Способ отключения постоянного тока и устройство для его осуществления Советский патент 1980 года по МПК H03K17/52 H01J17/00 

Изобретение относится к областн коммутационной техники, а конкретнее к технике отключения тока высокого напряжения и может быть применено в цепях и системах постоянного тока, генераторах импульсных токов ,цля осу ществления переключения в индуктивных накопителях электрической энергии и т. д. Известен способ отключения постоянного тока, заключающийся в том, что на постоянный ток в момент отключени накладывают колебательный разряд, ра читанный так, чтобы через короткий промежуток времени суммарный ток в ц пи перешел через нуль (1. Однако при осуществлении этого способа отключения значительно услож няется схема отключающего устройства и увеличиваются затраты энергии на отключение. Известны также способы отключения постоянного тока, в соответствии с которыми отключаемый ток пропускают через газоразрядные приборы низкого давления. В одном из таких способов на сетке проводящего тока газоразряд .ного прибора увеличивают отрицательный потенциал, что приводит к росту размеров приэлектродных слоев в мапых отверстиях сетки и разрыву тока, протекающего через прибор 2. Такой способ отключения допускает высокий уровень и большие скорости нарастания возвращающегося напряжения, однако пригоден для токов ограниченной величины из-за больших потерь энергии на сетках прибора. В другом способе, отключаемый TOI пропускают через газоразрядный прибор, в котором разряд поддерживают внешним магнитньпи полем. Для отк.гаочения тока выключают или уменьшают ниже критического значения внешнее магнитное поле 3 и 4. При таком способе отключения допустимая скорость нарастания возвращающегося напряжения ограничена изза больших времен деионизации плазменного промежутка (от 100 до 1000 Мкс). По этой причине с ростом уровня отключаемых токов и возвращающегося напряжения процесс отключе,ния в данном способе может быть нарушен из-за перехода распределительного разряда в электрическую дугу с катодным пятном. Известен также сг1Ьсоб отключения постоянного тока. Ток пропускают через газоразрядный прибор низкого давления и понижают плотность газа в канале тока до критической величины, помещая на пути разряда сужение. Понижение плотности газа в канале тока в области сужения осуществляют движущимися через сужение с болыиими ско эостями ионами и электронами, которые переносят пропускаемой через прибор ток и вытесняют нейтральные атома в области,прилегающие к сужению канала тока 5. Распад плазмы, приводящий к отключению тока в известном способе прс исходит только в области сужения канала тока, в то время как прилегаюидае к сужению области каиеша тока сохраня ют некоторое время проводящее состояние. По этой причине сразу после прекращения тока проводящие области кмеют возможность сомкнуться и разряд может перейти в режим незатухающих колебаний тока. Вероятность возникновения такого режима увеличивается во много раз, если отключение тока осуществляется в условиях коммутационного перенапряжения. Кроме того, при увеличении уровня отключаемых токов, когда за счет сжатия собственными магнитными полями диаметр канала разряда становится Меньше диаметра сужения, указанный способ отключения неосуществим, поскольку при этом канал тока двигается с большой скоростью в пределс1Х сечения сужения и тем сакым компенсируе уменьшение плотности газа, вызвгшное проходящим током. В результате на.цеж ное отключение тоКа указанным способо может быть достигнуто при ограниченны значениях тока и напряжения, а допус тимая скорость нарастания напряжения ограничена из-за больших времен деио низации плазмы, прилегающей к сужению канала тока. Поглощение газа электродами при прохождении тока наблюдается у больш ства известных газоразрядных устройс низкого давления и может сопровождат ся отключением проходящего через уст ройство тока. Однако уровни токов и напряжений, которые могут быть отклю чены с помощью известных устройств, невысоки так же, как и быстродействие, поскольку в большинстве случаев уменьшение плотности газа в известных газоразрядных устройствах сопровождается резким падением напряжения интенсивным разрушением эмиттера тер мокатода, увеличением вероятности во никновения каскадной дуги и т. д. По этой причине в известных устройствах стараются избегать режимов, связанны со значительным изменением плотности газа и, наоборот, стараются стабилизировать газовый режим с помощью генератора газа, причем электроды устойства изготавливают из матернгиюв, обладающих незначительной сорбциоиной способностью по отношению к газу, которым заполняется устройство (6. Известно также устройство, в котором использована катодная система, содержащая полый термокатод, образованный торцовым эмиттером и установеннья над его поверхностью металлическим отражателем, и двумя коаксиальными металлическими цилиндрами,, окружающими термокатод 7. Особенность такой катодной систекы состоит в том, что при прохождении тока, значительная его часть замыкается через холодные электроды, причем ток разряда переносится главным образом токами, образующимися в результате ионизации нейтральных атомов быстыми электронами, осциллирующими межhy стенками полого катода. Катодное падение в такой системе изменяется не более чем на 20% при уменьшении плотности газа более чем в 100 ра, причем прохождение тока сопровождается интенсивным поглощением газа отражателем и цилиндрами, окружающими термокатод. Такое устройство может быть использовано для отключения тока путрм уменьшения плотности газа до критической величины, однако уровень отключаемых токов ограничен изза того, что при уменьшении плотности газа в таком устройстве доля тока, протекаиощего через отражатель, установленный над эмиттером увеличивается и может составлять величину свыше 80% полного разрядного тока. Резкое увеличение температуры отражателя и уменьшение доли тока, протекающез О через цилиндры, сопровождающее этот процесс, приводит к ограничению скорости поглощения газа электродами, затягивает или делает невозможным достижение в устройстве критической плотности газа. Цель изобретения - обеспечение возможности отключения токов большей величины и большего напряжения и повышение быстродействия при отключении тока. Указанная цель достигается тем, что до пропускания тока устанавливают величину начального давления газа, которым заполняют прибор, соответствующее режиму неподвижного канала тока, причем уменьшение плотности газа в канале тока осу1цествляют по объему. Для осуществления этого способа используют устройство, включающее в себя газоразрядный прибор, содержащий анод, катодную систему с полым термокатодом, промежуточные электроды, расположенные между анодом и термокатодом, генератор газа и датчик давления, причем катодная система образована торцовым эмиттером и нагревателем, представляющим1Г собой собственНО термокатод с установленным над его поверхностью отражателем, внутренним и наружным коаксиальными цилиндрами, окружающими термокатод, а отражатель выполнен в виде конуса, вершина которого обращена к эмиттеру, причем угол наклона обраэукяцей конуса выбирается таким, чтобы нормаль, восстановленная из любой точки конической поверхности отражателя пересекалась с поверхностью наружного цилиндра и не пересекалась с поверхностью внутреннего цилиндра и эмиттера.

