде, а амплитуда достаточна дл пробо межэлектродного зазора SL Крутизна импульса достаточна дл начала автоэлектронной эмиссии по всей периферии имеющего малую кривизну торца тонкого диска инициирующего электрода. Однако амплитудаThe start-up is carried out by applying to the electrode 5 through the cable 9 a firing pulse. Its polarity is opposite to the voltage on the high-voltage electrode, and the amplitude is sufficient for the inter-electrode gap breakdown SL The pulse steepness is sufficient to initiate autoelectronic emission over the entire periphery of the small-curvature end of the thin disk of the initiating electrode. However the amplitude

поджигающего импульса недостаточна дл пробо Ss. В момент пробо зазора Si УФ- излучение канала разр да, распростран сь вдоль поверхности инициирующего 5 электрода, попадает на полированную коническую металлическую поверхность низковольтного электрода. Особенности отражени света от металлической поверхности обусловлены наличием в металле сво0 бодных и св занных электронов. Вторичные волны, вызванные их вынужденными колебани ми , порождают сильную отраженную волну, интенсивность которой может достигать 95% интенсивности падающей.ignition pulse is insufficient for breakdown Ss. At the time of the breakdown of the Si gap, the UV radiation of the discharge channel, propagating along the surface of the initiating electrode 5, hits the polished conical metal surface of the low-voltage electrode. The peculiarities of the reflection of light from a metal surface are due to the presence of free and bound electrons in the metal. Secondary waves, caused by their forced oscillations, generate a strong reflected wave, the intensity of which can reach 95% of the incident wave.

5 Состо ние пробо межэлектродного зазора характеризуетс резким изменением на много пор дков4 величины его проводимости . Оно достигаетс направлением отраженного излучени в зазор $2 в торец5 The state of breakdown of the interelectrode gap is characterized by a sharp change in the order of magnitude of its conductivity by many orders of magnitude. It is achieved by the direction of the reflected radiation in the gap $ 2 in the end

0 инициирующего электрода, порожда дополнительную фотоионизацию рабочего газа в зоне зазора, граничащей с областью автоэлектронной эмиссии. Чем больше се- чени этой зоны, тем больше именение про5 водимости. В предложенной конструкции электродов угол наклона а образующей конической поверхности низковольтного электрода должен удовлетвор ть условию 45 а 90°, чтобы отраженный свет попа0 дал в торец инициирующего электрода. Облучение всей площади кольцевого межэлектродного зазора S2 происходит одновременно в момент Пробо S; из наход щегос в центре устройства разр дного0 of the initiating electrode, which generates additional photoionization of the working gas in the gap area, which borders on the field emission field. The larger the section of this zone, the greater the name of the output. In the proposed design of the electrodes, the angle of inclination of the generatrix of the conical surface of the low-voltage electrode must satisfy the condition 45 a 90 ° so that the reflected light enters the end of the initiating electrode. Irradiation of the entire area of the annular interelectrode gap S2 occurs simultaneously at the time of the Probe S; from the device located in the center of the device

5 канала, в результате дополнительных источников УФ-излучени не требуетс . Чтобы полнее использовать световой поток источника , отражающа поверхность, а следовательно , и торец усеченного конуса5 channels, as a result of additional sources of UV radiation is not required. In order to make fuller use of the luminous flux of the source, the reflecting surface and, consequently, the end of the truncated cone

0 низковольтного электрода должен нахо- дитьс по крайней мере за пределами высоковольтного зазора Si, отража свет, испускаемый всей длиной искрового канала .The 0 low voltage electrode should be at least outside the high voltage gap Si, reflecting the light emitted by the entire length of the spark channel.

5 Очевидно, что оптимальный угол конической поверхности дл полного облучени межэлектродного зазора равен а 45°. В этом случае ширина облучаемой зоны зазора равна Si. Полага дл напр жени Un5 It is obvious that the optimum angle of the conical surface for the full irradiation of the interelectrode gap is a 45 °. In this case, the width of the irradiated zone of the gap is equal to Si. Voltage for un

0 величину пробойного рассто ни рабочего зазора $2 без облучени и автоэлектронной эмиссии равной Si, найдем, что в случае предварительного суммарного воздействи автоэлектронной эмиссии и облучени зоны0 the value of the breakdown distance of the working gap $ 2 without irradiation and autoelectronic emission equal to Si, we find that in the case of a preliminary total effect of autoelectronic emission and irradiation of the zone

5 шириной Si максимальна величина пробивного межэлектродного зазора $2 станет равной 2 Si. С увеличениеми угла а площадь облучаемой зоны снижаетс и соответственно должен уменьшатьс пробивной5 wide by Si, the maximum breakdown gap of $ 2 will become equal to 2 Si. With an increase in the angle a, the area of the irradiated zone decreases and, accordingly, the penetration should decrease.

