ВЫСОКОВОЛЬТНЫЙ ВАКУУМНЫЙ ВЫКЛЮЧАТЕЛЬ Российский патент 2006 года по МПК H01H33/66 

Изобретение относится к электротехнике, а именно к высоковольтным вакуумным выключателям, предназначенным для коммутации без нагрузки мощных высокочастотных цепей.

Вакуумный выключатель может найти применение в мощной электротехнической и радиотехнической аппаратуре для переключения нагрузок, отводов катушки высокочастотного контура, антенных цепей, резонансных контуров, конденсаторов высоковольтных цепей в антенно-согласующих устройствах, фильтрах подавления гармоник и т.д.

Известны мощные высокочастотные вакуумные выключатели высокого напряжения, используемые для этих целей [1-3]. Однако в таких вакуумных выключателях со стеклянными и керамическими оболочками при работе с разомкнутыми контактами на высоких частотах при большом рабочем напряжении имеют место сквозные "проколы" стеклянных оболочек или локальный разогрев, а затем разрушение керамических оболочек. Это явление связано с возникновением так называемого "вторично-электронного резонансного разряда" (ВЭРР или его разновидности - полифазного вторично-электронного разряда), поскольку используемый в вакуумных выключателях материал диэлектрика для изолятора подвижного контакта и оболочки имеет коэффициент вторичной электронной эмиссии электронов существенно больше единицы (от 4 до 8 в зависимости от типа выбранного диэлектрика и его исходного материала - стекла или керамики). Механизм возникновения этого явления сводится к тому, что первичные электроны, тем или иным образом возникшие во внутреннем объеме выключателя (автоэлектронная эмиссия, термоэлектронная эмиссия, ионизация и др.), ускоряясь высокочастотным полем при большом рабочем напряжении, приобретают на длине свободного пробега очень большую кинетическую энергию. При этом энергия ускоренных этим полем первичных электронов может превысить энергию, соответствующую первому критическому потенциалу вторичной эмиссии электронов из материала диэлектрика. Вследствие этого первичные электроны при бомбардировке поверхностей диэлектрика оболочки и изолятора выбивают из этих поверхностей вторичные электроны, количество которых пропорционально коэффициенту вторичной электронной эмиссии при данной энергии первичных электронов, но всегда больше единицы. За счет этого на поверхности диэлектрика и в его приповерхностном слое, как правило в месте наибольшей напряженности электрического поля, а именно напротив межконтактного зазора или в местах включений инородного материала с малой работой выхода электронов, например щелочных металлов, формируется поле положительно заряженного локального пятна, которое способствует еще большему притяжению и ускорению первичных электронов. Как только потенциал положительно заряженного пятна оказывается больше порогового значения, необходимого для возникновения и поддержания лавинообразного нарастания вторичных электронов, возникает вторично-электронный резонансный разряд. Он ведет к появлению скользящего разряда по поверхности диэлектрика, к недопустимому разогреву диэлектрика в месте возникновения положительно заряженного пятна за счет превращения в тепло основной доли кинетической энергии электронов, ускоренных высокочастотным полем и полем положительно заряженного локального пятна на поверхности диэлектрика. В результате сильного нагрева локального пятна из него выделяется большое количество паров и газов, следствием чего является возникновение высокочастотного дугового разряда между положительно заряженным локальным пятном на поверхности диэлектрика и высокопотенциальными электродами (контактами) выключателя. Отмеченное выше в конечном итоге ведет к разрушению диэлектрика оболочки и изолятора и выходу выключателя из строя. Возникновение вторично-электронного резонансного разряда (или его разновидности - полифазного вторично-электронного разряда - ПФВЭР), переходящего затем в дуговой высокочастотный разряд, значительно снижает надежность работы высокочастотных вакуумных выключателей, переключателей и реле при разомкнутых контактах, особенно в случае плавного изменения рабочего напряжения или его частоты. Таким образом необходимо изыскание мер по предотвращению отмеченных недостатков.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к предлагаемому является высоковольтный вакуумный выключатель [4], содержащий расположенные в вакуумированной камере оболочки подвижный и неподвижный контакты. Сущность предложенного в нем технического решения состоит во введении между внутренней поверхностью диэлектрической оболочки и внешней поверхностью контактов (токопроводников) экранирующего электрода цилиндрической формы из высокопроводящего немагнитного металла. Перекрывая межконтактный зазор и находясь под высоким потенциалом, он в положительную полуволну синусоидального высокочастотного напряжения отбирает на себя первичные электроны из межконтактного зазора и кольцевого пространства между внутренней поверхностью диэлектрической оболочки и внешней поверхностью токопроводников (контактов), а также из кольцевого зазора между внутренней поверхностью диэлектрической оболочки и внешней поверхностью цилиндрического экрана. В результате это способствовало снижению вероятности возникновения вторично-электронного резонансного разряда именно в области, перекрываемой экранирующим электродом (экраном).

