Управляемый вакуумный разрядник

Полезная модель относится к области электротехники, а именно к силовой коммутационной аппаратуре, и применяется для быстрого подключения электрической сети к нагрузке, в частности, в шунтирующих быстродействующих коммутирующих устройствах, обеспечивающих защиту электрооборудования от воздействия токов короткого замыкания. Техническим результатом полезной модели является увеличении ресурса управляемого вакуумного разрядника. Технический результат достигается тем, что в управляемом вакуумном разряднике, снаружи герметичной диэлектрической оболочки установлены постоянные магниты для формирования магнитного поля, силовые линии которого параллельны оси электродов и диэлектрической прокладки. 1 с.п.ф. 1 илл.

Полезная модель относится к области электротехники, а именно к силовой коммутационной аппаратуре, и применяется для быстрого подключения электрической сети к нагрузке, в частности, в шунтирующих быстродействующих коммутирующих устройствах, обеспечивающих защиту электрооборудования от воздействия токов короткого замыкания.

Известен управляемый вакуумный разрядник, который представляет собой коаксиальную трехэлектродную систему (катод, анод, поджигающий электрод), которая расположена внутри герметичной оболочки, выполненной из электроизоляционного материала. Пшеничный А.А., Якубов Р.Х. // Вакуумная наука и техника. Материалы научно-технической конференции. Под ред. Д.В. Быкова, М.: МИЭМ. 2011. С. 153. Эксперименты показали, что привязка разряда приводит к интенсивной выработке всего лишь от 1/4 до 1/3 периметра диэлектрической прокладки.

Известен управляемый вакуумный разрядник, содержащий два дисковых основных электрода, катодный и анодный, и, по меньшей мере, один узел поджига, установленный в отверстии катодного электрода. Каждый из основных электродов, катодный и анодный, содержит индуктор, формирующий аксиальное магнитное поле, а каждый узел поджига установлен на катодном электроде в месте с меньшей плотностью тока электрической дуги. Патент Российской Федерации на полезную модель 119948, МПК: Н01Т 2/02, 2012 г. Прототип. Использование переменного магнитного поля, создаваемого протекающим в разряднике переменным током приводит к генерации паразитного импульса электрического поля в коммутируемой цепи и может нарушить заданный режим работы этой цепи. Использование индукторов неизбежно приводит к увеличению индуктивности коммутируемой разрядником цепи, и, соответственно, к затягиванию формируемого в указанной цепи импульса тока, что неприемлемо для высокочастотных цепей.

Технической задачей является создание коаксиального устройства, обеспечивающего равномерную по периметру выработку диэлектрической прокладки прилегающих кромок электродов.

Техническим результатом полезной модели является увеличении ресурса управляемого вакуумного разрядника.

Технический результат достигается тем, что в управляемом вакуумном разряднике, содержащем в герметичной диэлектрической оболочке коаксиальные катод и поджигающий электрод, разделенные цилиндрической диэлектрической прокладкой и анод, выполненный в виде полого стакана, снаружи герметичной диэлектрической оболочки установлены постоянные магниты для формирования магнитного поля, силовые линии которого параллельны оси электродов и диэлектрической прокладки.

Сущность полезной модели поясняется чертежом.

На чертеже схематично представлен продольный разрез управляемого вакуумного разрядника, где: 1 - анод; 2 - диэлектрическая прокладка; 3 - герметичная диэлектрическая оболочка; 4 - поджигающий электрод; 5 - катод; 6 - постоянные цилиндрические магниты или полюсные наконечники постоянного магнита, обращенные разноименными магнитными полюсами навстречу друг к другу.

Снаружи герметичной диэлектрической оболочки 3 установлены постоянные цилиндрические магниты или полюсные наконечники постоянного магнита 6 для формирования внутри электродной системы магнитного поля (поперечного по отношению к электрическому полю в промежутке катод-анод, задающему направление протекания коммутируемого в разряднике тока), силовые линии которого параллельны оси электродов и диэлектрической прокладки 2 (ортогональны силовым линиям электрического поля в промежутке катод-анод).

Управляемый вакуумный разрядник состоит из коаксиальной электродной системы, заключенной внутри откачанной герметичной диэлектрической оболочки 3, и постоянных цилиндрических магнитов или полюсных наконечников постоянного магнита 6, размещаемых снаружи герметичной диэлектрической оболочки 3 и обращенных разноименными магнитными полюсами навстречу друг к другу. Электродная система содержит катод 5 и поджигающий электрод 4, разделенные цилиндрической диэлектрической прокладкой 2, и анод 1, выполненный в виде полого стакана. Внешние постоянные цилиндрические магниты или полюсные наконечники постоянного магнита 6 формируют внутри электродной системы магнитное поле, силовые линии которого параллельны оси симметрии электродов и диэлектрической прокладки 2 (силовые линии формируемого магнитного поля в промежутке катод-анод ортогональны силовым линиям электрического поля).

Управляемый вакуумный разрядник следующим образом.

