ВЫСОКОВОЛЬТНОЕ РЕЛЕ
HIGH-VOLTAGE RELAY

Изобретение относится к электротехнике, а именно к высоковольтным вакуумным реле и может быть использовано также для переключения различных высоковольтных слаботочных цепей.
Известно /1/ реле - высоковольтный переключатель, в котором переключение высокого напряжения осуществляется за счет специального управления полупроводниковыми полевыми транзисторами, соединенными последовательно. Недостатком такого реле является отсутствие гальванического разрыва и выход из строя (пробой полупроводников) реле при бросках импульсного напряжения.
Известно /2/ реле на герконе, содержащее ферромагнитные контакты в герметизированном корпусе, заполненном инертным газом, катушку для управления работой реле. Такие герконы работают при напряжениях до 250 В, так как при напряжениях более 300 В газонаполненные герконы пробиваются.
Наиболее близким к заявляемому изобретению является высоковольтное реле /3/, содержащее герконы с ферромагнитными контактами в вакумированном герметичном корпусе, катушку для управления работой реле. Такие герконы работают до 5-10 кВ. Контакты таких реле при переключениях привариваются и не размыкаются, поэтому количество срабатываний ограничено. При напряжениях выше 10 кВ они пробиваются.
Техническим результатом предлагаемого изобретения является увеличение величины коммутируемого напряжения до 15, 30, и 50-70 кВ, так, чтобы реле оставалось работоспособным при достаточном количестве коммутаций без повреждения контактов геркона и не пробивалось.
Технический результат достигается тем, что в высоковольтном реле, содержащим высоковольтный вакуумный геркон с ферромагнитными контактами в вакуумированном герметичном корпусе и катушку для управления работой реле, последовательно с высоковольтным вакуумным герконом в цепь реле включен дугогасящий элемент, выполненный в виде проводящих площадок, расположенных на диэлектрической поверхности последовательно, соединенных диэлектрическими зазорами.
Диэлектрические зазоры могут быть снабжены поверхностной полупроводящей пленкой в виде двумерной пленки, выполненной из нульмерных элементов.
Состав реле.
1. Высоковольтный вакуумный геркон, который содержит ферромагнитные контакты в вакуумированном герметичном корпусе.
2. Катушка для создания переключающего магнитного поля, расположенная снаружи высоковольтного вакуумного геркона.
3. Последовательно с высоковольтным вакуумным герконом расположен дугогасящий элемент, состоящий из последовательно расположенных на диэлектрической поверхности проводящих площадок, соединенных полупроводящей поверхностной пленкой, также расположенной на поверхности диэлектрика. Сам диэлектрик, например, кварц, представляет собой широкозонный полупроводник и имеет очень высокое сопротивление. Но его поверхность загрязнена примесями, пылью, адсорбированными пленками воды, углеводородов и поэтому является полупроводником с более узкой запрещенной зоной, а поэтому и более проводящей (имеет пониженное сопротивление и более склонно к пробою). Нанесение специальной пленки, например, микрочастиц закиси меди или пленки другого состава приводит к более воспроизводимым и стабильным режимам переключения. Хотя реле работает и с случайными видами покрытия и со специально сформированными поверхностными двумерными структурами.
Работа реле.
При разомкнутом герконе сопротивление последовательно соединенных геркона и дугогасящего элемента бесконечное. Ток не проходит и высокое напряжение не пробивает реле. (Геркон отдельно пробивается высоким напряжением.)
При замыкании реле сопротивление геркона становится на уровне десятой доли Ома, а дугогасящий элемент пробивается и его сопротивление становится на уровне менее 10 Ом. Напряжение на контактах реле геркона уменьшается пропорционально количеству зазоров во время включения-выключения реле. Поэтому мощность на контактах геркона уменьшается пропорционально квадрату количества зазоров. Протяженность разряда увеличивается. Время затухания дуги между контактами геркона значительно сокращается. Это происходит в том числе из-за формирования дугогасящим элементом из постоянного тока импульсный с короткими импульсами в десятую долю микросекунды и током порядка 300-500 А частота повторения импульсов порядка килогерца. Средний ток, проходящий через реле-миллиамперы.
Количество разрывов дугогасящего элемента при минимальных расстояниях (десятые доли миллиметра) выбирается таким, чтобы при замкнутом вакуумном герконе между проводящими контактами возникал скользящий разряд. Островковые структуры со средним линейным размером на уровне 0,1 мкм, расположенные на поверхности диэлектрика между металлическими площадками, облегчают зажигание поверхностного скользящего разряда и делают более надежным работу устройства. Островковые структуры работают как острия, имеют заряды, способствуют возникновению разряда. Максимальное усиление поля возникает на минимальных размерах островков (наноразмерных частиц) вблизи контактных металлических площадок дугогасителя. Островковые структуры совместно с адсорбированными газами и газом атмосферы формируют каналы специфического разряда с высокой проводимостью. Проводимость в области канала складывается из суммы проводимостей полупроводящей пленки на поверхности диэлектрика с неравновесной температурой (энергией, где 1 эВ = 11600 К) электронной подсистемы в тысячи градусов и проводимости приповерхностного газового разряда. Оба эти процесса проводимости взаимно влияют друг на друга и усиливают (и за счет ионной бомбардировки поверхности полупроводящей пленки и за счет ионизации электронами газов над поверхностью полупроводника).
Пример 1 исполнения реле.
Использован вакуумный геркон Рязанского завода металлокерамических приборов с катушкой, обеспечивающей срабатывание при 12 В управляющего напряжения. Последовательно с ним соединен элемент дугогаситель в виде 6 медных колец шириной 3 мм с зазорами между ними 0,3 мм расположенных на кварцевой трубке диаметром 7 мм. В зазорах сформирована двумерная пленка из закиси меди со средним размером островков 0,1 мкм. К крайним кольцам припаяны медные выводы, для подключения к высоковольтному геркону с одной стороны и к источнику питания 30 кВ с другой. Второй вывод геркона подключен к источнику питания 30 кВ так, что цепь для коммутации через сопротивление нагрузки замыкается. Подавая переменное напряжение 12 В с частотой 100 Гц на управляющую катушку можно коммутировать напряжение 30 кВ. Испытания показали, что реле сохранило работоспособность при 4 миллионах срабатываний, что превышает в 100 раз показатели для более низких напряжений (5 кВ) аналога.
Пример 2 исполнения реле. Отличия.
Дугогасительный элемент выполнен на плоской кварцевой площадке с 3 зазорами и коммутировалось напряжение источника 15 кВ. Реле не залипло при нормативных количествах переключений.
Литература
1. http://mantigora.ru
2. Рабкин Л.И., Евгенова И.Н. Герконы (герметизированные магнитоуправляемые контакты) М. Связь 1968 80 с.
3. Магнитоуправляемые контакты (герконы) и изделия на их основе: Монография / С.М. Карабанов, P.M. Майзельс, В.Н. Шоффа, под ред. д.т.н., проф. В.Н. Шоффы - Долгопрудный: Издательский дом «Интеллект», 2011. 407 с.