Вакуумный разрядник

Министерство образования Республики Казахстан

КазНУ имени аль-Фараби, Физико-Технический факультет

Кафедра плазмы и компьютерной физики

 

 

 

 

СРС

Тема: Вакуумный разрядник

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Выполнила: Оразаев Д.,

Рысбекова Ж.,

Серик А.

Ээ 316 группа

Проверила: Габдуллина А.Т.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Алматы, 2015 год

 

Введение

Вакуумный управляемый разрядник РВУ-61 УХЛЗ используется для подключения мощных высоковольтных импульсных источников энергии к нагрузке и может применяться в качестве сильноточного быстродействующего короткозамыкателя.

РВУ – это герметизированное отпаянное устройство, которое состоит из 2 фланцев из металла, на которых установлена электродная система, и керамического цилиндра. Он работает так. К фланцам подключается цепь коммутируемая. Фланец, на котором находится ввод поджигающего электрода, является катодом, противоположный – анодом. Подается плюс импульса поджига на ввод электрода поджигающего, минус – на фланец изделия. При подаче управляющего импульса блок образует высоковольтный импульс, случается пробой в поджигающем промежутке, образование плазменного факела на катоде, который закорачивает вакуумный промежуток между катодом и анодом.

 

Простейший вакуумный разрядник – цилиндрическая камера из изолирующего материала, закрытая с торцов металлическими дисковыми электродами. Откачка разрядника осуществляются через отверстие в одном из цилиндров. 

Различают секционированные и несекционированные разрядники.

Секционированный разрядный промежуток разделен металлическими перегородками на несколько небольших последовательно включенных промежутков.

Давление в разряднике порядка 0,1-1 Па.

Материал изоляционного корпуса – оргстекло, так как оно способно самоочищаться.

Сущность: вакуумный разрядник содержит герметичный корпус с по крайней мере двумя электродами, расположенными напротив друг друга, причем катод покрыт активирующим веществом из металла или сплава, в кристаллическую решетку которого введен атомарный водород в количестве не менее 0,1 ат/ат. 1 з. п. ф-лы, 1 ил.

Относится к электротехнике, в частности к вакуумным электрическим разрядникам, и может быть использовано для коммутации больших импульсных токов.

В настоящее время для многих целей требуются электрические разрядники, способные за короткое время пропустить большой, порядка нескольких кулонов, заряд и при этом иметь достаточный ресурс долговечности при сохранении электрических характеристик. Кроме того, напряжение на выводах разрядника при зажигании разряда должно значительно снижаться для защиты оборудования от перенапряжения.

Замыкание тока на катоде происходит через катодные пятна, поведение которых при указанных условиях сильно затрудняет получение требуемых параметров. При скоростях нарастания тока порядка 109-1011 А/с катодные пятна, образующиеся на чистых металлах, например на Сu, двигаются по поверхности катода гораздо медленнее, чем это необходимо для равномерного стравливания поверхности, в результате чего образуются макродефекты, выводящие разрядник из строя. Кроме того, при указанных скоростях нарастания тока напряжение на дуге увеличивается до нескольких киловольт и более, что значительно превышает обычное напряжение порядка 100 В. Для того, чтобы уменьшить эти отрицательные эффекты, катоды покрывают активирующими веществами, которые призваны увеличивать скорость движения пятен по катоду, более равномерно распределять их по поверхности, уменьшать эрозию и катодное падение напряжения.

Известны разрядники содержащие герметичный корпус с по крайней мере двумя электродами, расположенными напротив друг друга, причем по крайней мере один из электродов покрыт активирующим веществом. В качестве активирующего вещества используются смеси из щелочных и щелочноземельных металлов с малыми добавками других элементов. Добавками служат, например, боросиликатное стекло сплав Ba c Al, а также W и (или) Mo. Наиболее близким к предлагаемому является вакуумный разрядник содержащий герметичный корпус с по крайней мере двумя электродами, расположенными напротив друг друга, причем по крайней мере один из электродов покрыт активизирующим веществом. В качестве активирующего вещества используется сплав бария с алюминием с добавлением вольфрама и/или молибдена.

Однако указанные разрядники осуществляют разряд, в недостаточной степени равномерно распределенный по электроду, что приводит к значительной эрозии, поэтому они имеют недостаточный ресурс долговечности при больших пропускаемых зарядах.

 

Управляемый вакуумный разрядник относится к области электротехники, а именно к силовой коммутационной аппаратуре, и применяется для быстрого подключения электрической сети к нагрузке. Технической задачей предложенного технического решения является создание устройства, обеспечивающего повышение индукции аксиального магнитного поля в межэлектродном промежутке РВУ. Технический результат, достигаемый в полезной модели, заключается в повышении отключающей способности РВУ, а также в увеличении ресурса РВУ. Управляемый вакуумный разрядник содержит два дисковых основных электрода, катодный и анодный, и, по меньшей мере, один узел поджига, установленный в отверстии катодного электрода. Отличием предложенного технического решения является то, что каждый из основных электродов, катодный и анодный, содержит индуктор, формирующий аксиальное магнитное поле. Каждый узел поджига установлен в катодном электроде, в месте с меньшей плотностью тока электрической дуги. 4ил.

