RU2227951C2

RU2227951C2 - Discharger

Info

Publication number: RU2227951C2
Application number: RU2001116738/09A
Authority: RU
Inventors: А.С. Арефьев; В.Ф. Анисимов; Ю.В. Киселёв
Original assignee: Рязанская государственная радиотехническая академия
Priority date: 2001-06-15
Filing date: 2001-06-15
Publication date: 2004-04-27
Also published as: RU2001116738A

Abstract

FIELD: gas discharge and vacuum engineering; surge gaps for exchange lines or for switching electric circuits. SUBSTANCE: discharger has at least two main electrodes and insulating case which form vacuum- tight shell, as well as one breakdown initiator built on additional link disposed in vicinity of main spark gap and passed through depression or central bore in at least one of main electrodes. Breakdown initiator and resistance or reactance units form together electric circuit connected in parallel with main electrodes discharger. Clearance between link and main electrode does not exceed electrode distance. EFFECT: improved transient performance characteristics of discharger; enhanced operating reliability of equipment being protected. 5 cl, 2 dwg

Description

Изобретение относится к области конструирования газоразрядных приборов, конкретно к управляемым и неуправляемым защитным разрядникам, и может быть использовано в устройствах электротехнического оборудования различного назначения для защиты от перенапряжений, а также для коммутации электрических цепей.The invention relates to the field of design of gas-discharge devices, specifically to controlled and uncontrolled protective arresters, and can be used in devices of electrical equipment for various purposes for surge protection, as well as for switching electrical circuits.

Известен защитный разрядник [1], содержащий вакуумно-плотную оболочку, внутри которой установлены два противолежащих электрода, в промежутке между которыми расположен узел инициирования разряда, выполненный в виде полупроводникового элемента, и электрически соединенный с одним из электродов и диэлектрической втулкой, имеющей электрический контакт как с полупроводниковым элементом, так и с другим основным электродом, емкость которой не меньше емкости полупроводникового элемента.Known protective arrester [1], containing a vacuum-tight shell, inside which two opposing electrodes are installed, between which there is a discharge initiating unit made in the form of a semiconductor element, and electrically connected to one of the electrodes and a dielectric sleeve having an electrical contact as with a semiconductor element, and with another main electrode, the capacity of which is not less than the capacity of the semiconductor element.

Предложенная конструкция имеет большую собственную емкость и недостаточную долговечность из-за быстрого выхода из строя полупроводникового элемента за счет ограничения тока только внутренним сопротивлением полупроводника, включенного в прямом направлении, при приходе импульса перенапряжения. Кроме того, в связи с тем, что узел инициирования находится в зоне разряда, происходит тепловой пробой полупроводникового элемента при прохождении импульса тока.The proposed design has a large intrinsic capacitance and insufficient durability due to the rapid failure of the semiconductor element due to the limitation of the current only to the internal resistance of the semiconductor, included in the forward direction, upon the arrival of an overvoltage pulse. In addition, due to the fact that the initiation unit is located in the discharge zone, thermal breakdown of the semiconductor element occurs when a current pulse passes.

Известен защитный разрядник [2], который содержит два противостоящих основных электрода, образующих с цилиндрическим изоляционным корпусом вакуумно-плотную оболочку, и инициирующие электроды, соединенные с основными электродами через резистивные элементы сопротивлением 1-10⁸ Ом. Инициирующие электроды установлены друг относительно друга с микрозазором, длина которого выбрана из условия возникновения в нем автоэлектронной эмиссии при рабочих напряжениях.Known protective arrester [2], which contains two opposing main electrodes, forming a vacuum-tight shell with a cylindrical insulating body, and initiating electrodes connected to the main electrodes through resistive elements with a resistance of 1-10 ⁸ Ohms. The initiating electrodes are installed relative to each other with a microgap, the length of which is selected from the conditions for the appearance of field emission in it at operating voltages.