Толщина диэлектрической прокладки 2 составляет порядка 0,1 мм; разность диаметров внутренней поверхности анода 1 и внешней поверхности катода 5 составляет порядка 2 мм. Индукция магнитного поля, создаваемого внутри управляемого вакуумного разрядника, составляет величину порядка 0,1 Тл.

Присутствие продольного магнитного поля не влияет на процесс пробоя по поверхности диэлектрической прокладки 2, так как вектор индукции магнитного поля направлен параллельно направлению распространения заряженных частиц из катодного пятна при подаче на поджигающий электрод 4 импульса напряжения. Скорость распространения катодного факела можно оценить величиной, например, для алюминиевой плазмы ~4·10 ⁴ м/с. Месяц Г.А. Эктоны в вакуумном разряде: пробой, искра, дуга. М.: Наука. 2000. - 424 с. Продолжительность искровой стадии разряда по поверхности диэлектрической прокладки 2 составит ~2·10 ^-9 с. При этом развитие катодного факела в направлении анода 1 в присутствии магнитного поля затруднено, т.к. направление распространения потока заряженных частиц оказывается поперечным по отношению к линиям магнитного поля. При температуре плазмы в катодном пятне 3÷5 эВ скорость электронов, вырывающихся за пределы катодного факела, составляет ~10⁶ м/с. Месяц Г.А. Эктоны в вакуумном разряде: пробой, искра, дуга. М.: Наука. 2000. - 424 с.

Ларморовский радиус для электронов составит:

где e, m_e и V_e - заряд, масса и скорость электрона, B - индукция магнитного поля; что много меньше величины промежутка катод - анод. Франк-Каменецкий Д.А. Лекции по физике плазмы. М. Атомиздат. 1968. - 286 с.

Электрическое поле, приложенное к промежутку катод - анод, вырвать электроны из плазмы катодного факела не может в силу малости радиуса Дебая. В области катодного пятна плотность плазмы близка к плотности твердого тела и концентрация заряженных частиц ~10²⁸ м^-3.

Если разлет плазмы происходит изотропно, т.е. концентрация частиц падает при удалении от катодного пятна, размер которого можно оценить величиной 10^-6 м, то на расстоянии, равном расстоянию между катодом и анодом, концентрация частиц окажется равной ~10 ¹⁹ м^-3. Месяц Г.А. Эктоны в вакуумном разряде: пробой, искра, дуга. М.: Наука. 2000. - 424 с.

Радиус Дебая в этом случае составит:

где ₀ - диэлектрическая постоянная, k - постоянная Больцмана, T - температура плазмы (в кельвинах), e - заряд электрона, n - концентрация заряженных частиц; что окажется величиной много меньшей размеров катодного факела.

В указанных условиях процесс распространения катодного факела в направлении анода 1 будет определяться скоростью диффузии плазмы факела в магнитном поле. Экспериментальные данные свидетельствуют о том, что при наличии поперечного магнитного поля скорость распространения катодной плазмы уменьшается примерно вдвое. Месяц Г.А. Эктоны в вакуумном разряде: пробой, искра, дуга. М.: Наука. 2000. - 424 с. Таким образом, при температуре плазмы порядка 3÷5 эВ и соответствующей средней тепловой скорости ионов алюминия ~5·10³ м/с время замыкания промежутка катод-анод составит ~4·10^-7 с.

Т.к. время искрового пробоя по поверхности диэлектрической прокладки 2 много меньше времени искрового пробоя промежутка катод-анод, то возможно образование многочисленных пробоев по поверхности диэлектрической прокладки 2 и многочисленных катодных пятен, а следовательно и нескольких катодных факелов, закорачивающих промежуток катод-анод на стадии сохранения высокого напряжения между катодом 5 и анодом 1. Возникает симметричная картина формирования токовых каналов в разрядном устройстве.

В направлении симметризации воздействия заряда на диэлектрическую прокладку 2 и прилегающую к ней поверхность электродов действует еще один механизм. В присутствии магнитного поля будет происходить движение катодного пятна на стадии искры в направлении силы Ампера, т.е. по периметру катода, со скоростью ~10⁴ м/с, что за время искровой стадии разряда составит несколько миллиметров. Месяц Г.А. Эктоны в вакуумном разряде: пробой, искра, дуга. М. Наука. 2000. - 424 с.

Опытным путем было подтверждено, что в присутствии магнитного поля, силовые линии которого параллельны оси симметрии электродов и диэлектрической прокладки 2 управляемого вакуумного разрядника наблюдается равномерная по периметру эрозия диэлектрической прокладки 2 и прилегающих кромок электродов.

Управляемый вакуумный разрядник, содержащий коаксиальную электродную систему в герметичной диэлектрической оболочке катод и поджигающий электрод, разделенные цилиндрической диэлектрической прокладкой, и анод, выполненный в виде полого стакана, отличающийся тем, что снаружи герметичной диэлектрической оболочки установлены постоянные магниты для формирования магнитного поля, силовые линии которого параллельны оси электродов и диэлектрической прокладки.

РИСУНКИ