Управляемый разрядник Советский патент 1992 года по МПК H01T2/02 

Изобретение относится к наносекунд- ной высоковольтной импульсной технике, а именно к генерации больших импульсных токов, и может найти применение при разработке искровых коммутирующих устройств.

Известен управляющий разрядник, предназначенный для одновременного подключения к нагрузке большого числа отдельных модулей емкостного накопителя, который содержит искровой промежуток тригатронного типа, когда один из электродов - шар, другой - диск, а поджигающий электрод расположен в отверстии диска.

Недостатком такого устройства являет- ей необходимость работы при напряжениях на основных электродах, лишь незначительно, не более 10%, отличающихся от статического пробивного напряжения. Возможность самопробоя и неконтролируемый стохастический разорос включения, достигающий десятков НС, не позволяют использовать такое коммутирующее устройство в многомодульных накопителя1, где требуется высокая надежность эксплута- ции.

Известен трехэлектродный разрядник, содержащий три соосно расположенных сферических электрода с соотношением че- личин высоковольтного и низковольтного зазоров равным 2, облучаемых с целью ускорения и стабилизации коммутации УФ-лу- чами от искры, возникающей во вспомогательном промежутке, с ключен- ном последовательно с кабелем, по которому поступает пусковой импульс.

Однако такое устройство имеет лишь двукратный диапазон рабочих напряжений, Узость рабочего диапазона, большая амплитуда пускового импульса, необходимость дополнительного источника УФ-излучения являются его недостатками.

Известен трехэлектродный управляемый разрядник, содержащий соосно установленные два основных и инициирующий электроды, инициирующий электрод выголетгъттэт

текли)

нен в виде диска с центральным токоподво- дящим стержнем для подключения к генератору поджигающих импульсов, и образует с одним из основных электродов инициирующий искровой промежуток, а другой основной электрод выполнен с зеркальной поверхностью, расположенной в области прямой видимости из указанного инициирующего искрового промежутка.

Недостатками такого разрядника являются:

а)резко неоднородное поле в зазоре между основными злектродами из-за полусферических выемок и формы основного электрода в виде кольца, что существенно снижает рабочее напряжение разрядника. Применение изоляционных накладок в этой конструкции невозможно;

б)потеря около половины УФ-светового потока, падающего на полусферическую выемку, из-за его отражения внутрь пространствакольцевогоэлектрода. Неравномерность интенсивности УФ-облу- чения по окружности межэлектродного зазора. И то и другое не позволяет заметно снизить его омическое сопротивление в результате УФ-облучения;

в)невозможность использования механизма автоэлектронной эмиссии с торцов инициирующего электрода для пробоя основного промежутка.

Цель изобретения - повышение стабильности срабатывания в широком диапазоне рабочих напряжений.

Предложенное устройство содержит со- осно установленные два основных электрода и инициирующий электрод, выполненный а виде диска с центральным токоподводом для подключения к генератору поджигающих импульсов и образующий инициирующий искровой промежуток с одним из основных электродов, второй из которых выполнен с зеркальной поверхностью, расположенной в области прямой видимости из указанного искрового промежутка.

Отличие предложенного управляемого разрядника состоит в том, что первый основной электрод выполнен в виде плоского диска со сферическим центральным рабочим выступом, образующим указанный ини- циирующий искровой промежуток с обращенным к нему торцом инициирующего электрода, который выполнен с кольцевой острой кромкой, а второй основной электрод выполнен в виде полого усеченного конуса с зеркальной внутренней поверхностью, суживающегося в направлении к первому основному электроду и охватывающего инициирующий электрод с образованием кольцевого искрового промежутка, второй основной электрод по высоте перекрывает инициирующий искровой промежуток, длина Si которого и длина S2

кольцевого искрового промежутка выбраны в соотношении: (1+sln2«), где а -угол между образующей полого усеченного конуса и его большим основанием, выбранный в пределах 45° . причем на плоской

поверхности рабочего торца первого основного электрода установлена дополнительно введенная изоляционная накладка, электроды установлены в дополнительно введенном токопроводящем корпусе, на котором

закреплен второй основной электрод, а то- коподвод к основным электродам выполнен с помощью дополнительно введенных кабелей, жилы которых подключены к периферийной части первого основного электрода,

а оплетки которых подключены к указанному корпусу.

