RU2327265C1 - Switching device - Google Patents

Abstract

FIELD: radio engineering.

SUBSTANCE: invention can be used to make discharge devices, intended to switch the high level energy and to provide overvoltage protection. Switching device comprises two main electrodes, divided by a discharge gap; igniter electrode in the form of rod and current leads are located in this gap. One of the main electrodes has a through hole; igniter electrode made of semi-conducting or non-metal material with resistive properties, comes through this hole with a gap. One end of the igniter electrode contacts with another main electrode; opposite end of the igniter electrode is connected - via additional switching device, for example, gas-filled discharger, - to the main electrode with through hole or to trigger-pulse generator. From one side of igniter electrode, current leads are connected to the main electrodes; from another side of the igniter electrode the main electrodes have diverging or parallel to each other working surfaces.

EFFECT: enhancement of reliability and operation stability in high-current mode with a large discharge per pulse.

2 dwg

Description

Изобретение относится к области разрядной техники и может быть использовано при создании разрядных приборов, в частности разрядников, предназначенных для коммутации высоких уровней энергии, защиты аппаратуры и линий связи от перенапряжений.The invention relates to the field of discharge technology and can be used to create discharge devices, in particular arresters, designed for switching high energy levels, protecting equipment and communication lines from overvoltage.

Известен искровой разрядник, содержащий коаксиально расположенные анод и катод, образующие цилиндрический разрядный промежуток. Поджигающий электрод в виде стержня вводится продольно в разрядный промежуток ближе к катоду и изолирован керамической втулкой (см. патент США 3.719.852, кл.313-178, опубл. 06.03.1973 г.).Known spark gap containing coaxially located anode and cathode forming a cylindrical discharge gap. A firing electrode in the form of a rod is introduced longitudinally into the discharge gap closer to the cathode and is insulated with a ceramic sleeve (see US Pat. No. 3,719,852, cl. 313-178, publ. 03/06/1973).

К недостатку данного разрядника следует отнести достаточно высокие требования к амплитуде и фронту запускающего импульса, для получения стабильной работы разрядника.The disadvantage of this arrester is the relatively high requirements for the amplitude and front of the triggering pulse to obtain stable operation of the arrester.

Известен разрядник, содержащий два основных электрода и электрод поджига зубчатой формы (см. авт. свид. СССР №347849, кл. H01T 3/00, опубл. Б.И. №24, 1972 г.).A known spark gap containing two main electrodes and a gear-type ignition electrode (see ed. Certificate of the USSR No. 347849, class H01T 3/00, publ. B.I. No. 24, 1972).

К недостатку данного разрядника следует отнести повышенную эрозию зубчатого электрода поджига.The disadvantage of this spark gap is the increased erosion of the gear ignition electrode.

Наиболее близким техническим решением к предлагаемому изобретению является коммутирующее устройство, например разрядник, имеющий два противолежащих электрода и один пусковой электрод в виде стержня, расположенный в основном разрядном промежутке. Пусковой электрод соединен с основными электродами через сопротивления, величины которых подобраны таким образом, чтобы отношение пробивного напряжения в одном из промежутков к напряжению в другом промежутке было в пределах от 0,5 до 2,0 (см. патент Франции №2084184, кл. Н01Т 1/00, опубл. 02.01.72 г. - прототип).The closest technical solution to the present invention is a switching device, for example a spark gap having two opposite electrodes and one starting electrode in the form of a rod located in the main discharge gap. The starting electrode is connected to the main electrodes through resistances, the values of which are selected so that the ratio of breakdown voltage in one of the gaps to the voltage in the other gap is in the range from 0.5 to 2.0 (see French patent No. 2084184, class H01T 1/00, publ. 02.01.72 g. - prototype).

Недостатком такого разрядника является достаточно высокие требования к амплитуде и фронту запускающего импульса. Кроме того, пусковой электрод подвержен эрозии, так как его рабочая поверхность находится в непосредственной близости к основному разрядному промежутку, что не обеспечивает надежность и устойчивость в работе такого разрядника.The disadvantage of such a spark gap is the rather high requirements for the amplitude and front of the triggering pulse. In addition, the starting electrode is subject to erosion, since its working surface is in close proximity to the main discharge gap, which does not provide reliability and stability in the operation of such a spark gap.

Задача изобретения - создание надежного коммутирующего устройства, например разрядника, устойчиво работающего в сильноточном режиме с большим протекаемым зарядом за импульс.The objective of the invention is the creation of a reliable switching device, such as a spark gap, stably operating in high current mode with a large leakage charge per pulse.

