ГАЗОНАПОЛНЕННЫЙ РАЗРЯДНИК
GAS-FILLED SURGE ARRESTER

Изобретение относится к газоразрядной технике и может быть использовано при разработке газонаполненных разрядников со стабильным напряжением пробоя.
Известен газонаполненный разрядник, в который с целью стабилизации напряжения пробоя вводят радиоактивный препарат [Патент США №2990492, 313-54, 1960 г.].
Наличие радиоактивного препарата в газонаполненном разряднике приводит к появлению свободных электронов в газовом объеме за счет радиоактивного распада, что способствует процессу стабилизации газового разряда. В таких разрядниках отсутствует эффект первого пробоя, т.е. резкое отклонение от его среднего значения.
Основным недостатком такого газонаполненного разрядника является необходимость соблюдения мер безопасности при работе с радиоактивными препаратами как в процессе его производства, так и при эксплуатации.
Известен также газонаполненный разрядник, содержащий основные электроды, образующие разрядный промежуток, и дополнительный электрод, выполненный в виде узкой металлической полоски, нанесенной на внутреннюю поверхность изоляционной оболочки прибора и имеющей с одной стороны контакт с одним из электродов. Другой конец полоски доходит до середины межэлектродного расстояния [Патент США №358576, 313-306, 1970 г.].
Усиление напряженности электрического поля у торцевой кромки металлической полоски на внутренней поверхности изоляционной оболочки разрядника при подаче напряжения на его электроды вызывает появление свободных электронов в межэлектродном промежутке, что стабилизирует процессы развития разряда, повышая стабильность напряжения пробоя между основными электродами.
В этой конструкции газонаполненного разрядника при его работе в процессе эксплуатации происходит распыление материала электродов, который напыляется как на саму металлическую полоску, так и на оболочку около нее. В результате усиление электрического поля ослабевает и по мере дальнейшего напыления материала электродов на внутреннюю оболочку прибора эффект стабилизации напряжения полностью исчезает.
Наиболее близким к предлагаемому изобретению является газонаполненный разрядник, содержащий основные электроды, образующие разрядный промежуток, и дополнительный электрод, соединенный с одним из основных электродов, например катодом, и выполненный в виде петли из проволоки, при этом отношение расстояния между свободным концом петли и противоположным электродом (1) к расстоянию между основными электродами (s) выбрано в пределах 2-4.
Разрядник такой конструкции работает следующим образом. При подаче напряжения между основными электродами вначале между свободным концом петли и основным электродом без электрической связи с дополнительным электродом возникает коронный разряд. В результате чего начальная концентрация электронов в разрядном промежутке увеличивается, происходит также облучение разрядного промежутка излучением короны. В результате облегчается зажигание основного промежутка и стабилизируется напряжение пробоя.
Основным недостатком такой конструкции является ограниченный срок службы прибора в заданном эксплуатационном режиме из-за неравномерного распределения электрического поля, вызванного смещением рабочей области разряда в сторону дополнительного электрода, при этом рабочая поверхность электродов значительно уменьшена и расположена вблизи границы электродов с неоднородным электрическим полем. Из-за уменьшения рабочей поверхности электродов усиливается эрозия материала электродов в процессе наработки, что вместе с неоднородным электрическим полем снижает стабильность напряжения пробоя.
Задачей изобретения является создание газонаполненного разрядника с высокой стабильностью напряжения пробоя.
Указанный технический эффект достигается тем, что в известном газонаполненном разряднике, содержащем анод и катод, образующие разрядный промежуток, и дополнительный электрод, соединенный с катодом, дополнительный электрод выполнен из материала с нанокластерной структурой, например, из полиакрилонитрильных углеродных волокон, размещенных в металлической капсуле цилиндрической формы с открытым концом, расположенной в катоде, имеющем над открытым концом капсулы отверстие, в сторону которого направлена рабочая поверхность дополнительного электрода, электрически соединенного через замкнутый конец капсулы с катодом, при этом расстояние h между рабочими поверхностями дополнительного электрода и катода, величина разрядного промежутка s и диаметр d отверстия в катоде связаны соотношениями:
h/s≥1,
d≤s.
Стабилизация напряжения пробоя в предлагаемой конструкции газонаполненного разрядника происходит за счет инжекции свободных электронов в основной разрядный промежуток из дополнительного электрода (катода), выполненного на основе материала нанокластерной структуры, например, полиакрилонитрильных углеродных волокон с низким уровнем автоэлектронной эмиссии, под действием электрического поля основных электродов при приложении напряжения между ними.
Выполнение соотношений размеров элементов разрядника: h/s≥1, d≤ s определяет условия отсутствия пробоя между анодом и рабочей поверхностью дополнительного электрода, например, открытыми торцами полиакрилонитрильных углеродных волокон, вызывающего распыление материала дополнительного электрода в разрядный промежуток и, как следствие, снижение стабильности срабатывания.