Сопоставительный анализ с прототипом показывает, что предлагаемый управляемый разрядник имеет преимущества:

а) практически однородное поле (сфера- плоскость) в зазоре между инициирующим и высоковольтным основным электродом. Снижение электрической прочности из-за неоднородности поля в зазоре между основными электродами устранено с помощью изоляционной накладки. В целом конструкция позволяет существенно повысить рабочее напряжение по сравнению с прототипом;

б) инициирующий пробой происходит строго по оси конструкции, имеет центральную симметрию, что позволяет полностью использовать весь поток УФ-излучения, равномерно распределить его интенсивность в зазоре между инициирующим (дисковым) и низковольтным основным (коническим) электродами, вызвав существенное снижение его омического сопротивления. Допустимый угол образующей

конической поверхности можно выбрать так, чтобы обеспечить УФ-облучение не части, а всего межэлектродного зазора;

в) если в прототипе инициирующий электрод выполняет пассивную роль включателя УФ-подсветки, то в нашем предложении инициирующий электрод является активным элементом каскадного пробоя разрядника: сначала пробой происходит с высоковольтного основного электрода на

инициирующий, а затем с инициирующего на низковольтный основной электрод, обеспечивая двухступенчатое замыкание всего разрядного промежутка. Этому способствует автоэлектронная эмиссия с кольцевой острои кромки инициирующего электрода, которая начинается с момента подачи пускового импульса и продолжается после пробоя первого зазора в результате поступления на инициирующий электрод высокого напряжения с высоковольтного основного электрода вплоть до пробоя второго зазора разрядника.

Таким образом, предложенная конструкция по сравнению с прототипом позволила расширить диапазон рабочих напряжений управляющего разрядника на 30%, который стал равен 25-98% от статического пробивного напряжения.

На чертеже приведен управлямый разрядник.

Управляемый разрядник содержит высоковольтный плоский электрод 1 со сферическим выступом, служащим для создания однородного электрического поля и фиксации центрального местоположения разрядного канала. Плоская часть электрода закрыта изолятором 2 для предотвращения разрядов на другие элементы конструкции. На расстоянии Si от сферического выступа смонтирован на проходном профилированном изоляторе 3, закрепленном в резьбовом отверстии корпуса 4, инициирующий электрод 5 в виде тонкого плоского диска. К корпусу разрядника изолятором плотно прижат низковольтный электрод 6 в форме усеченного конуса с углом а при основании, боковая коническая поверхность которого расположена на расстоянии S2 от инициирующего электрода. Кабельные линии 7, служащие для пуска силовых разрядников модулей емкостного накопителя, центральными проводниками присоединены к высоковольтному электроду, а оплетками - к корпусу разрядника С помощью кабеля 8 источник постоянного напряжения величиной U подключен к высоковольтному электроду. По кабелю 9 подается высоковольтный сигнал от генератора поджигающих импульсов для включения управляемого разрядника в требуемый момент времени. Амплитуда поджигающего импульса равна Un.

Управляемый разрядник работает следующим образом.

Пуск осуществляется подачей на электрод 5 по кабелю 9 поджигающего импульса. Его полярности противоположна знаку напряжения на высоковольтном электроде, а амплитуда достаточна для пробоя межэлектродного зазора SL Крутизна импульса достаточна для начала автоэлектронной эмиссии по всей периферии имеющего малую кривизну торца тонкого диска инициирующего электрода. Однако амплитуда

поджигающего импульса недостаточна для пробоя Ss. В момент пробоя зазора Si УФ- излучение канала разряда, распространяясь вдоль поверхности инициирующего 5 электрода, попадает на полированную коническую металлическую поверхность низковольтного электрода. Особенности отражения света от металлической поверхности обусловлены наличием в металле сво0 бодных и связанных электронов. Вторичные волны, вызванные их вынужденными колебаниями, порождают сильную отраженную волну, интенсивность которой может достигать 95% интенсивности падающей.

5 Состояние пробоя межэлектродного зазора характеризуется резким изменением на много порядков4 величины его проводимости. Оно достигается направлением отраженного излучения в зазор $2 в торец

0 инициирующего электрода, порождая дополнительную фотоионизацию рабочего газа в зоне зазора, граничащей с областью автоэлектронной эмиссии. Чем больше се- чени этой зоны, тем больше именение про5 водимости. В предложенной конструкции электродов угол наклона а образующей конической поверхности низковольтного электрода должен удовлетворять условию 45 а 90°, чтобы отраженный свет попа0 дал в торец инициирующего электрода. Облучение всей площади кольцевого межэлектродного зазора S2 происходит одновременно в момент Пробоя S; из находящегося в центре устройства разрядного

5 канала, в результате дополнительных источников УФ-излучения не требуется. Чтобы полнее использовать световой поток источника, отражающая поверхность, а следовательно, и торец усеченного конуса

0 низковольтного электрода должен нахо- диться по крайней мере за пределами высоковольтного зазора Si, отражая свет, испускаемый всей длиной искрового канала.

