СПОСОБ СНИЖЕНИЯ ПАРАЗИТНЫХ ПРЕДПРОБОЙНЫХ ТОКОВ В ВАКУУМНЫХ ВЫСОКОВОЛЬТНЫХ ПРОМЕЖУТКАХ Российский патент 2006 года по МПК H01J21/00 H01H33/664 

Изобретение относится к области разработки способов повышения электрической прочности вакуумных высоковольтных промежутков в электрофизических и электроэнергетических устройствах и решает задачу снижения величины паразитных предпробойных токов утечки.

Актуальность этой задачи определяется тем, что предпробойные токи, с одной стороны, подготавливают условия для возникновения незапланированных разрядов, способствуя созданию проводящей среды в вакуумном промежутке, а с другой стороны, приводят к бесполезным потерям заряда и накопленной энергии.

Более 99% предпробойного тока в чистых вакуумных условиях составляет эмиссия электронов с катода. Одно из важных свойств предпробойного тока - резко неравномерное распределение его по поверхности электродов. Многими исследователями установлено, что предпробойный ток в значительной мере состоит из тонких электронных пучков. На основании этого факта естественно предположить, что предпробойный ток - это ток автоэлектронной эмиссии из микровыступов, инородных включений и участков с поврежденной поверхностью [1].

Одним из основных методов повышения электрической прочности вакуумных высоковольтных промежутков является предварительная подготовка поверхности. Так, согласно изобретениям [2, 3, 4] предлагается оптимизированная последовательность действий, предусматривающая тренировку вакуумного промежутка пробоями на импульсном напряжении, а затем тренировку на постоянном напряжении. В [5] предлагается проводить обработку поверхности электродов фокусированием перпендикулярно направленного лазерного пучка с плотностью энергии, достаточной для оплавления поверхности.

Однако в процессе эксплуатации неминуемо появляются новые микронеровности на поверхностях электродов, что приводит к необходимости периодического повторения обработки.

Более простой и широко применяемый подход состоит в применении газовой среды. Наибольшее применение из газов в энергетике имеет воздух. Это связано с дешевизной, общедоступностью воздуха, простотой создания, обслуживания и ремонта воздушных электроизоляционных систем, возможностью визуального контроля. Однако электроизоляционные свойства воздуха далеко не идеальны и могут быть улучшены за счет использования электроотрицательных газов, молекулы которых обладают сродством к электрону (при захвате электрона и превращении молекулы в отрицательный ион выделяется энергия). Этот процесс приводит к явлению прилипания электронов и уменьшению, тем самым, эффективного коэффициента ударной ионизации. Поэтому электроотрицательные газы имеют повышенную электрическую прочность. Из них наибольшее применение нашел элегаз (SF₆). Электрическая прочность при атмосферном давлении составляет Е=89 кВ/см. В отсутствие примесей элегаз безвреден, хотя продукты его разложения в результате действия разрядов токсичны и химически активны. В устройствах элегаз обычно используется под давлением в несколько атмосфер для большей компактности энергоустановок, т.к. электрическая прочность увеличивается с ростом давления. Недостатками этого решения являются необходимость непрерывного наблюдения за плотностью элегаза и периодическое его добавление, так как происходит, как правило, его естественная утечка. [6]

Наиболее близким к предлагаемому по технической сущности и достигаемому результату (прототипом) является решение [7], в котором предлагается для снижения паразитных токов использовать специальное покрытие, наносимое на электроды плазменным распылением оксида алюминия (Al₂О₃). Недостатками этого решения являются сложность нанесения покрытия и его ограниченная долговечность.

Задача настоящего изобретения - упрощение процесса нанесения защитной пленки и повышение ее долговечности.

Поставленная задача решается за счет добавки в вакуумный промежуток между электродами следов летучих инертных молекул с высокой поляризуемостью (например, нафталина), которые создают на микроостриях - опасных источниках автоэлектронной эмиссии - мономолекулярную динамически устойчивую пленку, которая подавляет эту эмиссию.

Пооперационно способ осуществляется следующим образом.

1. В пространство между электродами помещают твердое (или жидкое) вещество - источник газообразных молекул.

2. Откачивают воздух.

