УПРАВЛЯЕМЫЙ ВАКУУМНЫЙ РАЗРЯДНИК

Полезная модель относится к области электротехники, а именно к силовой коммутационной аппаратуре, и предназначена для быстрого подключения источника энергии к нагрузке, в частности, в устройствах, обеспечивающих управляемое подключение реактивной нагрузки. Управляемая коммутация успешно решает проблему предотвращения опасных бросков тока и перенапряжений.
Известны управляемые вакуумные разрядники (РВУ) (Вакуумные дуги. Теория и приложения. Под ред. Дж.Лафферти. - М.: Мир, 1982, стр.398. [1]), содержащие два основных электрода и управляющий электрод, отделенный диэлектрической вставкой от одного из основных электродов (Вакуумные дуги. Теория и приложения. Под ред. Дж.Лафферти. - М.: Мир, 1982, стр.398) [1]. Элемент конструкции РВУ, включающий в себя управляющий электрод и диэлектрическую вставку, в дальнейшем будем называть узлом поджига. Поверхность диэлектрической вставки покрыта металлической пленкой (титан или сплав металла). В металлической пленке сделана V-образная кольцевая прорезь глубиной до поверхности диэлектрика. Включение РВУ осуществляется с помощью вспомогательного искрового разряда (тока поджига), который генерируется в результате импульсного электрического пробоя по диэлектрику в кольцевой прорези диэлектрической вставки между управляющим и основным электродами. Источниками плазмы инициирующего разряда являются катодные пятна, которые образуются вблизи прорези диэлектрической вставки. Время включения РВУ определяется временем заполнения межэлектродного промежутка плазмой инициирующего разряда.
Недостатками такого устройства является нестабильность напряжения пробоя из-за испарения пленки металла с поверхности диэлектрика, ограниченный ресурс узла поджига, сравнительно большое время включения и его разброс.
Известны РВУ (Патент SU 1644273 A1, МПК класс H01T 2/02, опубликован 10 мая 2000 г.) [2], содержащие два основных электрода и управляющий электрод, отделенный диэлектрической вставкой от одного из основных электродов, в которых диэлектрическая вставка узла поджига выполнена в виде диэлектрической втулки, установленной в центральном отверстии одного из основных электродов. Поджигающий электрод и диэлектрическая втулка выступают в межэлектродный промежуток над рабочей поверхностью основного электрода. При подаче импульса напряжения на управляющий электрод происходит пробой по наружной боковой поверхности втулки и образование катодных пятен на поверхности катодного электрода вблизи поверхности диэлектрической вставки.
Недостатком данной конструкции РВУ является фиксация катодных пятен вблизи границы между основным электродом и внешней поверхностью диэлектрической вставки практически в течение всей длительности импульса основного тока. Длительное воздействие катодного пятна на узел поджига приводит к его разрушению, что ограничивает ресурс РВУ.
Наиболее близким изобретением (ПАТЕНТ SU 1464863 A1, класс H01T 2/00, опубликован в БИ 20.07.2000) [3] к предлагаемому техническому решению является РВУ, имеющий два основных электрода, управляющий электрод и размещенные между одним из основных электродов и управляющим электродом несколько диэлектрических и разделяющих их металлических вставок. В данной конструкции длина границы контакта металл-диэлектрик на внешних диэлектрических вставках превышает соответствующую длину на внутренней диэлектрической вставке узла поджига. Увеличение длины границы контакта металл-диэлектрик пропорционально увеличению срока службы РВУ.
Недостатком данной конструкции РВУ является более высокое напряжение пробоя поджигающих промежутков по сравнению с напряжением пробоя узла поджига с одной диэлектрической вставкой.
Технической задачей предложенного решения является создание устройства с одной диэлектрической вставкой, обладающего более высоким сроком службы.
Технический результат выражается в уменьшении плотности основного разрядного тока, снижении токовой нагрузки на узел поджига и уменьшении напряжения пробоя узла поджига.
Поставленная задача решается благодаря тому, что управляемый вакуумный разрядник содержит два основных электрода, один из которых катод, а другой - анод, управляющий электрод и размещенную между одним из основных электродов и управляющим электродом диэлектрическую вставку. Отличием предложенного технического решения является то, что два основных электрода, содержат несколько кольцевых металлических вставок с радиусом превышающим радиус диэлектрической вставки, причем удельное сопротивление материала металлических вставок превышает удельное сопротивление материала основных электродов, а высота вставок больше толщины скин-слоя.
Сущность предложенного технического решения иллюстрируется рисунками. На фиг.1 показан вид спереди электродной системы РВУ с местным разрезом через ось вращения. На фиг.2 показан вид А-А (см. фиг.1), отображающий вид катода со стороны анода.
Разрядник содержит анод 1, катод 2 с управляющим электродом 3, отделенным от катода диэлектрической вставкой 4. Анод и катод содержат по две кольцевые металлические вставки 5 и 6 с высотой h, заглубленные в электроды на глубину h.
эфф
Разрядник работает следующим образом. При подаче управляющего импульса напряжения на управляющий электрод 3 происходит электрический пробой диэлектрической вставки 4, напряжение которого будет меньше, чем в случае нескольких кольцевых диэлектрических вставок. Пробой завершается образованием катодного пятна (при положительной полярности напряжения на катоде вблизи поверхности диэлектрической вставки), и возникает импульсный ток, протекающий по рабочей поверхности катода и анода в радиальном направлении. Эффективная глубина h проникновения переменного тока (толщина скин-слоя от поверхности катода, на котором плотность тока уменьшается в e раз) зависит от частоты тока ω и удельного сопротивления p материала электрода:
.
эфф
Если глубина h меньше высоты h металлических вставок 5 и 6, то ток поджига будет протекать, не огибая металлических вставок, и на них будет возникать падение напряжения, способствующее образованию новых катодных пятен. Эти пятна будут фиксироваться вдоль границы контакта катода с металлическими вставками. В результате относительное количество катодных пятен вблизи узла поджига будет уменьшаться. Соответственно будет уменьшаться токовая нагрузка на узел поджига, что обеспечит повышение ресурса узла поджига. Кроме того, распределение плотности основного разрядного тока по поверхности катода будет более однородным, что способствует повышению коммутационной способности разрядника.
Опытным путем было подтверждено, что управляемый вакуумный разрядник с кольцевыми металлическими вставками и одним узлом поджига обладает небольшим напряжением пробоя узла поджига по сравнению с РВУ, в котором узел поджига содержит несколько диэлектрических вставок, и способен многократно коммутировать переменный ток
Исходя из вышеизложенного, поставленная задача решена и технический результат, заключающийся в повышении срока службы РВУ путем уменьшения плотности основного разрядного тока, снижения токовой нагрузки на узел поджига и уменьшения напряжения пробоя узла поджига вследствие использования одной диэлектрической вставки, достигнут.
Источники информации принятые во внимание при составлении заявки:
[1]. Вакуумные дуги. Теория и приложения. Под ред. Дж.Лафферти. - М.: Мир, 1982, стр.414.
[2]. Патент SU 1644273 A1, МПК H01T 2/02, опубликован 10.05.2000.
[3]. Патент SU 1464863 A1, МПК H01T 2/00, опубликован 20.07.2000.