РАЗРЯДНИК Российский патент 2004 года по МПК H01T1/20 H01T2/02 

Изобретение относится к области конструирования газоразрядных приборов, конкретно к управляемым и неуправляемым защитным разрядникам, и может быть использовано в устройствах электротехнического оборудования различного назначения для защиты от перенапряжений, а также для коммутации электрических цепей.

Известен защитный разрядник [1], содержащий вакуумно-плотную оболочку, внутри которой установлены два противолежащих электрода, в промежутке между которыми расположен узел инициирования разряда, выполненный в виде полупроводникового элемента, и электрически соединенный с одним из электродов и диэлектрической втулкой, имеющей электрический контакт как с полупроводниковым элементом, так и с другим основным электродом, емкость которой не меньше емкости полупроводникового элемента.

Предложенная конструкция имеет большую собственную емкость и недостаточную долговечность из-за быстрого выхода из строя полупроводникового элемента за счет ограничения тока только внутренним сопротивлением полупроводника, включенного в прямом направлении, при приходе импульса перенапряжения. Кроме того, в связи с тем, что узел инициирования находится в зоне разряда, происходит тепловой пробой полупроводникового элемента при прохождении импульса тока.

Известен защитный разрядник [2], который содержит два противостоящих основных электрода, образующих с цилиндрическим изоляционным корпусом вакуумно-плотную оболочку, и инициирующие электроды, соединенные с основными электродами через резистивные элементы сопротивлением 1-10⁸ Ом. Инициирующие электроды установлены друг относительно друга с микрозазором, длина которого выбрана из условия возникновения в нем автоэлектронной эмиссии при рабочих напряжениях.

Предложенная конструкция из-за малой вероятности ионизации газа в микрозазоре имеет существенное время запаздывания.

Эти недостатки устраняются при новом техническом решении. Техническое решение достигается тем, что узел инициирования заряженных частиц или/и фотонов (инициатор пробоя), совместно с или активными или/и реактивными элементами образует электрическую цепь, включенную параллельно основным электродам. Инициатором пробоя является любой источник заряженных частиц или/и фотонов, например диспергированные пленки, обратно смещенные р/n переходы, структуры металл - диэлектрик - металл, металл - диэлектрик - полупроводник, полупроводники на основе халькогенидов, светодиоды. Причем инициатор пробоя удален от основного разрядного промежутка на расстояние, меньшее или равное расстоянию между электродами разрядника. При этом параметры емкости индуктивности и сопротивлений всех элементов цепи зависят от параметров применяемого инициатора и скорости нарастания напряжения в цепи. Они выбираются из условий, при которых рабочее напряжение на инициаторе пробоя достигается раньше, чем будет достигнуто статическое напряжение пробоя разрядника.

Возможно использование в цепи инициатора емкости и индуктивности, включенной последовательно или/и параллельно относительно инициатора пробоя и/или дополнительного сопротивления.

В качестве активных сопротивлений, кроме резисторов, возможно использование других элементов, например варисторов, полупроводниковых элементов и т. д.

На фиг.1-2 представлены конструкции испытываемых разрядников.

В первом варианте конструкции разрядника электроды 1, 2 и изолятор 7 образуют с вакуумно-плотную оболочку (фиг.1), в котором через углубление 4 в первом электроде 1 проходит дополнительный элемент (узел инициирования пробоя) с расположенными на нем инициатором пробоя 3, дополнительным сопротивлением 5 и обкладкой дополнительной емкости 6. Причем сопротивление может подключаться как с одной стороны инициатора, так и с обеих сторон, и функции дополнительной емкости может выполнять конструктивная емкость между элементами узла инициирования пробоя и электродом 1. Узел инициирования пробоя подключен параллельно разрядному промежутку.

Во втором варианте конструкции разрядника (фиг.2) через центральное отверстие 4 в первом электроде 1 проходит дополнительный элемент (вставка) с расположенными на нем инициатором 3 и дополнительным сопротивлением 5. Причем сопротивление может подключаться как с одной стороны инициатора, так и с обеих сторон. Дополнительный элемент имеет электрический контакт с электродом 2 и через дополнительный изолированный вывод 8 в разряднике подключается или к дополнительной емкости 6, соединенной с первым электродом, или же конструктивная емкость между дополнительным выводом и первым электродом выполняет функции дополнительной емкости. Вместо емкости 6 возможно использование дополнительной индуктивности или в цепи инициатора пробоя имеются оба элемента.

