УПРАВЛЯЕМЫЙ ВАКУУМНЫЙ РАЗРЯДНИК

Полезная модель относится к области электротехники, а именно к силовой коммутирующей аппаратуре, и может быть использована для подключения электрической цепи к нагрузке, в частности, в шунтирующих быстродействующих коммутирующих устройствах, обеспечивающих защиту электрооборудования от воздействия токов короткого замыкания.
Известен разрядник (патент РФ №2227951, МПК: Н01Т 1/20, Н01Т 0/02, публ. 2004 г.), 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. При этом инициатор пробоя выполнен на дополнительной вставке, расположенной в зоне основного разрядного промежутка и проходящий 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. Недостатком данного устройства является то, что конструкция предусматривает дополнительный вакуумно-плотный токоввод для подсоединения инициатора пробоя, а также, то, что для включения разрядника в электрическую цепь требуются дополнительные элементы, например индуктивность, варистор, подсоединенные параллельно основным электродам разрядника и расположенные внутри или/и снаружи изоляционного корпуса разрядника, что значительно увеличивает размер разрядника.
Известен вакуумный разрядник (патент РФ №2050653, МПК: Н01Т 1/22, публ. 1995 г.), содержащий герметичный корпус, по крайней мере, с двумя электродами, расположенными друг напротив друга, причем катод покрыт активирующим веществом из Ti или Pd, в кристаллическую решетку Ti или Pd введен водород в количестве не менее 0,1 ат/ат. Активация катода внедренными атомами водорода способствует движению катодных пятен, образующихся при замыкании тока на катоде, более равномерному их распределению на поверхности, что уменьшает эрозию и катодное падение напряжения. Недостатком является то, что управление разрядника осуществляется подачей высоковольтного импульса на основной межэлектродный промежуток, что ограничивает области его применения.
По совокупности существенных признаков наиболее близким к заявляемому вакуумному разряднику является управляемый вакуумный разрядник по патенту РФ на ПМ №143138, МПК: Н01Т 2/02, публ. 2014 г. Разрядник содержит коаксиальную электродную систему в герметичной диэлектрической оболочке катод и поджигающий электрод, разделенные цилиндрической диэлектрической прокладкой, и анод, выполненный в виде полого стакана, снаружи герметичной диэлектрической оболочки установлены постоянные магниты для формирования магнитного поля, силовые линии которого параллельны оси электродов и диэлектрической прокладки.
Недостатком является использование алюминиевого сплава в качестве материала для изготовления электродов, что значительно понижает ресурс работы разрядника по сравнению с предлагаемым. Кроме того, наличие внешних магнитов приводит к увеличению его габаритов, что препятствует использованию в затесненных условиях.
Задачей, на решение которой направлена полезная модель, является создание компактного вакуумного разрядника с повышенным ресурсом работы.
Техническим результатом является увеличение ресурса работы разрядника.
Технический результат достигается тем, что управляемый вакуумный разрядник, содержащий коаксиальную электродную систему в герметичном диэлектрическом корпусе в виде катода, поджигающего электрода, разделенных диэлектрической прокладкой, и анода выполненного в виде полого стакана, внутри которого осесимметрично расположены стержневой катод и поджигающий электрод, корпус выполнен из электроизоляционного материала с наружными выводами анода, катода и поджигающего электрода, анод, катод и поджигающий электрод с соответствующими выводами выполнены из тугоплавкого сплава на основе никеля, а все выводы электродной системы в местах контакта со стенками корпуса снабжены промежуточными прокладками, выполненными из сплава на основе алюминия.
Сущность полезной модели поясняется чертежом. На фиг. 1 схематично представлен вид поперечного среза разрядника, включающий коаксиальную электродную систему в герметичном диэлектрическом корпусе (1) в виде анода (2), а также катода (3) и поджигающего электрода (4), разделенных диэлектрической прокладкой (5). Корпус (1) выполнен из электроизоляционного материала, например, из алюмооксидной керамики, с наружными выводами анода (6), катода (7) и поджигающего электрода (8). Анод (2) выполнен в виде полого стакана, внутри которого осесимметрично расположены стержневой катод (3) и поджигающий электрод (4). Наружные выводы анода (6), катода (7) и поджигающего электрода (8) в местах контакта со стенками корпуса (1) снабжены промежуточными прокладками (9), (10) и (11) соответственно.
При этом анод (2), катод (3) и поджигающий электрод (4) с соответствующими выводами (6), (7) и (8) выполнены из тугоплавкого сплава на основе никеля, например, из сплава НП-2, и соединены с корпусом (1), методом диффузионной сварки, а промежуточные прокладки (9), (10) и (11) выполнены из сплава на основе алюминия, например АМц, что обеспечивает герметизацию корпуса методом диффузионной сварки. Диэлектрическая прокладка (5), разделяющая катод (3) и поджигающий электрод (4), выполнена из слюды.