Однако введение экранирующего электрода привело к увеличению межконтактных емкостей при разомкнутых контактах, следствием чего явилось значительное повышение потерь мощности высокой частоты при разомкнутых и замкнутых контактах за счет емкостных токов и низкая собственная резонансная частота выключателя, т.е. снижение верхней частоты рабочего диапазона частот. Кроме того, при этом не исключена вероятность возникновения вторично-электронного (или полифазного) резонансного разряда в области, не перекрываемой экранирующим электродом. Увеличение же области перекрытия, за счет увеличения длины экранирующего электрода, ведет к еще большему увеличению межконтактной емкости разомкнутых контактов, а следовательно, к еще большему увеличению емкостных потерь энергии высокой частоты и к еще большему снижению верхней рабочей частоты рабочего диапазона выключателя. В результате снижаются его надежность работы и эксплуатационные характеристики. Снижение же емкостей за счет увеличения межэлектродных зазоров ведет к существенному увеличения массы и габаритов, снижению количества коммутационных операций, а поэтому неэффективно. К тому же это не решает проблему по предотвращению вероятности возникновения вторично-электронного резонансного разряда.

Цель изобретения - повышение надежности работы выключателя с разомкнутыми контактами в высокочастотных цепях при сохранении его массогабаритных характеристик и межэлектродных емкостей.

Поставленная цель достигается тем, что в предлагаемом высоковольтном вакуумном выключателе, содержащем подвижный и неподвижный контакты, размещенные с определенным зазором в вакуумированной камере, в отличие от известных, на внутренней поверхности диэлектрической оболочки и на внешней поверхности изолятора подвижного контакта выполнено покрытие с проводимостью на 2-4 порядка выше, чем у диэлектрика оболочки и изолятора, а в качестве материала покрытия использованы окислы, нитриды или карбиды металлов, коэффициент вторичной электронной эмиссии у которых не более 1,5, причем толщина слоя покрытия выбрана в 1,5-2 раза больше глубины проникновения в покрытие электронов, ускоренных высоковольтным полем высокой частоты.

Увеличение поверхностной проводимости диэлектрика за счет тонкого слоя полупроводящего покрытия, в качестве материала которого использованы окислы, например, хрома, ванадия, молибдена и др. или нитриды, например, бора и др., или карбиды, например, вольфрама и др., которые имеют коэффициент вторичной электронной эмиссии, меньший или близкий к единице, обеспечивает рассеивание и рассасывание локального заряда пятна по всей поверхности диэлектрика оболочки и изолятора и далее на высокопотенциальные электроды (контакты и выводы). В результате это препятствует как образованию положительно заряженного локального пятна на поверхности диэлектрика, так и возникновению вторично-электронного высокочастотного разряда. При проведении экспериментальных исследований было установлено, что удовлетворительное рассасывание положительно заряженного локального пятна на диэлектрике происходит лишь в том случае, когда проводимость слоя покрытия превышает на два-четыре порядка проводимость диэлектрика оболочки и изолятора. Эксперименты также показали, что при проводимости слоя покрытия, превышающей более чем на четыре порядка проводимость диэлектрика оболочки и изолятора, токи утечки достигают критичных для нормальной работы значений из-за возрастания омических потерь энергии высокой частоты, идущей на нагрев вакуумного выключателя. При проводимости же покрытия, превышающей проводимость диэлектрика оболочки и изолятора менее чем на два порядка, не обеспечивается эффективное и быстрое рассасывание положительного заряда локального пятна на диэлектрике. В совокупности отмеченное определило выбор интервала проводимости покрытия на диэлектрике на два-четыре порядка выше проводимости самого диэлектрика оболочки и изолятора.

Снижению вероятности возникновения вторично-электронного резонансного разряда способствует также и то, что в предлагаемом вакуумном выключателе материал покрытия имеет коэффициент вторичной эмиссии электронов, значительно меньший, чем у диэлектрика оболочки изолятора. Это, в совокупности с рассасыванием положительного заряда локального пятна на диэлектрике за счет проводимости покрытия, обеспечивает повышение надежности работы предлагаемого вакуумного выключатели в высокочастотных высоковольтных цепях при плавном изменении величины рабочего напряжения или его частоты.

Для того, чтобы исключить вероятность образования положительно заряженного локального пятна под слоем покрытия, что в дальнейшем могло бы привести к возникновению вторично-электронного разряда на поверхности диэлектрика под покрытием, толщина покрытия выбрана в полтора-два раза больше глубины проникновения в покрытие первичных электронов, ускоренных полем высокой частоты между высокопотенциальными электродами вакуумного высокочастотного выключателя. Таким образом и данное решение тоже способствует повышению надежности работы предлагаемого вакуумного выключателя при разомкнутых контактах в высоковольтных высокочастотных цепях.