Технический результат достигается за счет конструктивного выполнения коммутирующего устройства и использования в нем маломощного газонаполненного разрядника, имеющего стабильный порог срабатывания, не зависящий от внешних факторов, поджигающего и основных электродов, обеспечивающих выдувание разряда (дуги) на торцы основных электродов, что исключает их эрозию в зоне инициирования разряда или делает ее незначительной, не влияющей на надежную работу устройства.The technical result is achieved due to the constructive implementation of the switching device and the use of a low-power gas-filled spark gap in it, which has a stable response threshold that is independent of external factors, ignites the main electrodes, which blow the discharge (arc) at the ends of the main electrodes, which eliminates their erosion in the zone initiation of discharge or makes it insignificant, not affecting the reliable operation of the device.

Технический результат при осуществлении изобретения достигается тем, что в известном устройстве, содержащем два основных электрода, разделенных разрядным промежутком, в котором расположен поджигающий электрод в виде стержня, и токовводы, в одном из основных электродов выполнено сквозное отверстие, через которое с зазором проходит поджигающий электрод, изготовленный из полупроводникового или неметаллического материала, обладающего резистивными свойствами, один конец поджигающего электрода контактирует с другим основным электродом, а противоположный конец поджигающего электрода подключен через дополнительное коммутирующее устройство, например маломощный газонаполненный разрядник, подключен к основному электроду со сквозным отверстием или к генератору пусковых импульсов, при этом токовводы подключены к основным электродам по одну сторону от поджигающего электрода, а по другую сторону от пускового электрода основные электроды выполнены с расходящимися или параллельными друг другу рабочими поверхностями.The technical result in the implementation of the invention is achieved by the fact that in the known device containing two main electrodes separated by a discharge gap in which the ignition electrode is in the form of a rod and current leads, a through hole is made in one of the main electrodes through which the ignition electrode passes with a gap made of a semiconductor or non-metallic material having resistive properties, one end of the ignition electrode is in contact with the other main electrode, and the opposite end of the ignition electrode is connected through an additional switching device, for example, a low-power gas-filled spark gap, connected to the main electrode with a through hole or to the trigger pulse generator, while the current leads are connected to the main electrodes on one side of the ignition electrode and on the other side of the trigger electrode the main electrodes are made with diverging or parallel to each other working surfaces.

Проведенный заявителем анализ уровня техники позволил установить, что заявителем не обнаружен аналог, характеризующийся признаками, идентичными всем существенным признакам заявленного изобретения, а определение из перечня выявленных аналогов прототипа, как наиболее близкого по совокупности признаков аналога, позволил выявить совокупность существующих по отношению к усматриваемому заявителем техническому результату отличительных признаков, изложенных в формуле изобретения. Следовательно, заявленное изобретение соответствует требованию «новизна» по действующему законодательству.The analysis of the prior art by the applicant made it possible to establish that the applicant did not find an analogue characterized by features identical to all the essential features of the claimed invention, and the determination from the list of identified analogues of the prototype as the closest in terms of the totality of the features of the analogue made it possible to identify the totality of the technical the result of the distinguishing features set forth in the claims. Therefore, the claimed invention meets the requirement of "novelty" under the current law.

Для проверки соответствия заявленного изобретения требованию изобретательского уровня заявитель провел дополнительный поиск известных решений, результаты которого показывают, что заявленное изобретение не следует для специалиста явным образом из известного уровня техники, поскольку не выявлены решения, в которых для повышения надежности и устойчивости работы коммутирующего устройства был бы использован маломощный газонаполненный разрядник, имеющий стабильный порог срабатывания, не зависящий от внешних факторов, а также конструктивное выполнение коммутирующего устройства обеспечивало бы уменьшение эрозии электродов в зоне инициирования разряда.To verify the conformity of the claimed invention to the requirement of an inventive step, the applicant conducted an additional search for known solutions, the results of which show that the claimed invention does not explicitly follow from the prior art, since no solutions have been identified in which to increase the reliability and stability of the switching device would be a low-power gas-filled spark gap is used, which has a stable response threshold, independent of external factors, as well as a design A typical implementation of a switching device would provide a reduction in the erosion of electrodes in the discharge initiation zone.

Следовательно, заявленное изобретение соответствует требованию «изобретательский уровень» по действующему законодательству.Therefore, the claimed invention meets the requirement of "inventive step" under applicable law.

На фиг.1. показана конструктивная схема коммутирующего устройства.In figure 1. shows a structural diagram of a switching device.

