УПРАВЛЯЕМЫЙ ВАКУУМНЫЙ РАЗРЯДНИК

Полезная модель относится к области электротехники, а именно к силовой коммутационной аппаратуре, и применяется для быстрого подключения электрической сети к нагрузке, в частности, в шунтирующих быстродействующих коммутирующих устройствах, обеспечивающих защиту электрооборудования от воздействия токов короткого замыкания.
Известен управляемый вакуумный разрядник, который представляет собой коаксиальную трехэлектродную систему (катод, анод, поджигающий электрод), которая расположена внутри герметичной оболочки, выполненной из электроизоляционного материала. Пшеничный А.А., Якубов Р.Х. // Вакуумная наука и техника. Материалы научно-технической конференции. Под ред. Д.В. Быкова, М.: МИЭМ. 2011. С. 153. Эксперименты показали, что привязка разряда приводит к интенсивной выработке всего лишь от 1/4 до 1/3 периметра диэлектрической прокладки.
Известен управляемый вакуумный разрядник, содержащий два дисковых основных электрода, катодный и анодный, и, по меньшей мере, один узел поджига, установленный в отверстии катодного электрода. Каждый из основных электродов, катодный и анодный, содержит индуктор, формирующий аксиальное магнитное поле, а каждый узел поджига установлен на катодном электроде в месте с меньшей плотностью тока электрической дуги. Патент Российской Федерации на полезную модель №119948, МПК: H01T 2/02, 2012 г. Прототип. Использование переменного магнитного поля, создаваемого протекающим в разряднике переменным током приводит к генерации паразитного импульса электрического поля в коммутируемой цепи и может нарушить заданный режим работы этой цепи. Использование индукторов неизбежно приводит к увеличению индуктивности коммутируемой разрядником цепи, и, соответственно, к затягиванию формируемого в указанной цепи импульса тока.
Задачей является создание управляемого вакуумного разрядника, обеспечивающего сохранение электрической прочности диэлектрической прокладки при воздействии на нее протекающего в разряднике электрического тока.
Технический результат полезной модели, заключается в увеличении ресурса управляемого вакуумного разрядника.
Технический результат достигается тем, что в управляемом вакуумном разряднике, содержащем катод и поджигающий электрод, разделенные цилиндрической диэлектрической прокладкой, и анод, расположенные внутри откачанной герметичной диэлектрической оболочки, снаружи герметичной диэлектрической оболочки установлены коаксиально два постоянных цилиндрических магнита одноименными полюсами навстречу друг к другу, создающими аксиально симметричное магнитное поле с максимумом индукции между торцом катода и дном анода, выполненного в виде полого стакана, и минимумом индукции в области промежутка катод - анод у поверхности диэлектрической прокладки.
Сущность полезной модели поясняется чертежом.
На чертеже схематично представлен продольный разрез управляемого вакуумного разрядника, где: 1 - анод; 2 - диэлектрическая прокладка; 3 - герметичная диэлектрическая оболочка; 4 - поджигающий электрод; 5 - катод; 6 - постоянные цилиндрические магниты, обращенные одноименными магнитными полюсами навстречу друг к другу.
Анод 1 выполнен в виде полого стакана. Внешние постоянные цилиндрические магниты 6 формируют внутри электродной системы аксиально симметричное магнитное поле, обладающее максимумом индукции в области между торцом катода 5 и дном анода 1, и минимумом индукции в области промежутка катод-анод у поверхности диэлектрической прокладки 2. В области инициирования разряда, т.е. вблизи поверхности диэлектрической прокладки 2 градиент магнитного поля направлен к приосевой области промежутка катод-анод (чертеж).
Приложенное магнитное поле в силу своей конфигурации не препятствует распространению потока заряженных частиц из плазменного факела, формирующегося у поверхности диэлектрической прокладки 2 в результате пробоя при подаче на поджигающий электрод 4 импульса напряжения положительной относительно катода 5 полярности.
Следовательно, наличие магнитного поля заметным образом не сказывается на времени замыкания промежутка катод-анод.
e
6
-1
Скорость электронов, эмитируемых катодным пятном при температуре плазмы на границе пятна 3÷5 эВ составит V=10 м/с. Месяц Г.А. Эктоны в вакуумном разряде: пробой, искра, дуга. М.: Наука. 2000. - 424 с. При величине индукции магнитного поля B=10 Тл, что технически достижимо, ларморовский радиус для электронов составит:
e
-3
где e и m - заряд и масса электрона; что много меньше величины промежутка катод-анод ~10 м.
28
-3
-4
22
-3
Считая разлет плазмы катодного факела изотропным, при котором концентрация частиц падает при удалении от катодного пятна, и исходя из величины концентрации заряженных частиц в области катодного пятна ~10 м получим оценку концентрации заряженных частиц на расстоянии ~10 м n≈10 м. Месяц Г.А. Эктоны в вакуумном разряде: пробой, искра, дуга. М.: Наука. 2000. - 424 с. Длина свободного пробега частиц в плазме катодного факела в этом случае:
-19
-20
2
где σ≈10÷10 м - сечение упругого соударения; что много больше ларморовского радиуса для электронов, следовательно электроны в катодном факеле при замыкании промежутка катод-анод оказываются замагничены.
i
3
-1
При температуре плазмы ~3÷5 эВ скорость ионов, например, алюминия (материал катода) составит V≈5·10 м/с и соответствующий ларморовский радиус окажется при B≈10 Тл
i
лi
где m - масса иона; т.е. ионы в катодном факеле не замагничены, т.к. не выполняется условие r<<1. Однако значительного пространственного разделения электронов при распространении катодного факела в промежутке катод-анод произойти не может в силу малости радиуса Дебая.
-3
-19
-3
0
Даже на максимальном расстоянии от катодного пятна ~10 м на момент замыкания промежутка катод - анод концентрация частиц составляет n=10 м, а радиус Дебая окажется
0
где ε - диэлектрическая постоянная, k - постоянная Больцмана, T - температура плазмы; что будет много меньше линейного размера плазменного факела. Франк-Каменецкий Д.А. Лекции по физике плазмы. М. Атомиздат. 1968. - 286 с.
В неоднородном магнитном поле плазма катодного факела будет двигаться как целое в направлении, противоположном градиенту магнитного поля, формируя поток частиц, обдувающий поверхность диэлектрической прокладки 2. С переходом разряда от искровой стадии к дуговой стадии указанный поток, будет увеличиваться в результате роста количества катодных пятен при увеличении силы тока в разряде.
Происходит самоочистка поверхности диэлектрической прокладки 2, действующая на протяжении всего времени горения разряда. Плазменный поток, обдувающий поверхность диэлектрической прокладки 2, препятствует накоплению на ней материала электродов и тем самым стабилизирует электрическую прочность данной поверхности.