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.
Известны управляемые вакуумные разрядники (РВУ) (Вакуумные дуги. Теория и приложения. Под ред. Дж.Лафферти - М.: Мир, 1982, стр.398) [1], содержащие два дисковых основных электрода и один поджигающий электрод, отделенный диэлектрической вставкой от одного из основных электродов. Элемент конструкции РВУ, включающий в себя управляющий электрод и диэлектрическую вставку, далее будем называть узлом поджига.
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 А1, МПК: Н01Т 2/02 опубликован 10 мая 2000 г.) [2], содержащие два дисковых основных электрода и узел поджига, 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 сильноточного импульса основного тока. Длительное воздействие катодного пятна на узел поджига приводит к его разрушению, что ограничивает ресурс РВУ. Другим недостатком данной конструкции РВУ является стягивание разрядного канала при токах более 5 кА под воздействием магнитного поля разрядного тока и как следствие увеличение плотности тока, что увеличивает токовую нагрузку на основные электроды и на узел поджига, и как следствие ограничивает отключающую способность и ресурс РВУ.
Наиболее близким техническим решением (прототипом) к предлагаемому является РВУ (Не Junjia, Zou Jiyan, Qin Shihong, Wang Hai «Сильноточный управляемый вакуумный разрядник с электродом, формирующим продольное магнитное поле» // IEEE Trans. Magnet. 1999. - T.35. - №1. - с.353-355) [3], имеющий два дисковых основных электрода (катодный электрод и формирующий аксиальное магнитное поле анодный электрод) и узел поджига, установленный в центральном отверстии катодного электрода. Анодный электрод выполнен с косыми прорезями на боковой стенке электрода. Кольцевой ток в анодном электроде формирует в межэлектродном промежутке аксиальное магнитное поле, которое препятствует стягиванию электрической дуги..
Недостатком данного устройства является малая индукция аксиального магнитного поля и длительное воздействие сильноточной электрической дуги, формируемой в центральной области межэлектродного промежутка, на узел поджига, что ограничивает отключающую способность и ресурс РВУ.
Технической задачей предложенного технического решения является создание устройства, обеспечивающего повышение индукции аксиального магнитного поля в межэлектродном промежутке РВУ
Технический результат, достигаемый в полезной модели, заключается в повышении отключающей способности РВУ, а также в увеличении ресурса РВУ.
Поставленная задача решается благодаря тому, что управляемый вакуумный разрядник, содержит два дисковых основных электрода, катодный и электродный, и, по меньшей мере, один узел поджига, установленный в отверстии катодного электрода. Отличием предложенного технического решения является то, что 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.
Индуктор, предназначенный для формирования аксиального магнитного поля, содержит диск и два кольцевых элемента. Кольцевые элементы индуктора соединены между собой таким образом, чтобы обеспечить однородное распределение кольцевого тока в каждом индукторе при горении электрической дуги в межэлектродном промежутке. При одинаковом направлении кольцевых токов в межэлектродном промежутке формируется аксиальное магнитное поле, препятствующее стягиванию электрической дуги.
Представленное техническое решение иллюстрируется рисунками.
На фиг.1 показан вид спереди РВУ.
На фиг.2 показан разрез А-А, на котором отображены кольцевые элементы катодного индуктора.
На фиг.3 показан разрез Б-Б, на котором отображен узел поджига и индуктор.
На фиг.4 показан общий вид РВУ с вырезом в катодном электроде. В состав управляемого вакуумного разрядника входит:
1. Анодный электрод;
2. Анодный индуктор;
3. Анодный диск;
4. Катодный электрод;
5. Катодный индуктор;
6. Катодный диск;
7. Первый кольцевой элемент катодного индуктора;
8. Второй кольцевой элемент катодного индуктора;
9. Узел поджига;
10. Управляющий электрод;
11. Диэлектрическая вставка.