Предложенная конструкция из-за малой вероятности ионизации газа в микрозазоре имеет существенное время запаздывания.The proposed design, due to the low probability of gas ionization in the microgap, has a significant delay time.

Эти недостатки устраняются при новом техническом решении. Техническое решение достигается тем, что узел инициирования заряженных частиц или/и фотонов (инициатор пробоя), совместно с или активными или/и реактивными элементами образует электрическую цепь, включенную параллельно основным электродам. Инициатором пробоя является любой источник заряженных частиц или/и фотонов, например диспергированные пленки, обратно смещенные р/n переходы, структуры металл - диэлектрик - металл, металл - диэлектрик - полупроводник, полупроводники на основе халькогенидов, светодиоды. Причем инициатор пробоя удален от основного разрядного промежутка на расстояние, меньшее или равное расстоянию между электродами разрядника. При этом параметры емкости индуктивности и сопротивлений всех элементов цепи зависят от параметров применяемого инициатора и скорости нарастания напряжения в цепи. Они выбираются из условий, при которых рабочее напряжение на инициаторе пробоя достигается раньше, чем будет достигнуто статическое напряжение пробоя разрядника.These shortcomings are eliminated with the new technical solution. The technical solution is achieved by the fact that the site of initiation of charged particles and / or photons (breakdown initiator), together with either active or / and reactive elements, forms an electric circuit connected in parallel with the main electrodes. Breakdown initiator is any source of charged particles and / or photons, for example, dispersed films, reverse biased p / n junctions, metal-dielectric-metal, metal-dielectric-semiconductor structures, chalcogenide based semiconductors, LEDs. Moreover, the breakdown initiator is removed from the main discharge gap by a distance less than or equal to the distance between the spark gap electrodes. In this case, the parameters of the inductance capacitance and resistances of all elements of the circuit depend on the parameters of the initiator used and the rate of increase of voltage in the circuit. They are selected from the conditions under which the operating voltage at the breakdown initiator is reached before the static breakdown voltage of the spark gap is reached.

Возможно использование в цепи инициатора емкости и индуктивности, включенной последовательно или/и параллельно относительно инициатора пробоя и/или дополнительного сопротивления.It is possible to use capacitance and inductance in the initiator circuit, connected in series and / or parallel to the breakdown initiator and / or additional resistance.

В качестве активных сопротивлений, кроме резисторов, возможно использование других элементов, например варисторов, полупроводниковых элементов и т. д.As resistors, in addition to resistors, it is possible to use other elements, for example varistors, semiconductor elements, etc.

На фиг.1-2 представлены конструкции испытываемых разрядников.Figure 1-2 presents the design of the tested arresters.

В первом варианте конструкции разрядника электроды 1, 2 и изолятор 7 образуют с вакуумно-плотную оболочку (фиг.1), в котором через углубление 4 в первом электроде 1 проходит дополнительный элемент (узел инициирования пробоя) с расположенными на нем инициатором пробоя 3, дополнительным сопротивлением 5 и обкладкой дополнительной емкости 6. Причем сопротивление может подключаться как с одной стороны инициатора, так и с обеих сторон, и функции дополнительной емкости может выполнять конструктивная емкость между элементами узла инициирования пробоя и электродом 1. Узел инициирования пробоя подключен параллельно разрядному промежутку.In the first embodiment of the spark gap design, the electrodes 1, 2 and the insulator 7 form a vacuum-tight shell (Fig. 1), in which an additional element (breakdown initiation unit) with a breakdown initiator 3 located on it passes through a recess 4 in the first electrode 1 resistance 5 and the lining of the additional capacitance 6. Moreover, the resistance can be connected both on one side of the initiator and on both sides, and the structural capacitance between the elements of the initiation unit can perform the functions of the additional capacitance oya and electrode assembly 1. breakdown initiation discharge gap connected in parallel.

