ГАЗОНАПОЛНЕННЫЙ РАЗРЯДНИК Российский патент 1997 года по МПК H01J17/00 H01T1/00 

Изобретение относится к высоковольтной импульсной технике, а именно к устройствам сильноточных импульсных газонаполненных разрядников, предназначенных для использования в качестве коммутаторов в высоковольтных цепях при формировании наносекундных импульсов высокого напряжения.

Известен газонаполненный разрядник (см. Э.А. Авилов и др. а.с. СССР N 1431588, кл. H О1 J 17/00, опубл. в БИ N 2, 1991), содержащий металлический корпус в виде цилиндрического стакана, изолятор в виде усеченного конуса, размещенного внутри корпуса и соединенного с ним большим основанием, а также два электрода. Электроды установлены друг против друга, один из электродов закреплен на внутренней поверхности дна корпуса, а другой на торцевой поверхности меньшего основания изолятора.

При приложении высокого импульсного напряжения к промежутку между электродами происходит его пробой, и импульс напряжения, обусловленный протеканием тока в разрядном контуре, выделяется на нагрузке, при этом крутизна нарастания импульса на нагрузке определяется временем коммутации (пробоя) разрядника и индуктивностью разрядного контура, а распределение потенциала электрического поля вдоль образующей конической поверхности изолятора и между выводом электрода и корпусом зависит от взаимного расположения изолятора, корпуса и вывода электрода.

Наиболее близким к заявляемому устройству является газонаполненный разрядник (см. Р.А. Рафиков и А.А. Герасимов, а.с. СССР N 1402187, кл. H О1 J 17/00, опубл. в БИ N 2, 1990), содержащий электроды, установленные друг против друга в металлическом корпусе, и изоляторы в виде усеченных конусов, меньшие основания которых закреплены на электродах, а большие на торцах корпуса.

Корпус цилиндрический, выполнен из ковара, электроды расположены соосно, состоят из рабочей части сферической формы, нерабочей части цилиндрической формы и электродной ножки. Конические изоляторы изготовлены из керамики и имеют одинаковую длину образующих.

Разрядник заполнен смесью ксенона и углекислого газа до давления 12 атм.

При приложении напряжения к электродам разрядника в разрядном промежутке возникает сильное электрическое поле. Свободный электрон, попадая в межэлектродный промежуток, ускоряется в электрическом поле и ионизирует атом газа, при этом вновь появляются свободные электроды, происходит быстрое образование электронных лавин и за время порядка десятков наносекунд формируется канал пробоя диаметром порядка 1 мм.

Недостатком разрядника-прототипа является необходимость увеличения габаритов разрядника соответственно с ростом его статического пробивного напряжения и коммутируемой энергии.

При создании данного изобретения решалась задача обеспечения условий работы заявляемого разрядника в схемах генераторов импульсного высокого напряжения, где главным условием является ограничение объемов элементов схемы.

Техническим результатом является сокращение габаритов и собственной индуктивности разрядника.

Указанный технический результат достигается тем, что по сравнению с известным газонаполненным разрядником, содержащим электроды, установленные друг против друга в металлическом корпусе, и изоляторы в виде усеченных конусов, меньшие основания которых закреплены на электродах, а большие на торцах корпуса, новым является то, что длина образующей изолятора, работающего под импульсным напряжением, выполнена равной 0,4 0,6 длины образующей изолятора, работающего под статическим напряжением.

Экспериментально установлено, что пробивная электропрочность поверхности изолятора в воздухе при нормальных условиях, т.е. при давлении 760 мм рт. ст. и температуре 20^oС, и статическом напряжении лежит в пределах 1 1,5 кВ/мм.

При переходе к импульсным напряжениям микросекундного диапазона значение пробивной электропрочности поверхности изолятора возрастает до 2 3 кВ/мм соответственно в указанных выше условиях.

Это позволяет сократить примерно вдвое длину образующей изолятора, работающего при импульсном напряжении, амплитуда которого равна исходному статическому напряжению.

При создании данного изобретения удалось сократить габаритные размеры разрядника, а более конкретно его длину на 30 40% по сравнению с габаритами, полученными путем простого увеличения геометрических размеров прототипа. Сокращение габаритов обеспечивает не только снижение материалоемкости разрядника, но и уменьшение собственной индуктивности разрядника.

Если длину образующей изолятора, работающего под импульсным напряжением, выполнить менее 0,4 от длины образующей изолятора, работающего под статическим напряжением, то начнутся электрические пробои по наружной поверхности укороченного изолятора, находящейся в обычной воздушной среде, и произойдет аварийное шунтирование конденсатора высоковольтного генератора.

А если длина образующей будет более 0,6, то выигрыш по материалоемкости и индуктивности разрядника будет незначительным.

На фиг. 1 изображен заявляемый газонаполненный разрядник в разрезе.

Газонаполненный разрядник содержит электроды 1 и 2, установленные друг против друга в металлическом корпусе 3, и изоляторы 4 и 5 в виде усеченных конусов, меньшие основания которых закреплены на электродах 1 и 2, а большие
на торцах корпуса 3. Длина образующей изолятора 4, работающего под импульсным напряжением, выполнена равной 0,4 0,6 длины образующей изолятора 5, работающего под статическим напряжением.

В примере конкретного выполнения заявляемого разрядника корпус 3 был изготовлен из стали и имел диаметр 84 мм и длину 128 мм. Электроды 1 и 2 вытачивались из вольфрамового сплава, изоляторы 4 и 5 из керамики. Рабочая полость разрядника заполнялась техническим водородом.

При работе заявляемый разрядник выполняет роль быстродействующего электрического ключа в высоковольтном RLC контуре. Его металлический корпус и укороченный изолятор с закрепленным на нем электродом подключены к нагрузке RL и во время зарядки конденсатора C находятся под нулевым потенциалом. Соответственно другой удлиненный изолятор с закрепленным на нем электродом соединен с конденсатором C и работает под высоким статическим напряжением. При достижении на высоковольтном электроде разрядника статического напряжения, соответствующего пробивному значению для данного межэлектродного зазора и давления газа, происходит быстрое увеличение числа электронных лавин и формирование искрового канала разряда. Результатом этих процессов является закорачивание за время менее 10 нс межэлектродного зазора и подключение конденсатора к нагрузке.

Таким образом, благодаря сокращению длины образующей изолятора, работающего под импульсным напряжением, удается уменьшить размер (высоту) заявляемого разрядника в 1,4 раза и соответственно его индуктивность уменьшить на 30 40% по сравнению с вариантом, полученным путем пропорционального увеличения геометрических размеров прототипа.

Использование: изобретение относится к высоковольтной импульсной технике и предназначено для использования в качестве коммутатора в высоковольтных цепях при формировании импульсов высокого напряжения. Сущность: газонаполненный разрядник содержит электроды, установленные друг против друга в металлическом корпусе, и изоляторы в виде усеченных конусов, меньшие основания которых закреплены на электродах, а большие - на торцах корпуса. Новым является то, что длина образующей изолятора, работающего под импульсным напряжением, выполнена равной 0,4 - 0,6 длины образующей изолятора, работающего под статическим напряжением. 1 ил.

Газонаполненный разрядник, содержащий электроды, установленные друг напротив друга в металлическом корпусе, и изоляторы в виде усеченных конусов, меньшие основания которых закреплены на электродах, а большие на торцах корпуса, отличающийся тем, что длина образующей изолятора, работающего под импульсным напряжением, выполнена равной 0,4 0,6 длины образующей изолятора, работающего под статическим напряжением.