Благодаря созданию условий, препятствующих возникновению вторично-электронного разряда и устранению тем самым отрицательных последствий от его воздействия, отпадает необходимость использования в высокочастотных вакуумных выключателях системы экранных электродов для улавливания ускоренных высокочастотным полем первичных электронов. Это позволяет снизить межэлектродные емкости при разомкнутом положении контактов, следствием чего является снижение мощности потерь за счет емкостных токов, что в свою очередь снижает нагрев самого вакуумного выключателя и повышает коэффициент полезного действия радиопередающей аппаратуры. Кроме того, при уменьшении межэлектродных емкостей повышается собственная резонансная частота вакуумного выключателя, что способствует расширению диапазона его рабочих частот в область более высоких частот. В свою очередь уменьшение нагрева обеспечивает возможность увеличения пропускаемого тока высокой частоты и повышение надежности работы предлагаемого вакуумного выключателя при сохранении его массогабаритных характеристик.

Сущность предлагаемого изобретения поясняется чертежами, представленными на фиг.1-3. Высоковольтный вакуумный выключатель содержит оболочку 1 из вакуумплотной керамики (или стекла), неподвижный контакт 2 и подвижный контакт 3, подвижно через изолятор 4 (из керамики или другого механически прочного диэлектрика) сочлененный с якорем 5 электромагнитной системы управления 6. На всю внутреннюю поверхность диэлектрика оболочки 1 и на всю внешнюю поверхность изолятора 4 нанесено полупроводящее покрытие 7, например, из окиси хрома, толщина которого в 1,5-2 раза превышает глубину проникновения ускоренных высокочастотным полем первичных электронов вглубь диэлектрика оболочки и изолятора. Предлагаемое изобретение может быть использовано и в других высоковольтных высокочастотных вакуумных приборах, например в вакуумных коаксиальных высокочастотных высоковольтных выключателях и переключателях, вакуумных высоковольтных высокочастотных конденсаторах постоянной и переменной емкости и т.д. В сравнении с прототипом, предлагаемое изобретение обладает рядом преимуществ, заключающихся в предотвращении вероятности возникновения вторично-электронного резонансного разряда, в уменьшении потерь высокой частоты за счет емкостных токов, в повышении резонансной частоты, что в совокупности обеспечивает повышение надежности работы предложенного вакуумного выключателя в высоковольтных высокочастотных цепях и пропускаемого тока высокой частоты при сохранении его массогабаритных характеристик.

Источники информации

1. Патент США №2981816, кл. 200-144, 1965.

2. Патент США №3261953, кл. 200-144, 1967.

3. Авт. свидет. СССР №295152, МПК Н 01 Н 33/66, 1968.

4. Авт. свидет. СССР №562014, МПК Н 01 Н 33/66, 1977.

Изобретение относится к электротехнике, а именно к высоковольтным вакуумным выключателям, предназначенным для коммутации без нагрузки мощных высокочастотных цепей, и может найти применение в мощной электротехнической и радиотехнической аппаратуре для переключения нагрузок, отводов катушки высокочастотного контура, антенных цепей, резонансных контуров, конденсаторов высоковольтных цепей в антенно-согласующих устройствах, фильтрах подавления гармоник и т.д. В высоковольтном вакуумном выключателе на внутренней поверхности диэлектрической оболочки и на внешней поверхности изолятора подвижного контакта выполнено покрытие с проводимостью на 2-4 порядка выше, чем у диэлектрика оболочки и изолятора, а в качестве материала покрытия использованы окислы, нитриды или карбиды металлов, коэффициент вторичной электронной эмиссии у которых не более 1,5, причем толщина слоя покрытия выбрана в 1,5-2 раза больше глубины проникновения в покрытие электронов, ускоренных высоковольтным полем высокой частоты между высокопотенциальными электродами. Технический результат - повышение надежности работы выключателя с разомкнутыми контактами в высокочастотных цепях без увеличения массы и габаритов и межэлектродных емкостей. 3 ил.

Высоковольтный вакуумный выключатель, содержащий подвижный и неподвижный контакты, размещенные в вакуумированной камере, отличающийся тем, что, с целью повышения надежности работы при разомкнутых контактах и повышения пропускаемого тока через замкнутые контакты, на внутренней поверхности диэлектрической оболочки камеры и на внешней поверхности изолятора подвижного контакта выполнено покрытие из диэлектрика с проводимостью на два÷четыре порядка выше, чем у диэлектрика оболочки и изолятора, в качестве материала покрытия использованы окислы, нитриды или карбиды металлов с коэффициентом вторичной электронной эмиссии не более 1,5, а толщина покрытия выбрана в 1,5÷2 раза больше глубины проникновения в него первичных электронов, ускоренных полем высокой частоты между высокопотенциальными электродами внутренней арматуры.