пл.никел.сплава
пл.алюм.сплава
кип.никел.сплава
кип. АМц
н.п.никел.сплава
н.п.алюм.сплава
-4
По сравнению с материалом электродов прототипа (алюминиевый сплав) никелевый сплав, например НП-2, имеет более высокую температуру плавления (Т>1400°C; Т>654°C), температуру кипения (Т>2800°C; Т=2500°C) и низкое давление насыщенных паров (при Т=1000°C: р<10 Па; р=0,07 Па). Количество расплавленного вещества катода (3), натекающего на диэлектрическую прокладку (5), меньше при использовании катода из более тугоплавкого сплава на основе никеля, что приводит к увеличению ресурса работы разрядника.
Устройство работает следующим образом.
Срабатывание разрядника, установленного в электрической цепи, заключается в ее замыкании при инициировании вакуумного электрического разряда в промежутке между катодом (3) и анодом (2), заключенных в герметичном диэлектрическом корпусе (1). Катод (3) и анод (2) имеют наружные выводы (7) и (6), снабженные в местах контакта со стенками корпуса (1) промежуточными прокладками (10) и (9). Кратковременный электрический импульс подается на поджигающий электрод (4) через наружный вывод (8), также снабженный в местах контакта со стенками корпуса (1) промежуточными прокладками (11), инициируя развитие разряда по поверхности диэлектрической прокладки (5) в промежутке между поджигающим электродом (4) и заземленным катодом (3).
Находящийся под постоянным напряжением анод (2) создает в межэлектродном пространстве поле, способствующее дрейфу плазмы в сторону анода (2). При достижении анода катодная плазма способствует его разогреву, плавлению и эмиссии вещества анода в пространство. Эти процессы составляют основу пробоя межэлектродного промежутка катод-анод в управляемом вакуумном разряднике.
Толщина диэлектрической прокладки составляет около 0,1 мм, в то время, как зазор между катодом и анодом - около 2 мм, что позволяет избежать случайного пробоя межэлектродного промежутка.
min
max
Ресурс разрядника определяется количеством срабатываний разрядника, при которых импульсное напряжение пробоя (ИНП) принимает допустимые значения (не выходит за границы заданного интервала ИНП<ИНП<ИНП). Во время срабатывания разрядника в области горения разряда на катоде образуется катодное пятно, характеризующееся высокой температурой нагрева, расплавлением и выбросом («расплескиванием») вещества катода в пространство.
Первоначально плазменная дуга зажигается вблизи диэлектрической прокладки (ДП), поэтому капли расплавленного вещества катода натекают на ДП, что уменьшает импульсное напряжение пробоя промежутка ПЭ-катод, определяющее срабатывание разрядника. Когда импульсное напряжение пробоя выходит за допустимые пределы, ресурс работы разрядника считается выработанным.
-3
Собранный прибор герметизируется методом диффузионной сварки в вакууме. Его помещают в вакуумную камеру и проводят откачку до давления P<10 Па. Потом проводят активацию алюминия на поверхности прокладок 9, 10, 11 путем выдержки изделия при температуре от 500°C в течение 300 минут без силового усилия. Затем при осевом усилии от 2000 Н до 3000 Н прибор выдерживают при температуре от 400°C до 500°C в течение 20 минут, потом понижают усилие до уровня от 1000 Н до 1800 Н и выдерживают прибор при той же температуре в течение 10-15 минут. На этом этапе происходят основные процессы образования плотного физического контакта и начало образования химических связей между никелем и алюминием, а также между алюминием и керамикой. Затем проводят повышение температуры до уровня от 500°C до 550°C и выдерживают прибора при осевом усилии от 300 Н до 700 Н.
Были проведены сравнительные испытания ресурса разрядника на количество срабатываний предлагаемого устройства и известного прототипа, которые показали, что при коммутации токов до 10 А и подаваемых на анод напряжениях до 10 кВ ресурс срабатываний предлагаемого устройства более чем на 30% превышает ресурс прототипа. Кроме того, отсутствие внешних магнитов обеспечивает малые габариты устройства и позволяют использовать его в более компактных приборах, что расширяет область его применения.
Таким образом, предлагаемая полезная модель направлена на решение поставленной задачи, обеспечивает достижение технического результата при использовании всех существенных признаков, указанных в формуле и соответствует всем критериям патентоспособности в соответствии с действующим законодательством.