Отражатель и цилиндры, окружающие термокатод, выполняют из металла, сорбционная способность которого, по отнсжаению к газу, которым заполняется газоразрядное устройство, по крайней мере в несколько раз превьааает количество газа, содержащегося в генераторе газа.

Увеличение равномерности распределения плотности тока по сечению токового канала при уменьшении плотности газа, достигаемое выполнением указанной последовательности операций, обеспечивает такое развитие процесса, когда условия для распада плазма наступают одновременно в любой точке канала тока. Поэтому процесс восстановления электрической прочности газоразрядного промежутка происходит одновременно с распадом плазмы и завершается к моменту обращения тока в нуль.

Увеличение равномерности рассеяния первичного потока электронов, испус.каемых эмиттером, и более равномерное накопление осциллирующих электронов по всему объему катодной системы, которое становится более выраженым при уменьшении плотности газа за счет того, что увеличивается длина свободно- го пробега электрона, создает такие условия когда поверхность полого термокатода загружена током равнс 4ерно, что создает возможность увеличить уровень отключаемых токов. Кроме того, изготовление элементов конструкции, через которые замыкается основная доля разрядного тока, из материала с повьаиенной сорбционной способностью, обеспечивает постоянство или даже увеличение скорости поглощения газа этим электродами при уменьшении плотности газа,что в свою очередь,обеспечивает увеличение быстродействия отключающего устройства.

На фиг. 1 представлена кривая зависимости критической плотности тока от величины начального давления газа в разрядной камере; на фиг. 2 - зависимость отношения максимальной плотности тока к средней плотности тока для трех конфигураций разрядной камеры; на фиг. 3 - зависимость характеристического тока от давления и рода газа, заполняющего разрядную камеру и от конфигурации разрядного объема;.

на фиг. 4 - пример устройства для осуществления предлагаемого способа отключения постоянного тока в индуктивном накопителе электрической энергии; на фиг, 5 - обЩ1{й вид предлагаемого устройства с частичным вырезом его стенки для наглядности.