3. В результате процесса сублимации часть молекул вещества-источника переходит в газообразную форму и за счет своей высокой поляризуемости притягиваются к поверхности микроострий на поверхности электродов, выталкивают оттуда любые другие молекулы и образуют динамически устойчивую пленку, которая подавляет нежелательную автоэлектронную эмиссию.

Сущность изобретения поясняет Фиг.1. Здесь (1) - летучие молекулы, которые за счет поляризации притягиваются к микронеровностям (микроостриям) на поверхности электродов (2) и образуют на них защитные пленки.

Пример. В вакууме 10^-6 Торр было помещено микроострие из вольфрама с радиусом при вершине 0,1 мкм перпендикулярно к плоскому экрану на расстоянии 2 см от него. Далее снята зависимость электрического тока от приложенного напряжения (минус на острие) при повышении напряжения до 10 кВ, а потом при снижении до нуля (см. Фиг.2А). Затем в вакуумную камеру были запущены следы молекул нафталина и опять снята зависимость тока от напряжения (см. Фиг.2Б) Видно, что вплоть до напряжения 5 кВ темновой ток вообще не регистрировался (цена деления прибора 0,01 мкА). Однако при дальнейшем повышении напряжения защитная пленка срывается и ток возрастает до обычной величины.

Для проверки предложенного объяснения наблюдаемых процессов было исследовано в автоионном микроскопе [8] осаждение молекул в электрическом поле на поверхность микроострий. Действительно, (Фиг.3) молекулы нафталина осаждаются и образуют мономолекулярную пленку. На Фиг.3А показаны несколько осевших молекул, а на Фиг.3Б уже образовавшаяся пленка. Эта пленка обладает способностью к самозалечиванию возникающих на ней повреждений. Если же в процессе эксплуатации на поверхности электродов возникнут новые микроострия, то на них сразу же возникнут пленки, подавляющие электронную эмиссию.

Источники информации

1. И.Н.Сливков. Процессы при высоком напряжении в вакууме. М., Энергия, 1986, 256 с.

2. Авторское свидетельство SU 911648 H 01 J 21/00, Емельянов А.А., Кузьминов Н.С. Способ повышения электрической прочности вакуумной изоляции.

3. Патент RU 2241277. Емельянов А.А., Емельянова А.А. H 01 J 21/00, Способ повышения электрической прочности вакуумной изоляции.

4. Авторское свидетельство SU 1167668. Кассиров Г.М., Ясельский Б.К. H 01 J 21/00, Способ повышения электрической прочности вакуумной изоляции.

5. Авторское свидетельство SU 1800498. Кассиров Г.М., Шумилова Н.Н. H 01 J 9/42, Способ повышения электрической прочности вакуумных изолирующих промежутков.

6. В.Н.Вариводов. Особенности выбора допустимых напряженностей электрического поля в элегазовой изоляции аппаратов сверхвысокого и ультравысокого напряжения. Прикладная физика, 2001, №5, с.40-45.

7. Патент WO 9206482 6 Н 01 Н 33/6, Schlenk W. PROCESS FOR INCREASING THE ELECTRIC STRENGTH AND IMPROVING THE LEAK RESISTANCE OF INSULATION SECTIONS AND APPLICATION OF THIS PROCESS.

8. И.Миллер. Масс-анализ в автоионной микроскопии. М.: Мир, 1993, 230 с.

Изобретение относится к области разработки способов повышения электрической прочности вакуумных высоковольтных промежутков в вакуумных выключателях, ускорителях и других высоковольтных устройствах. Согласно данному способу в вакуумный промежуток вводят молекулы в газообразном состоянии с высокой поляризуемостью, которые образуют на поверхности неровностей электродов (типа микроострий) динамически устойчивые мономолекулярные пленки, препятствующие нежелательной автоэлектронной эмиссии. Источником молекул является сублимация твердого вещества, находящегося в вакуумном промежутке. Технический результат - упрощение нанесения защитной пленки и повышение ее долговечности. 3 ил.

Способ снижения паразитных предпробойных токов в вакуумных высоковольтных промежутках, предусматривающий введение в вакуумный промежуток молекул вещества в газообразном состоянии, отличающийся тем, что используются молекулы с высокой поляризуемостью и обладающие свойством образовывать на поверхности металлических электродов мономолекулярные пленки, источником молекул является сублимация твердого вещества, постоянно находящегося в высоковольтном промежутке.