Во втором варианте конструкции разрядника (фиг.2) через центральное отверстие 4 в первом электроде 1 проходит дополнительный элемент (вставка) с расположенными на нем инициатором 3 и дополнительным сопротивлением 5. Причем сопротивление может подключаться как с одной стороны инициатора, так и с обеих сторон. Дополнительный элемент имеет электрический контакт с электродом 2 и через дополнительный изолированный вывод 8 в разряднике подключается или к дополнительной емкости 6, соединенной с первым электродом, или же конструктивная емкость между дополнительным выводом и первым электродом выполняет функции дополнительной емкости. Вместо емкости 6 возможно использование дополнительной индуктивности или в цепи инициатора пробоя имеются оба элемента.In the second embodiment of the arrester design (Fig. 2), an additional element (insert) passes through the central hole 4 in the first electrode 1 with the initiator 3 and additional resistance 5 located on it. Moreover, the resistance can be connected both on one side of the initiator and on both sides . The additional element has electrical contact with the electrode 2 and, through an additional insulated terminal 8 in the arrester, is connected either to the additional capacitance 6 connected to the first electrode, or the structural capacitance between the additional output and the first electrode functions as an additional capacitance. Instead of capacitance 6, the use of additional inductance is possible or both elements are present in the breakdown initiator circuit.

Разрядники наполнены инертным газом. Измерение динамического напряжения пробоя проводилось при крутизне нарастания напряжения 1кВ/мкс.Arresters are filled with inert gas. The measurement of the dynamic breakdown voltage was carried out with a steepness of the voltage rise of 1 kV / μs.

Проведенные сравнительные испытания с различными инициаторами пробоя дали следующие результаты.The conducted comparative tests with various breakdown initiators yielded the following results.

1. Динамическое напряжение пробоя в разрядниках с полупроводниковыми инициаторами, выполненными на основе карбида кремния, включенными в обратном направлении (обратно смещенные) с R·С=0,5 мкс составляло 60-80% динамического напряжения пробоя разрядников, инициаторами которых являлись микрозазоры.1. The dynamic breakdown voltage in the arresters with semiconductor initiators made on the basis of silicon carbide, switched in the opposite direction (reverse biased) with R · C = 0.5 μs amounted to 60-80% of the dynamic breakdown voltage of the arresters, the initiators of which were microgaps.

2. Динамическое напряжение пробоя в разрядниках с инициаторами, выполненными в виде диспергированных пленок (окись олова), последовательно включенными с дополнительной индуктивностью и сопротивлением, составляло 70% динамического напряжения пробоя разрядников, инициаторами которых являлись микрозазоры.2. The dynamic breakdown voltage in the arresters with initiators made in the form of dispersed films (tin oxide), connected in series with additional inductance and resistance, accounted for 70% of the dynamic breakdown voltage of the arresters, the initiators of which were microgaps.

3. Динамическое напряжение пробоя в разрядниках с инициаторами, выполненными в виде структур металл - диэлектрик - металл, последовательно включенных с дополнительной емкостью и сопротивлением, составляло 65-80% динамического напряжения пробоя разрядников, инициаторами которых являлись микрозазоры.3. The dynamic breakdown voltage in arresters with initiators made in the form of metal - dielectric - metal structures, connected in series with additional capacitance and resistance, comprised 65-80% of the dynamic breakdown voltage of arresters, the initiators of which were microgaps.

Полученные результаты объясняются тем, что при выполнении вышеназванных условий появляется возможность получить на инициаторе рабочее напряжение (напряжение, при котором начинается эмиссия с инициатора) раньше, чем будет достигнуто статическое напряжение пробоя разрядника, т. е. раньше получить в разрядном промежутке фотоны или заряженные частицы, что облегчает пробой разрядного промежутка.The obtained results are explained by the fact that, when the above conditions are met, it becomes possible to obtain the operating voltage on the initiator (the voltage at which emission starts from the initiator) earlier than the static breakdown voltage of the spark gap is reached, i.e., earlier to obtain photons or charged particles in the discharge gap , which facilitates the breakdown of the discharge gap.