Представленная на фиг. 1 кривая зависимости критической плотности тока jj от величины начального давления газа в разрядной камере Р, для га

O зоразрядных приборов с различной конфигурацией разрядной камеры, которая характеризуется отно1аением объема разрядной камеры V к суммарной поверхности промежуточных электродов S, запол5няющих камеру и имеющих контакт с плазмой газового разряда, рассчитана для случая, когда газоразрядный прибор заполняется водородом. Превышение плотности тока в любой точке канала

0 тока, пропускаемого через газоразрядный прибор, над величиной jV переводит разряд в режим, когда канал тока перемещается с большой скоростью по Ьбъему разрядной камеры. В реальных условиях Sa счет сжатия канала тока,

5 проходящего через газоразрядный прибор, собственньами магнитными полями, ток неравномерно заполняет объем разрядной камеры. На фиг. 2 приведена для 3-х конфигураций, разрядной, кацеры

D

iU кривая 2,0 2 кривая 3.34 3 коивая - ТП-П чя10,0) зависимость отношения максимальной плотности тока JtA к средней плотности TGKa Jcp- i- в канале тока цилиндричес5кой формы с радиусом, от отнсяиения разрядного тока пропускаемого через газоразрядный прибор, заполненный водородом, к величине тока ip, характеризующего масштаб сжатия канала тока

0 собственными магнитными полями. Величина характеристического тока i зависит только от давления и рода газа, заполняющего разрядную камеру и от. конфигурации разрядного объема.

5

При отключении постоянного тока . заданной величины ip начальное давле ние газа в разрядной камере необходимо установить таким, чтобы отношение максимального значения плотности то0ка в положительном столбе разрядаj к величине начального давления лежало ниже кpивoй представленной на фиг 1. В этом случае канал тока, проходящего через газоразрядный прибор непод5вижен. Если прохождение- тока через прибор сопровождается уменьшением плотности газа в токовом канале, то в соответствии с зависимостью, представленной на фиг. 3 - это соответствует увеличению характеристического

0 тока if(. В свою очередь это означает что с уменьшением плотности газа увеличивается равномерность заполнения разрядной камеры током. Если уменьше.ние плотности газа осуществить в при5боре с перемещающимся каналом тока, то в этом случае умены:зе 1ие плотности газа приводит только к увеличению ско рости перемещения канала тока при сохранении кеоднорояности распределения плотности тока по сечению канала тока, При осуществлении способа откл:юче ния тока в устройстве, представленном на фиг. 4, используется газоразрядный прибор 4, который подключается napiinлельно нагрузке 5, включенной в цепь источника постоянного тока с напряжением UQ через накопительный реактор 6. С помощью генератора 7 водорода и датчика 8 давления ЛТ-4М, вмонтирован ных в герметичный объем прибора, устанавливается начальное давление водорода. При этом запускающий импульс и осуществляет включение источника 9 питания, который обеспечивает импульсный нагрев генератора водорода током 1д, сопровождающийся увеличением давления газа в приборе. Сигн;1л датчика давления ре истрируется. термо парным вакуумметром 10 и поступает на блок 11 сравнения, в качестье которого используются блоки стандартной схемы регулирования ВРГ-3. Согда сигнал, поступающий на блок 11 сравнения от датчика 8 давления срав- нйвается с величиной опорного напряжения, соответствумщего заданной величине давления в газоразрядном приборе, включается блок 12 сеточного уп равления, который вырабатывает запускающий импульс Од, поступаю дий на .управляющую сетку газоразрядного прибора. При подаче запускающего импульса на управляюгцую сетку газоразрядного прибора от блока 12 сеточного управления, ток в реакторе б возрастает и одновременно с ростом тока уменьшается давление в разрядной камере газоразрядного прибора 4. Уменьшение давления происходит в результате поглощения газа электродами катодной сис газоразрядного прибора. С уч.етом реальной скорости поглощения rasta начальное давление водорода выбирается с таким расчетом, чтобы к моменту вре мени, когда плотность газа в разрядной камере достигает критического зна чения и наступает обрыв тока ве личк™ на тока в накопительном реакторе б до стигает заданного значения ip Отключение тока в шунтирующей цепи сопровождается синхронным ростом тока и напряжения в нагрузке 5, После отключения тока процесс можно повторять в указанной последовательности. Газоразрядное устройство имеет ох лаждаемый жидким теплоносителем анод 13, систему высоковольтных делительных вставок 14, ув€шичиваюк1их электрическую прочность анодно-сеточной камеры и герметично изолированных друг от друга керамическигМ изоляторами 15. Непосредственно под управляющим электродом 16 располагается катодная система, в которую входит собственно термокатбд, состояишй из торцового боридлантанбвого эмиттера 17 и конического графитового подогревателя 18, наружный цилиндрический электрод 19, внутренний цилиндрический электрод 20, и конический отражатель 21, установленный над поверхностью эмиттера на четырех проволочных держателях 22. Внешний и внутренний цилиндрические электроды, отражатель и проволочные держатели выполнялись из титана. Между держателем эмиттера и внутренним цилиндрическим электродом 20 размещены тепловые экраны термокатода. Основание конического отражателя 21, обращенное к аноду 13, защищено металлическим экраном 23, установленным на керамическом изоляторе 24. В днище металлического герметичного охлаждаемого корпуса 25 вмонтированы на герметичных металлических вводах 26 и 27 генератор 7 водорода, выполненный в виде цилиндра из тонкой титановой фольги с коаксис1пьным выводом и термопарный датчик 8 давления. Кроме того, через днище на металлических изоляторах 28 и 29 проходят токонесущие выводы катодной системы 30 и подогреватели 31 канала. Таким же образом выполнен токонесущий вывод управляющего электрода 16 {на фиг. 5 не показан). Вакуумирование и обезгаживание устройства, насыщение водородом генератора газа осуществляется через штенгель (на фиг. 5 не показан), который после завершения цикла технологической обработки пережимается.,t Газоразрядное устройство работает следующим образом. Включается накал подогревателя термокатода и накал термопарногодатчика давления. На управляющий электрод 16 подается отрицательное напряжение относительно вывода катодной системы 30 величиной 80-100 В. К аноду прикладывается постоянное положительное напряжение от источника отключаемого тока. Через генератор 8 водорода пропускается импульсный ток, после чего давление в приборе начинает быстро увеличиваться. Когда давление водорода в устройстве достигает заданной величины на управляющий электрод 16 поступает импульс напряжения положительной полярности с амплитудой 200- 300 В. Через устройство начинает протекать ток. Прохождение тока сопровождается быстрым уменьшением давления газа и отключением тока. При необходимости сократить или увеличить интервал времени от момента включения тока до его отключения запускающий импульс подс1ют на управляющий электрод при меньшем или б.ольшем значении начального давления соответственно. При отключении тока величиной.