При h/s=1 и d=s - предельные значения соотношений, при которых отсутствуют пробои между анодом и рабочей поверхностью дополнительного электрода.
При h/s>1 и d<s имеет место ослабление влияния электрического поля основных электродов на распределение поля в непосредственной близости от рабочей поверхности дополнительного электрода и чем больше степень вышеуказанных неравенств, тем меньше напряженность электрического поля около рабочей поверхности дополнительного электрода. В этом случае отсутствуют пробои между анодом и дополнительным электродом, а стабильность срабатывания будет определяться выбором геометрических размеров элементов разрядника, при которых с подачей напряжения на электроды создается напряженность электрического поля в непосредственной близости от рабочей поверхности дополнительного электрода, достаточная для инжекции электронов (электронной эмиссии) в канал разряда, и, как правило, выбирается исходя из минимальных размеров разрядника.
При h/s<1 и d>s наблюдается усиление влияния электрического поля основных электродов на характер распределения поля в непосредственной близости от рабочей поверхности дополнительного электрода, вызывающего пробой между анодом и дополнительным электродом с низкой стабильностью срабатывания.
Для нанокластерных структур материала, такого как полиакрилонитрильные углеродные волокна, имеющего в своей структуре легковесные фракции, в процессе работы разрядника возможны попадания мелких частиц углерода в разрядный промежуток, вызывающих его нестабильное срабатывание. Для устранения этого недостатка дополнительный электрод закрывают специальным экраном, который не изменяет конфигурацию электрического поля и является «прозрачным» для электронов.
Такой экран может представлять собой фильтр с тонкой перегородкой, например, из пористой керамики.
Другим решением проблемы попадания легковесных фракций в канал разряда во время работы разрядника является остекловка составных частей материала с нанокластерной структурой, например, полиакрилонитрильных углеродных волокон в металлической капсуле.
Низкий уровень электронной эмиссии нанокластерных материалов, в частности, полиакрилонитрильных углеродных волокон, обеспечивает достаточную инжекцию электронов в разрядный промежуток при сравнительно низком напряжении между основными электродами, что обеспечивает высокую стабильность срабатывания разрядника. Стабильность срабатывания разрядника еще больше увеличивается при устранении попадания легких фракций этих материалов за счет отделения рабочей поверхности дополнительного электрода от разрядного промежутка экраном из материала, не влияющего на конфигурацию электрического поля и являющегося "прозрачным" для электронов, например пористой керамики в виде фильтра с тонкой перегородкой, и расположенным внутри катода в непосредственной близости от рабочей поверхности дополнительного электрода. В случае выполнения дополнительного электрода из полиакрилонитрильных углеродных волокон стабильность срабатывания разрядника можно дополнительно увеличить за счет остекловки боковой поверхности полиакрилонитрильных углеродных волокон. Остекловка также является основным способом крепления полиакрилонитрильных углеродных волокон в металлической капсуле с последующим освобождением торцов углеродного волокна от стекла путем шлифовки.
При таком способе крепления полиакрилонитрильных углеродных волокон легковесные фракции волокна не попадают в процессе работы разрядника в межэлектродный промежуток и, тем самым, способствуют стабильной работе разрядника.
Проведенный заявителем анализ уровня техники, включающий поиск по патентным и научно-техническим источникам информации, позволил установить, что не обнаружен аналог, характеризующийся признаками, идентичными всем существенным признакам заявленного изобретения. Сравнение с прототипом позволило выявить совокупность существенных признаков по отношению к усматриваемому техническому результату, изложенных в формуле изобретения.
Следовательно, заявленное изобретение отвечает требованию «новизна» по действующему законодательству.
Для проверки изобретательского уровня был проведен дополнительный поиск известных решений, результаты которого показывают, что заявленное изобретение не следует для специалиста явным образом из известного уровня техники, так как не выявлены технические решения, в которых была бы повышена стабильность напряжения пробоя разрядника за счет выполнения дополнительного электрода из материала с нанокластерной структурой, например из полиакрилонитрильных углеродных волокон, размещенных в металлической капсуле цилиндрической формы с открытым концом, расположенной в катоде, имеющем над открытым концом капсулы отверстие, в сторону которого направлена рабочая поверхность дополнительного электрода, электрически соединенного через замкнутый конец капсулы с катодом, при этом расстояние h между рабочими поверхностями дополнительного электрода и катода, величина разрядного промежутка s и диаметр d отверстия в катоде связаны соотношениями:
h/s≥1,
d≤s.
