управляемый газовый коммутатор

Формула изобретения

1. Управляемый газовый коммутатор, содержащий два электрода, разделенные газовым промежутком, и систему запуска, выполненную в виде системы подачи газа в межэлектродный промежуток, которая связана с внешним источником газа, отличающийся тем, что электрическая прочность газа в источнике ниже электрической прочности газа, находящегося в межэлектродном промежутке.

2. Управляемый газовый коммутатор по п.1, отличающийся тем, что система подачи газа в межэлектродный промежуток выполнена в виде, по меньшей мере, одного сквозного отверстия в одном из электродов, которое соединено диэлектрической трубкой с внешним источником газа.

3. Управляемый газовый коммутатор по п.1, отличающийся тем, что система подачи газа в межэлектродный промежуток выполнена в виде сквозных отверстий в обоих электродах, которые соединены диэлектрическими трубками с внешним источником газа.

4. Управляемый газовый коммутатор по п.1, отличающийся тем, что система подачи газа выполнена в виде трубы, которая соединена с внешним источником газа и имеет щель для подачи струи газа перпендикулярно оси коммутатора, длина которой не менее расстояния между электродами.

Описание изобретения к патенту

Предлагаемое изобретение относится к коммутационной технике и может быть использовано в различных электрофизических установках, в высоковольтных испытательных установках для переключения энергии источника в нагрузку.

Типичная схема коммутатора содержит два электрода. Один электрод соединен с источником напряжения, второй электрод соединен с нагрузкой. Для передачи энергии от источника в нагрузку необходимо произвести запуск коммутатора. Коммутатор запускается в результате воздействия на его межэлектродный промежуток какого-либо фактора, при котором создается условие Е>Е_П, где Е_П - электрическая прочность промежутка, Е - напряженность поля в промежутке. Указанное условие можно выполнить при увеличении Е или при уменьшении Е_П . В соответствии с этим подходом коммутаторы делятся на два типа:

1) коммутаторы, управляемые по принципу уменьшения электрической прочности коммутатора Е_П;

2) коммутаторы, управляемые по принципу увеличения напряженности поля в промежутке Е.

К настоящему времени известно несколько способов уменьшения величины Е_П.

К ним можно отнести тригатроны, искровые реле, использование электронного пучка, мощного лазера, магнитного поля [1-3], плазменной струи [4]. Практически при всех способах запуска коммутатора диапазон управления коммутатором (за исключением запуска коммутатора плазменной струей) К=U _ст/U_р2, где V_ст - статическое пробивное напряжение межэлектродного промежутка коммутатора, а U_р - минимальное напряжение, при котором формируется разряд. Несмотря на неплохие пусковые характеристики коммутаторов, их использование затруднено дополнительными элементами (дорогостоящий лазер, необходимость электронной или ионной пушки и т.д.) и их сложностью компоновки.

Наиболее близким к предлагаемому по технической сущности является управляемый коммутатор [4] (прототип), в котором диапазон управления К>2. Запуск коммутатора осуществляют подачей в межэлектродный промежуток струи плазмы, формируемой при помощи разряда в капилляре электрода. Коммутатор содержит два электрода. В одном из электродов по его оси в качестве капилляра используется керамическая трубка, открытая со стороны разрядного промежутка и закрытая с противоположной стороны. Внутри трубки находится запальный электрод. Запальный электрод соединен со схемой поджига, которая формирует импульс высокого напряжения (15 кВ). Вспомогательный разряд осуществляется по внутренней поверхности керамической трубки от запального электрода на основной. Поскольку диаметр капилляра мал, плазма разряда быстро заполняет объем капилляра и под давлением поступает в основной промежуток, что в конечном итоге приводит к срабатыванию коммутатора.

Недостатком известного способа и устройства, которое выбрано за прототип, является наличие керамического капилляра, который при большом числе срабатываний будет разрушаться, поскольку температура струи поджига составляет ˜ 3000 К. Кроме этого для решения многих задач желательно расширить диапазон управления коммутатором без его перестройки.

Предлагаемое изобретение направлено на решение задачи по расширению диапазона управления коммутатором и упрощению его конструкции.

Для решения этой задачи, как и в прототипе, запуск коммутатора осуществляется за счет уменьшения электрической прочности Е_П межэлектродного промежутка. В отличие от прототипа уменьшение Е_П осуществляется за счет инжекции в межэлектродный промежуток коммутатора струи газа, электрическая прочность которого ниже электрической прочности газа, находящегося в межэлектродном промежутке коммутатора.

Поставленная задача решается так же тем, что в управляемом газовом коммутаторе, содержащем два электрода, разделенных газовым промежутком, и систему запуска, согласно изобретению система запуска выполнена в виде системы подачи газа в межэлектродный промежуток, сообщающейся с внешним источником газа.

При этом система подачи газа может быть выполнена в виде по меньшей мере одного сквозного отверстия в одном из электродов, которое соединено диэлектрической трубкой с внешним источником газа.

Для более быстрого «перемыкания» между электродами система подачи газа может быть выполнена в виде сквозных отверстий в двух электродах, соединенных диэлектрическими трубками с внешним источником газа.