700 А по описанному способу с использованием предлагаемого устройства в схеме индуктивного накопителя энерги с накопительным реактором L 3,6 х X 10 Гн и нагрузкой Ом зарегистрирована скорость нарастания напряжения на нагрузке 350 кВ/Мкс.

Использование предлагаемого способа отключения постоянного тока и устройство для его осуществления обепечивает значительное повышение допустимого уровня и скорости нарастания напряжен.ш за счет того, что к моменту обращения тока в нуль разрываемый промежуток полностью теряет проводимость. Поскольку изменение плотности газа, приводящее к отключению тока, осуществляется за счет самого отключаемого тока уменьшаются затраты энергии на осуществление отключения .

Уровень токов, отключаемых предлагаемом способом и быстродействие может быть высоким, так как зависит только от габаритов и конфигурации используемого газоразрядного прибора и не зависит от величины и скорости нарастания возвращающегося напряжени

Формула изобретения

1. Способ отключения постоянного тока путем пропускания его через газоразрядное устройство и уменьшения плотности газа в канале тока до критической величины, отличающийся тем, что, с целью обеспечения возможности отключения токов большей величины и большего напряясе.ния, повьаиения быстродействия, перед пропусканием тока устанавливают на-. Чсшьное давление газа, соответствующее режиму неподвижного канала тока, причем уменьшение плотности газа в

канале тока осуществляют по всему объёму.

2. Устройство для осуществления способа по п. 1, включающее газоразрядный прибор, содержащий анод, катодную систему с полым термокатодом, промежуточные электроды, расположенные между анодом и термокатодом, генератор газа и датчик давления, причем катодная система образована торцовым эмиттером и нагревателем, представляющими собой собственно термокатод с установленным над его поверхностью отражателем, внутренним и наружньлм коаксигшьными цилиндрами, окружающими термокатод, а отражатель выполнен в виде конуса,

5 вершина которого обращена к эмиттеру, причем угол наклона образующей конуса выбран так, что нормаль, восстановленная из любой точки конической поверхности пересекает поверхность наружно0го цилиндра и не пересекает поверхность внутреннего цилиндра и эмиттера.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

1.Залесский А. М. Основы теории электрических аппаратов. М. Высшая

5 школа , 1974, с. 123.

2.Герен А. И. и др. Мощные металлокерамические таситрены. - Радиотехника, т. 28, 3, 1973, с. 105.

3.Патент США № 3678289, 307-149,

D 1972.

4.Коэадаев А. М. Электрические управляелаае вентили для формирования мощных импульсов тока. М., АтомизЦ дат, 1975, с. 21.

5

5.Суетин Т. А. СтенотрОн-ионная

Электричестгенераторная лампа.

5, 1946 (прототип).

во,

6.Патент США 3638061, 313-161, 1972.

40

7.Авторское свидетельство СССР 528810, кл. Н 01 17/00, 1974.

дог (11 доб дов , мм,рт.ст. см

д«

Фиг.{