Также не выявлены технические решения, в которых повышение стабильности напряжения пробоя разрядника достигалось бы путем отделения рабочей поверхности дополнительного электрода от разрядного промежутка экраном из материала, мало влияющего на конфигурацию электрического поля и являющегося «прозрачным» для электронов, например пористой керамикой в виде фильтра с тонкой перегородкой, а при изготовлении дополнительного электрода из полиакрилонитрильных углеродных волокон за счет остекловки их боковой поверхности.
Заявленное изобретение поясняется чертежом, где показан один из вариантов предлагаемой конструкции газонаполненного разрядника.
Газонаполненный разрядник (фиг.1) содержит основные электроды анод 1 и катод 2, расположенные друг против друга по оси прибора, изолятор 3, разделяющий их, дополнительный электрод 4, выполненный из материала нанокластерной структуры, например из полиакрилонитрильных углеродных волокон, и расположенный внутри катода 2 по оси прибора в цилиндрической капсуле 5, один конец которой имеет электрический (гальванический) контакт с торцами углеродных волокон и катодом 2, а другой открытый конец капсулы 5 и торцы полиакрилонитрильных углеродных волокон направлены в сторону разрядного промежутка и связаны с ним через отверстие в катоде 2, экран 6, выполненный из пористой керамики, препятствующий попаданию легких фракций материала дополнительного электрода 4 в разрядный промежуток прибора, два фланца 7, 8 и штенгель 9 для откачки прибора и наполнения его рабочей смесью газов.
Работает газонаполненный разрядник следующим образом. В результате подачи высоковольтного напряжения на анод 1 и катод 2 происходит зарядка накопительной емкости источника питания совместно с емкостью разрядного промежутка, при этом электрическое поле основных электродов влияет на характер распределения линий равного уровня электрического поля в непосредственной близости от торцов полиакрилонитрильных углеродных волокон внутри отверстия катода 2 и зависит от геометрических размеров разрядного промежутка s, диаметра отверстия d в катоде 2, расстояния h между торцами полиакрилонитрильных углеродных волокон и рабочей поверхностью катода 2? толщины экрана и величины его диэлектрической проницаемости. При достижении порогового значения напряженности электрического поля в непосредственной близости от торцов полиакрилонитрильных углеродных волокон, т.е. напряженности, при которой происходит эмиссия электронов с их торцов, дополнительный электрод 4 инжектирует электроны в межэлектродный промежуток газонаполненного разрядника. Наличие эффективных электронов стабилизирует процессы развития разряда, повышая стабильность напряжения пробоя между основными электродами. Это объясняется уникальными свойствами материала, способностью на несколько порядков увеличивать напряженность электрического поля вблизи центров эмиссии за счет наноструктуры поверхности катода. В нашем случае за счет структуры полиакрилонитрильных углеродных волокон, которая представляет собой цепочки молекул, состоящие из атомов углерода и вытянутых вдоль оси волокон. Минимальный радиус кривизны вершины эмиссионного центра составляет порядка 1Ǻ. Таким образом, применение предлагаемой конструкции с использованием в качестве материала дополнительного электрода материала с нанокластерной структурой позволит значительно повысить стабильность напряжения пробоя разрядного промежутка и, тем самым, полностью исключить применение изотопов для этой цели.
2
2
6
На базе серийно выпускаемого коммутационного разрядника Р-90 были изготовлены макетные образцы, соответствующие заявленной конструкции с разрядным промежутком 2,5 мм и напряжением пробоя 14 кВ, наполненные смесью газов 10% Н+90% Ar без радиоактивного изотопа. Были проведены сравнительные испытания макетных образцов предлагаемой конструкции газонаполненного разрядника с серийно выпускаемым разрядником Р-90, наполненным смесью газов 10%H+Ar с радиоактивным тритием. Испытания проводились в течение минимальной наработки разрядника P-90, равной 3×10 пробоев при коммутации энергии в импульсе W=30 Дж.
Сравнительные испытания показали высокую стабильность напряжения срабатывания предлагаемой конструкции газонаполненного разрядника без радиоактивного изотопа в сравнении с серийно выпускаемым коммутационным разрядником Р-90, для стабилизации напряжения пробоя которого используется радиоактивный тритий. Абсолютное отклонение от среднего значения напряжения пробоя предлагаемого газонаполненного разрядника в процессе всей наработки не превышало 50 В, что значительно меньше в сравнении с серийным прибором Р-90, в котором отклонение от среднего значения превышает 200 В.
Таким образом, предлагаемая конструкция газонаполненного разрядника позволяет получить высокую стабильность напряжения пробоя за счет введения дополнительного электрода из материала с нанокластерной структурой, например, полиакрилонитрильных углеродных волокон, размещенных в металлической капсуле в катоде.
Указанный способ инжектирования электронов в разрядный промежуток найдет широкое применение в газоразрядных приборах для стабилизации процессов в канале разряда без использования радиоактивных изотопов.