межэлектродный зазор согласно формуле S2 Si{1+sln2a ). Например, при а 90° в площадь зазора $2 может попадать УФ-из- лучение, лишь рассе нное от вертикальной цилиндрической поверхности низковольтного электрода. Соответственно и величина межэлектродного зазора S2 должна быть минимальной и равной Si.interelectrode gap according to the formula S2 Si (1 + sln2a). For example, at a 90 °, UV-radiation can only enter the area of the gap $ 2, only scattered from the vertical cylindrical surface of the low-voltage electrode. Accordingly, the value of the interelectrode gap S2 should be minimal and equal to Si.

Коммутаци разр дника завершаетс к моменту окончани последовательного каскадного пробо межэлектродных промежутков Si и $2.The switching of the glitter is completed by the end of the successive cascade breakdown of the Si and $ 2 interelectrode gaps.

Предложенна конструкци была проверена экспериментально. Пробой зазора Si величиной 8 мм наступал на посто нном напр жении положительной пол рности равном кВ, когда давление рабочего газа - азота внутри корпуса разр дника было 4,0 атм. Дл а 75° ,5. мм. Диаметр инициирующего электрода был равен 110 мм. Поджигающий импульс отрицательной пол рности имел параметры: амплитуда 40 кВ, длительность на полувысоте амплитуды 0,5 мкс, крутизна фронта 50 не. В результате удвоени на разомкнутом конце кабел , присоединенного к инициирующему электроду, амплитуда удваивалась , при этом снижались длительность перенапр жени на промежутках Si и Sa- Полный пробой разр дника происходил, начина с напр жени кВ. Таким образом , предложенна конструкци обеспечивает четырехкратный диапазон рабочих напр жений коммутации, что в 2 раза превышает известные достигнутые величины .The proposed design has been tested experimentally. The breakdown of a Si gap of 8 mm occurred at a constant voltage of positive polarity equal to kV, when the working gas — nitrogen pressure inside the discharge chamber was 4.0 atm. For 75 °, 5. mm The diameter of the initiating electrode was 110 mm. The firing pulse of negative polarity had the parameters: amplitude of 40 kV, duration at half-height of the amplitude of 0.5 μs, the steepness of the front is not 50. As a result of doubling at the open end of the cable connected to the initiating electrode, the amplitude doubled, while the duration of the overvoltage at the intervals of Si and Sa was reduced. A complete breakdown of the discharge occurred, starting with a voltage of kV. Thus, the proposed design provides a fourfold range of operating switching voltages, which is 2 times higher than the known values achieved.

Новые констуктивные элементы разр дника , работа во взаимодействии, как например, диск инициирующего электрода и отражающа поверхность низковольтного электрода, обеспечивают возникновение автоэлектронной эмиссии и УФ-облучени в зоне каскадного пробо . В результате существенно возросла стабильность коммутации , разброс которой во времени не превышал 2-3 не.New constructive elements of the gaps, the interaction work, such as the initiating electrode disk and the reflecting surface of the low-voltage electrode, provide the appearance of autoelectronic emission and UV irradiation in the cascade sample zone. As a result, the switching stability has significantly increased, the spread of which did not exceed 2-3 times in time.

Наконец, УФ-облучение второго рабочего зазора разр дника происходит автоматически из канала разр да в результате пробо первого зазора, что существенно упрощает конструкцию в целом, так как неFinally, the UV irradiation of the second working gap of the discharge occurs automatically from the discharge channel as a result of the first clearance of the first gap, which greatly simplifies the design as a whole, since it does not

требуетс дополнительного источника УФ- излучени .an additional source of UV radiation is required.

Claims

Claims of Invention Managed spark containing

coaxially mounted two main electrodes and an initiating electrode made in the form of a disk with central current supply for connection to the ignition pulse generator and forming

the initiating spark gap with the first of the main electrodes, the second of which is made with a mirror surface located in the field of direct visibility from the specified initiating spark gap, characterized in that, in order to increase the operation stability in a wide range of operating voltages, the first main electrode is made in the form of a flat

a disk with a spherical central working ledge forming the specified initiating spark gap with the end face of the initiating electrode facing it, which is made with an annular sharp edge, and the second main electrode is made in the form of a hollow truncated cone with a mirror inner surface tapering in the direction to the first main electrode and covering the initiating electrode with the formation of an annular spark gap, the second main electrode at a height covers the initiating spark gap ok, the length of which is Si and the length of S2

annular spark gap is chosen in the ratio S2 Si {1 + s n2a}, where o. - the angle between the generator of the hollow truncated cone and its large base, selected within 45 °, and on a flat

the surface of the working end of the first main electrode is installed additionally introduced insulating plate, the electrodes are installed in the additionally introduced conductive housing, on which

A second main electrode is fixed, and the power supply to the main electrodes is made with the help of additionally introduced cables, the conductors of which are connected to the peripheral part of the first main electrode.

and braids which are connected to the specified body.