Кроме того, система подачи газа может быть выполнена в виде трубы, соединенной с внешним источником газа, которая имеет щель для подачи струи газа перпендикулярно оси коммутатора, при этом щель трубы должна быть не меньше длины межэлектродного промежутка коммутатора.

Известно, что электрическая прочность газов значительно отличается друг от друга, например в [5] приведены такие результаты (см. таблицу).

Значения E/Eвоздух относительной электрической прочности для различных газов
Газ	E/Eвoздyx	Относительная электрическая прочность
C2H5Cl	1,22	1.23
SF6	2,22	2,3
CHCl	4,15	4,24
CCl	5,9	6,36
Ne	0,17	˜0,14

Необходимо добавить, что смесь Ne+Аr₂ [5] обладает меньшей прочностью, чем чистый Ne.

Предлагаемое изобретение обладает существенными отличиями и новизной, заключающимися в том, что запуск коммутатора осуществляют инжекцией газа в межэлектродный промежуток.

В дальнейшем изобретение поясняется описанием примеров его выполнения и чертежами, на которых

фиг.1 - схема коммутатора согласно изобретению с отверстием в одном из электродов для инжекции газа в межэлектродный промежуток;

фиг.2 - то же устройство с отверстиями в двух электродах;

фиг.3 - схема коммутатора согласно изобретению с инжекцией газа перпендикулярно оси коммутатора.

В межэлектродный промежуток газового коммутатора согласно изобретению инжектируют струю газа, например Ne, электрическая прочность которого намного ниже прочности воздуха, которым заполнен межэлектродный промежуток. Под воздействием инжектируемого газа электрическая прочность между электродами коммутатора Е_п резко уменьшается и происходит запуск коммутатора.

Управляемый газовый коммутатор содержит два электрода 1, 2 произвольной формы, один из электродов 1 соединен с источником постоянного тока 3, другой - с нагрузкой 4, и систему подачи газа в межэлектродный промежуток, выполненную в виде отверстия 5 в электроде 2, которое соединено диэлектрической трубкой 6 с внешним источником газа 7.

Другой вариант выполнения системы подачи газа представлен на фиг.2, где в электродах 1, 2 выполнены отверстия 5, 8 для подачи струи газа от внешнего источника газа 7 через диэлектрические трубки соответственно 6, 9 в межэлектродный промежуток.

На фиг.3 представлен еще один вариант выполнения системы подачи газа, содержащей диэлектрическую трубу 10, соединенную с внешним источником газа 7, имеющую инжекционную щель для подачи газа перпендикулярно оси коммутатора, длина щели L₁ больше или равна длине L межэлектродного промежутка.

Устройство работает следующим образом. В исходном состоянии (фиг.1) к электродам коммутатора 1 и 2 приложено напряжение, которое ниже статического пробивного напряжения промежутка коммутатора и коммутатор не срабатывает. В определенный момент времени для запуска коммутатора от источника газа 7 по трубке 6 через отверстие 5 в электроде 2 под давлением в межэлектродный промежуток коммутатора инжектируется газ. За счет давления газа и малого отверстия 5 в электроде 2 струя газа быстро заполняет промежуток между электродами 1 и 2. Поскольку струя газа между электродами обладает малой электрической прочностью, это резко облегчает его пробой. Пробой межэлектродного промежутка происходит под большим перенапряжением. Такая система запуска не изменяет физических процессов, свойственных пробою в газе.

Если в электроде 7 (фиг.2) выполнено, как и в электроде 2, отверстие 8 и соединено трубкой 9 с источником газа 7, то в этом случае произойдет более быстрое «перемыкание» между электродами 1 и 2 и тем самым уменьшается время коммутации.

Еще более короткое время коммутации можно достигнуть в конструкции коммутатора, приведенной на фиг.3. Здесь инжекция газа в промежуток коммутатора между электродами 1 и 2 осуществляется в направлении, перпендикулярном оси коммутатора по трубке 5, которая имеет щель, причем щель такова, что ее длина L₁ равна или больше длины межэлектродного промежутка L коммутатора. При такой инжекции газа «перемыкание» газом наступает более быстро, нежели в конструкциях, которые приведены выше.

Необходимо отметить, что предложенный способ запуска коммутатора может быть использован и для запуска газовых коммутаторов, в которых электроды и газ находятся под давлением. Однако в этом случае усложняется конструкция коммутатора и требуется замена газа после каждого срабатывания.

Таким образом, предложенный способ запуска коммутатора позволяет существенно увеличить диапазон управления коммутатором и упростить конструкцию коммутатора.

Источники информации

1. Г.А.Месяц. Генерирование мощных наносекундных импульсов /Москва, Изд. «Советское радио», 1974.

2. В.В.Кремнев, Г.А.Месяц. Методы умножения и трансформация импульсов в сильноточной электронике /Новосибирск, «Наука», Сибирское отделение, 1987.

3. Тезисы совместного заседания секций научных советов АН СССР «Научные основы электрофизики и электроэнергетики» и «Проблемы мощной импульсной энергетики». Томск, 27-28 ноября 1986.

4. Н.И.Фальковский. Управляемый плазмоструйный разрядник для коммутации больших импульсных токов, ПТЭ, №3, 1973.

5. Дж.Мид, Дж.Крегс. Электрический пробой в газах /Иностранная литература, Москва, 1960, с.325, 112-113, 370-371.