Разрядники наполнены инертным газом. Измерение динамического напряжения пробоя проводилось при крутизне нарастания напряжения 1кВ/мкс.

Проведенные сравнительные испытания с различными инициаторами пробоя дали следующие результаты.

1. Динамическое напряжение пробоя в разрядниках с полупроводниковыми инициаторами, выполненными на основе карбида кремния, включенными в обратном направлении (обратно смещенные) с R·С=0,5 мкс составляло 60-80% динамического напряжения пробоя разрядников, инициаторами которых являлись микрозазоры.

2. Динамическое напряжение пробоя в разрядниках с инициаторами, выполненными в виде диспергированных пленок (окись олова), последовательно включенными с дополнительной индуктивностью и сопротивлением, составляло 70% динамического напряжения пробоя разрядников, инициаторами которых являлись микрозазоры.

3. Динамическое напряжение пробоя в разрядниках с инициаторами, выполненными в виде структур металл - диэлектрик - металл, последовательно включенных с дополнительной емкостью и сопротивлением, составляло 65-80% динамического напряжения пробоя разрядников, инициаторами которых являлись микрозазоры.

Полученные результаты объясняются тем, что при выполнении вышеназванных условий появляется возможность получить на инициаторе рабочее напряжение (напряжение, при котором начинается эмиссия с инициатора) раньше, чем будет достигнуто статическое напряжение пробоя разрядника, т. е. раньше получить в разрядном промежутке фотоны или заряженные частицы, что облегчает пробой разрядного промежутка.

Использование данного технического решения позволяет улучшить динамические характеристики разрядников на 20-30% по сравнению с разрядниками, выпускаемыми промышленностью. Это позволяет повысить надежность защищаемой аппаратуры.

1. Патент России №2084062 с приоритетом от 28.06.94. Разрядник // В.Ф.Анисимов, А.С.Арефьев, Ю.В.Киселев.

2. А. с. СССР №1135405 H 01 T 1/20 1983г. Защитный разрядник // Киселев, Ю.В., Тухас В.А., Яшкова В.М.

Изобретение относится к газоразрядной и вакуумной технике, а именно к разрядникам, которые могут быть использованы для защиты от перенапряжений, например, линий АТС или для коммутации электрических цепей. Разрядник содержит не менее двух основных электродов, образующих с изоляционным корпусом вакуумно-плотную оболочку, и по меньшей мере один инициатор пробоя, выполненный на дополнительной вставке, расположенной в зоне основного разрядного промежутка и проходящей через углубление или центральное отверстие хотя бы в одном из основных электродов. Инициатор пробоя совместно с активными или реактивными элементами сопротивления образует электрическую цепь, включенную параллельно основным электродам разрядника. Зазор между вставкой и основным электродом не превышает межэлектродного расстояния. Технический результат - улучшение динамических характеристик срабатывания разрядника и надежности работы защищаемой аппаратуры, 4 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Разрядник, 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, отличающийся тем, что 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.2. Разрядник по п.1, отличающийся тем, что в разряднике имеется дополнительный вакуумно-плотный токоввод для подсоединения инициатора пробоя.3. Разрядник по п.1, отличающийся тем, что в электрическую цепь включенную параллельно электродам разрядника добавлены дополнительные элементы, например индуктивность, варистор, полупроводниковые приборы.4. Разрядник по п.1, отличающийся тем, что элементы электрической цепи, включенной параллельно электродам разрядника, включенные относительно инициатора пробоя в любой последовательности, находятся внутри или/и снаружи изоляционного корпуса разрядника.5. Разрядник по п.1, отличающийся тем, что инициатором пробоя является любой источник эмиссии заряженных частиц или/и фотонов, например диспергированные пленки, обратносмещенные р/n переходы, структуры металл - диэлектрик - металл, металл - диэлектрик - полупроводник, полупроводники на основе халькогенидов, светодиоды.