На фиг.2 - макет предлагаемого прибора.Figure 2 - layout of the proposed device.

Устройство содержит основные электроды 1 и 2 с токовводами 3 и 4. Электроды 1 и 2 образуют разрядный промежуток 5. В электроде 1 выполнено отверстие 6, в котором с зазором расположен полупроводниковый поджигающий электрод 7, касающийся торцом электрода 2. Другим торцом полупроводниковый поджигающий электрод 7 соединяется через маломощный газонаполненный разрядник 8 с электродом 1 (или токовводом 3). Также полупроводниковый поджигающий электрод может быть подключен к генератору импульсов 9.The device contains the main electrodes 1 and 2 with current leads 3 and 4. The electrodes 1 and 2 form a discharge gap 5. In the electrode 1, a hole 6 is made in which a semiconductor ignition electrode 7 is located with a gap, touching the end face of the electrode 2. Another endpoint is a semiconductor ignition electrode 7 connected through a low-power gas-filled spark gap 8 with the electrode 1 (or current lead 3). Also, a semiconductor firing electrode can be connected to a pulse generator 9.

Устройство работает следующим образом.The device operates as follows.

При достижении напряжения на токовводах 3 и 4 определенного значения (например, 1500 В) происходит пробой газонаполненного разрядника 8. При этом на поверхности полупроводникового поджигающего электрода 7 возникает искровой разряд. Разряд проходит через отверстие 6 и инициирует разряд в основном разрядном промежутке 5 между электродами 1 и 2. Применение газонаполненного разрядника 8 позволяет значительно уменьшить разброс величины напряжения срабатывания прибора. Под действием магнитного поля контура тока, образованного электродами 1, 2 и разрядным каналом (дугой), последняя выталкивается вниз к торцам электродов 1 и 2. Процесс выталкивания происходит достаточно быстро (несколько миллисекунд), и основное время протекания тока (сотни миллисекунд) осуществляется на торцах электродов 1 и 2. При токах до 9 кА на торцах электродов 1 и 2 за несколько десятков импульсов происходит сильная эрозия, изменяющая их геометрические размеры, как показано на фиг.1 мелкой штриховкой. Однако это не влияет на величину напряжения пробоя и стабильность работы прибора. Таким образом, применение газонаполненного разрядника, полупроводникового поджигающего электрода, находящегося в контакте с одним из основных электродов 2 и основных электродов 1, 2, с возможностью выдувания дуги на их торцы, обеспечивает надежную и стабильную работу устройства при протекании мощных импульсов тока с зарядом до нескольких сотен кулон за импульс.When the voltage at the current leads 3 and 4 reaches a certain value (for example, 1500 V), a gas-filled spark gap 8 is broken. In this case, a spark discharge occurs on the surface of the semiconductor ignition electrode 7. The discharge passes through the hole 6 and initiates a discharge in the main discharge gap 5 between the electrodes 1 and 2. The use of gas-filled spark gap 8 can significantly reduce the variation in the voltage of the device. Under the influence of the magnetic field of the current circuit formed by the electrodes 1, 2 and the discharge channel (arc), the latter is pushed down to the ends of the electrodes 1 and 2. The ejection process occurs quite quickly (several milliseconds), and the main current flow (hundreds of milliseconds) is the ends of the electrodes 1 and 2. At currents up to 9 kA, strong erosion occurs at the ends of the electrodes 1 and 2 for several tens of pulses, changing their geometrical dimensions, as shown in FIG. 1 by fine shading. However, this does not affect the magnitude of the breakdown voltage and the stability of the device. Thus, the use of a gas-filled spark gap, a semiconductor igniting electrode in contact with one of the main electrodes 2 and the main electrodes 1, 2, with the possibility of blowing the arc at their ends, ensures reliable and stable operation of the device when powerful current pulses with a charge of up to several hundreds of pendant per impulse.

Предлагаемый разрядник позволяет защищать, например, изолированные опоры электрических сетей электрифицированного транспорта при аварийном пробое изоляторов сети. При этом через разрядник протекает ток до 10 кА и заряд до 1000 Кл.The proposed arrester allows you to protect, for example, insulated supports of electrical networks of electrified vehicles during emergency breakdown of network insulators. In this case, a current of up to 10 kA and a charge of up to 1000 C flow through the arrester.

Были изготовлены макеты коммутирующего устройства, например разрядника, показанного на фиг.2.Were made layouts of a switching device, such as a spark gap, shown in figure 2.