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.

Известны управляемые вакуумные разрядники (РВУ), содержащие два дисковых основных электрода и один поджигающий электрод, отделенный диэлектрической вставкой от одного из основных электродов. Элемент конструкции РВУ, включающий в себя управляющий электрод и диэлектрическую вставку, далее будем называть узлом поджига.

Недостатками такого устройства является нестабильность напряжения пробоя из-за испарения пленки металла с поверхности диэлектрика, ограниченный ресурс узла поджига, сравнительно большое время включения и его разброс.

Поджигающий электрод и диэлектрическая втулка выступают в межэлектродный промежуток над рабочей поверхностью основного электрода. При подаче импульса напряжения на управляющий электрод происходит пробой по наружной боковой поверхности втулки и образование катодных пятен на поверхности катодного электрода вблизи поверхности диэлектрической вставки.

Недостатком данной конструкции РВУ является фиксация катодных пятен вблизи границы между основным электродом и внешней поверхностью диэлектрической вставки практически в течение всей длительности сильноточного импульса основного тока. Длительное воздействие катодного пятна на узел поджига приводит к его разрушению, что ограничивает ресурс РВУ. Другим недостатком данной конструкции РВУ является стягивание разрядного канала при токах более 5 кА под воздействием магнитного поля разрядного тока и как следствие увеличение плотности тока, что увеличивает токовую нагрузку на основные электроды и на узел поджига, и как следствие ограничивает отключающую способность и ресурс РВУ.

Технической задачей предложенного технического решения является создание устройства, обеспечивающего повышение индукции аксиального магнитного поля в межэлектродном промежутке РВУ

Технический результат, достигаемый в полезной модели, заключается в повышении отключающей способности РВУ, а также в увеличении ресурса РВУ.

Поставленная задача решается благодаря тому, что управляемый вакуумный разрядник, содержит два дисковых основных электрода, катодный и электродный, и, по меньшей мере, один узел поджига, установленный в отверстии катодного электрода. Отличием предложенного технического решения является то, что 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.

Управляемый вакуумный разрядник работает следующим образом.

При подаче управляющего импульса напряжения на управляющий электрод 10 происходит электрический пробой диэлектрической вставки 11. Вблизи ее внешней поверхности на катодном электроде 4 образуется катодное пятно (КП), которое является источником направленного плазменного потока, быстро закорачивающего межэлектродный промежуток. Между анодным электродом 1 и катодным электродом 4 возникает электрическая дуга. В катодном индукторе 5 по первому 7 и второму 8 кольцевым элементам катодного индуктора, и по кольцевым элементам анодного индуктора 2 начинает протекать кольцевой ток. Благодаря согласованному направлению кольцевых токов в анодном индукторе 2 и катодном индукторе 5 в межэлектродном промежутке РВУ формируется суммарное магнитное поле. Индукция магнитного поля в середине межэлектродного промежутка в два раза превышает индукцию магнитного поля одного из индукторов. Вблизи поверхности анодного электрода 1 и катодного электрода 4 магнитное поле имеет аксиальную и радиальную составляющие. Радиальная составляющая магнитного поля максимальна на периферии электродной системы, в частности, в области расположения управляющего электрода 10 с диэлектрической вставкой 11. В результате воздействия радиальной составляющей магнитного поля КП с увеличением тока перемещаются в азимутальном направлении, смещаясь в центральную область межэлектродного промежутка. В этой области становится существенным воздействие аксиальной составляющей магнитного поля, которая эффективно препятствует сжатию дугового канала и способствует устойчивому горению дуги. В этом режиме дуга горит между анодным 1 и катодным 4 электродами, вдали от диэлектрической вставки 11 узла поджига 9. Соответственно уменьшается токовая нагрузка на каждый узел поджига 9, что обеспечивает повышение ресурса РВУ. Кроме того, распределение плотности основного тока в центральной области межэлектродного промежутка будет более однородным, что способствует повышению коммутационной способности РВУ.

 

ВОЗМОЖНЫЕ ОБЛАСТИ ПРИМЕНЕНИЙ

Подключение энергоемких емкостных накопителей энергии в электрофизических установках; 
- Электроимпульсные технологии: магнитоимпульсная и гидроимпульсная обработка материалов, электродинамическая сварка, электрогидравлическая обработка нефтяных скважин и бетонных свай и др.; 
- Аппаратура для защиты электрооборудования от перенапряжений и токов короткого замыкания.

 

РВУ обладают мгновенной готовностью к работе, не требуют настройки во всем диапазоне рабочих напряжений и удобны в эксплуатации: безинерционны, пожаро - и взрывобезопасны, бесшумны, способны работать в различных средах и при любой ориентации в пространстве.

Производство и эксплуатация РВУ осуществляется без загрязнения окружающей среды.