Использование данного технического решения позволяет улучшить динамические характеристики разрядников на 20-30% по сравнению с разрядниками, выпускаемыми промышленностью. Это позволяет повысить надежность защищаемой аппаратуры.The use of this technical solution allows to improve the dynamic characteristics of arresters by 20-30% compared with arresters manufactured by the industry. This allows you to increase the reliability of the protected equipment.

1. Патент России №2084062 с приоритетом от 28.06.94. Разрядник // В.Ф.Анисимов, А.С.Арефьев, Ю.В.Киселев.1. Patent of Russia No. 2084062 with priority from 06/28/94. Discharger // V.F. Anisimov, A.S. Arefiev, Yu.V. Kiselev.

2. А. с. СССР №1135405 H 01 T 1/20 1983г. Защитный разрядник // Киселев, Ю.В., Тухас В.А., Яшкова В.М.2. A. p. USSR No. 1135405 H 01 T 1/20 1983 Protective arrester // Kiselev, Yu.V., Tukhas V.A., Yashkova V.M.

Claims

1. Разрядник, содержащий не менее двух электродов, образующих с изоляционным корпусом вакуумно-плотную оболочку, и по меньшей мере один инициатор пробоя, который совместно с элементами сопротивления образует электрическую цепь, включенную параллельно основным электродам разрядника, отличающийся тем, что инициатор пробоя выполнен на дополнительной вставке, расположенной в зоне основного разрядного промежутка и проходящий через углубление или центральное отверстие хотя бы в одном из основных электродов, в качестве элементов сопротивления использованы активные и/или реактивные элементы, а зазор между вставкой и основным электродом не превышает междуэлектродного расстояния.1. A spark gap containing at least two electrodes forming a vacuum-tight shell with an insulating casing and at least one breakdown initiator, which together with resistance elements forms an electric circuit connected in parallel with the main electrodes of the spark gap, characterized in that the breakdown initiator is made on an additional insert located in the zone of the main discharge gap and passing through a recess or central hole in at least one of the main electrodes, as resistance elements tions used active and / or reactive elements, and the gap between the insert and the main electrode does not exceed the interelectrode distance.

2. Разрядник по п.1, отличающийся тем, что в разряднике имеется дополнительный вакуумно-плотный токоввод для подсоединения инициатора пробоя.2. The arrester according to claim 1, characterized in that the arrester has an additional vacuum-tight current lead for connecting the breakdown initiator.

3. Разрядник по п.1, отличающийся тем, что в электрическую цепь включенную параллельно электродам разрядника добавлены дополнительные элементы, например индуктивность, варистор, полупроводниковые приборы.3. The arrester according to claim 1, characterized in that additional elements, for example, inductance, varistor, semiconductor devices, are added to the electric circuit connected in parallel with the arrester electrodes.

4. Разрядник по п.1, отличающийся тем, что элементы электрической цепи, включенной параллельно электродам разрядника, включенные относительно инициатора пробоя в любой последовательности, находятся внутри или/и снаружи изоляционного корпуса разрядника.4. The arrester according to claim 1, characterized in that the elements of the electrical circuit connected in parallel with the arrester electrodes, connected with respect to the breakdown initiator in any sequence, are located inside and / or outside the arrester insulation housing.

5. Разрядник по п.1, отличающийся тем, что инициатором пробоя является любой источник эмиссии заряженных частиц или/и фотонов, например диспергированные пленки, обратносмещенные р/n переходы, структуры металл - диэлектрик - металл, металл - диэлектрик - полупроводник, полупроводники на основе халькогенидов, светодиоды.5. The arrester according to claim 1, characterized in that the breakdown initiator is any source of emission of charged particles and / or photons, for example, dispersed films, reverse biased p / n junctions, metal-dielectric-metal, metal-dielectric-semiconductor structures, semiconductors on based on chalcogenides, LEDs.