Прибор содержит стальной корпус 10 диаметром 80 мм. В дне корпуса выполнены вентиляционные отверстия 11 и имеется токоввод 4. С противоположной стороны через изолятор 12 закреплен анодный токоввод 3. Внутри анодного электрода 1 расположен цилиндрический изолятор 13, в котором располагаются полупроводниковый поджигающий электрод 7 и газонаполненный разрядник 8. Полупроводниковый поджигающий электрод 7 проходит с зазором сквозь отверстие 6 и касается катода 2. Для обеспечения надежного контакта используется пружина 14.The device contains a steel case 10 with a diameter of 80 mm. Ventilation holes 11 are made in the bottom of the housing and there is a current lead 4. On the opposite side, an anode current lead 3 is fixed through the insulator 12. A cylindrical insulator 13 is located inside the anode electrode 1, in which a semiconductor ignition electrode 7 and a gas-filled spark gap 8 are located. the gap through the hole 6 and touches the cathode 2. To ensure reliable contact, a spring 14 is used.

Величина напряжения срабатывания прибора определяется напряжением срабатывания газонаполненного разрядника 8 (например 1500 В). Газонаполненный разрядник 8 имеет стабильный порог срабатывания. Воздействия внешней среды (температура, влажность, давление) в меньшей степени влияют на порог срабатывания разрядника 6. Тем самым повышается надежность и стабильность срабатывания прибора в целом.The value of the operating voltage of the device is determined by the operating voltage of the gas-filled spark gap 8 (for example 1500 V). Gas-filled spark gap 8 has a stable threshold. Environmental influences (temperature, humidity, pressure) to a lesser extent affect the threshold of the arrester 6. This increases the reliability and stability of the operation of the device as a whole.

При достижении на токовводах 3 и 4 напряжения 1500 В происходит срабатывание газонаполненного разрядника 8. На поверхности полупроводникового поджигающего электрода 7 возникает искровой разряд, который инициирует основной разряд между электродами 1 и 2. Под действием магнитного поля дуга перемещается на торцы электродов 1 и 2.When a voltage of 1500 V is reached at current leads 3 and 4, a gas-filled spark gap 8 is triggered. A spark discharge appears on the surface of the semiconductor ignition electrode 7, which initiates the main discharge between electrodes 1 and 2. Under the influence of a magnetic field, the arc moves to the ends of electrodes 1 and 2.

Испытания макетных образцов показали удовлетворительные результаты. При протекании заряда 900 Кл разрядники обеспечивали надежное срабатывание не менее 25 раз. Эрозия электродов в зоне инициирования разряда была незначительной. Интенсивная эрозия наблюдалась в зоне протекания основного разряда, но это не повлияло на надежность срабатывания разрядника.Tests of prototypes showed satisfactory results. With a charge flow of 900 C, the arresters provided reliable operation at least 25 times. Electrode erosion in the discharge initiation zone was negligible. Intensive erosion was observed in the zone of the main discharge, but this did not affect the reliability of the spark gap operation.

Следовательно, заявленное изобретение соответствует требованию «промышленная применимость» по действующему законодательству.Therefore, the claimed invention meets the requirement of "industrial applicability" under applicable law.

Claims (1)

Коммутирующее устройство, содержащее два основных электрода разделенных разрядным промежутком, в котором расположен поджигающий электрод в виде стержня, и токовводы, отличающееся тем, что в одном из основных электродов выполнено сквозное отверстие, через которое с зазором проходит поджигающий электрод, изготовленный из полупроводникового или неметаллического материала, обладающего резистивными свойствами, один конец поджигающего электрода контактирует с другим основным электродом, а противоположный конец поджигающего электрода подключен через дополнительное коммутирующее устройство, например газонаполненный разрядник, к основному электроду со сквозным отверстием или к генератору пусковых импульсов, при этом токовводы подключены к основным электродам по одну сторону от поджигающего электрода, а по другую сторону от него основные электроды выполнены с расходящимися или параллельными друг другу рабочими поверхностями.A switching device containing two main electrodes separated by a discharge gap, in which a firing electrode in the form of a rod is located, and current leads, characterized in that a through hole is made in one of the main electrodes, through which a firing electrode made of a semiconductor or non-metallic material passes with a gap having resistive properties, one end of the ignition electrode is in contact with the other main electrode, and the opposite end of the ignition electrode is it is connected via an additional switching device, for example, a gas-filled spark gap, to the main electrode with a through hole or to a trigger pulse generator, while the current leads are connected to the main electrodes on one side of the ignition electrode, and on the other side of it the main electrodes are made diverging or parallel to each other friend work surfaces.

Images