5 Очевидно, что оптимальный угол конической поверхности для полного облучения межэлектродного зазора равен а 45°. В этом случае ширина облучаемой зоны зазора равна Si. Полагая для напряжения Un

0 величину пробойного расстояния рабочего зазора $2 без облучения и автоэлектронной эмиссии равной Si, найдем, что в случае предварительного суммарного воздействия автоэлектронной эмиссии и облучения зоны

5 шириной Si максимальная величина пробивного межэлектродного зазора $2 станет равной 2 Si. С увеличениеми угла а площадь облучаемой зоны снижается и соответственно должен уменьшаться пробивной

межэлектродный зазор согласно формуле S2 Si{1+sln2a ). Например, при а 90° в площадь зазора $2 может попадать УФ-из- лучение, лишь рассеянное от вертикальной цилиндрической поверхности низковольтного электрода. Соответственно и величина межэлектродного зазора S2 должна быть минимальной и равной Si.

Коммутация разрядника завершается к моменту окончания последовательного каскадного пробоя межэлектродных промежутков Si и $2.

Предложенная конструкция была проверена экспериментально. Пробой зазора Si величиной 8 мм наступал на постоянном напряжении положительной полярности равном кВ, когда давление рабочего газа - азота внутри корпуса разрядника было 4,0 атм. Для а 75° ,5. мм. Диаметр инициирующего электрода был равен 110 мм. Поджигающий импульс отрицательной полярности имел параметры: амплитуда 40 кВ, длительность на полувысоте амплитуды 0,5 мкс, крутизна фронта 50 не. В результате удвоения на разомкнутом конце кабеля, присоединенного к инициирующему электроду, амплитуда удваивалась, при этом снижались длительность перенапряжения на промежутках Si и Sa- Полный пробой разрядника происходил, начиная с напряжения кВ. Таким образом, предложенная конструкция обеспечивает четырехкратный диапазон рабочих напряжений коммутации, что в 2 раза превышает известные достигнутые величины.

Новые констуктивные элементы разрядника, работая во взаимодействии, как например, диск инициирующего электрода и отражающая поверхность низковольтного электрода, обеспечивают возникновение автоэлектронной эмиссии и УФ-облучения в зоне каскадного пробоя. В результате существенно возросла стабильность коммутации, разброс которой во времени не превышал 2-3 не.

Наконец, УФ-облучение второго рабочего зазора разрядника происходит автоматически из канала разряда в результате пробоя первого зазора, что существенно упрощает конструкцию в целом, так как не

требуется дополнительного источника УФ- излучения.

Формула изобретения Управляемый разрядник, содержащий

соосно установленные два основных электрода и инициирующий электрод, выполненный в виде диска с центральным токоподводом для подключения к генератору поджигающих импульсов и образующий

инициирующий искровой промежуток с первым из основных электродов, второй из которых выполнен с зеркальной поверхностью, расположенной в области прямой видимости из указанного инициирующего искрового промежутка, отличающийся тем, что, с целью повышения стабильности срабатывания в широком диапазоне рабочих напряжений, первый основной электрод выполнен в виде плоского

диска со сферическим центральным рабочим выступом, образующим указанный инициирующий искровой промежуток с обращенным к нему торцом инициирующего электрода, который выполнен с кольцевой острой кромкой, а второй основной электрод выполнен в виде полого усеченного конуса с зеркальной внутренней поверхностью, суживающегося в направлении к первому основному электроду и охватывающего инициирующий электрод с образованием кольцевого искрового промежутка, второй основной электрод по высоте перекрывает инициирующий искровой промежуток, длина Si которого и длина S2

кольцевого искрового промежутка выбраны в соотношении S2 Si{1+s n2a }, где о. -угол между образующей полого усеченного конуса и его большим основанием, выбранный в пределах 45° , причем на плоской

поверхности рабочего торца первого основного электрода установлена дополнительно введенная изоляционная накладка, электроды установлены в дополнительно введенном токопроводящем корпусе, на котором

закреплен второй основной электрод, а то- коподвод к основным электродам выполнен С помощью дополнительно введенных кабелей, жилы которых подключены к периферийной части первого основного электрода.

а оплетки которых подключены к указанному корпусу.

Использование: в высоковольтной импульсной технике для генерации больших импульсных токов. Сущность изобретения, первый основной электрод выполнен в виде плоского диска со сферическим центральным выступом, а второй основной электрод - в виде полого усеченного конуса с зеркаль- ной внутренней поверхностью. Икицирую щий электрод выполнен в виде диска, образующего инициирующий искровой промежуток с первым основным электродом. 1 ил.