Управляемый вакуумный разрядник содержит анодный электрод 1 (фиг.1). В состав анодного электрода входят анодный индуктор 2 и анодный диск 3. Анодный индуктор 2 содержит два кольцевых элемента (на фигурах не показаны). Управляемый вакуумный разрядник содержит катодный электрод 4, в состав которого входит катодный индуктор 5 (фиг.1). Катодный индуктор 5 содержит два кольцевых элемента 7 и 8 (фиг.2) и катодный диск 6. Катодный диск 6 расположен со стороны межэлектродного промежутка и обращен одной поверхностью в сторону анодного электрода 1. Катодный диск 6 электрически соединен с кольцевыми элементами 7 и 8 таким образом, чтобы обеспечить однородное распределение кольцевого тока в катодном индукторе 5 при горении электрической дуги в межэлектродном промежутке. Аналогичным способом соединены электрически кольцевые элементы анодного индуктора 2 с анодным диском 3.
Два узла поджига 9 как изображено на (фиг.2) и (фиг.4), расположены на периферии катодного электрода 4, Каждый из узлов поджига содержит управляющий электрод 10, отделенный от катодного электрода 4 диэлектрической вставкой 11, как показано на (фиг.3).
Управляемый вакуумный разрядник работает следующим образом.
При подаче управляющего импульса напряжения на управляющий электрод 10 происходит электрический пробой диэлектрической вставки 11. Вблизи ее внешней поверхности на катодном электроде 4 образуется катодное пятно (КП), которое является источником направленного плазменного потока, быстро закорачивающего межэлектродный промежуток. Между анодным электродом 1 и катодным электродом 4 возникает электрическая дуга. В катодном индукторе 5 по первому 7 и второму 8 кольцевым элементам катодного индуктора, и по кольцевым элементам анодного индуктора 2 (на фигурах не показано) начинает протекать кольцевой ток. Благодаря согласованному направлению кольцевых токов в анодном индукторе 2 и катодном индукторе 5 в межэлектродном промежутке РВУ формируется суммарное магнитное поле. Индукция магнитного поля в середине межэлектродного промежутка в два раза превышает индукцию магнитного поля одного из индукторов. Вблизи поверхности анодного электрода 1 и катодного электрода 4 магнитное поле имеет аксиальную и радиальную составляющие. Радиальная составляющая магнитного поля максимальна на периферии электродной системы, в частности, в области расположения управляющего электрода 10 с диэлектрической вставкой 11 (фиг.3). В результате воздействия радиальной составляющей магнитного поля КП с увеличением тока перемещаются в азимутальном направлении, смещаясь в центральную область межэлектродного промежутка. В этой области становится существенным воздействие аксиальной составляющей магнитного поля, которая эффективно препятствует сжатию дугового канала и способствует устойчивому горению дуги. В этом режиме дуга горит между анодным 1 и катодным 4 электродами, вдали от диэлектрической вставки 11 узла поджига 9. Соответственно уменьшается токовая нагрузка на каждый узел поджига 9, что обеспечивает повышение ресурса РВУ. Кроме того, распределение плотности основного тока в центральной области межэлектродного промежутка будет более однородным, что способствует повышению коммутационной способности РВУ.
Опытным путем было подтверждено, что управляемый вакуумный разрядник с аксиальным магнитным полем способен многократно коммутировать и отключать ток с высокой амплитудой, более 30 кА, по сравнению с током отключения РВУ с дисковой электродной системой без аксиального магнитного поля - менее 5 кА. Расположение узла поджига на периферии катодного электрода позволило в несколько раз повысить ресурс РВУ по сравнению с РВУ, в котором узел поджига располагался в центре катодного электрода.
Исходя из вышеизложенного поставленная задача решена и технический результат, заключающийся в повышении отключающей способности РВУ путем уменьшения плотности тока в межэлектродном промежутке вследствие увеличения индукции аксиального магнитного поля и приводит к увеличению ресурса РВУ вследствие уменьшения воздействия сильноточной электрической дуги на каждый узел поджига, достигнут.
Источники информации принятые во внимание при составлении заявки:
[1]. Вакуумные дуги. Теория и приложения. Под ред. Дж.Лафферти. - М.: Мир, 1982, стр.398.
[2]. Патент SU 1644273 A1, МКС H01T 2/02, опубликован 10 мая 2000 г.
[3]. Не Junjia, Zou Jiyan, Qin Shihong, Wang Hai «Сильноточный управляемый вакуумный разрядник с электродом, формирующим продольное магнитное поле» // IEEE Trans. Magnet. 1999. - Т.35. - №1. - с..352-355.