Способ отключения постоянного тока и устройство для его осуществления

 

Союз Советскнв

Соцналнстнческнк

Республик

ОПИСАНИ

ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (61) Дополнительное к авт. саид-ву— (22) Заявлено 060677 (21) 2493251/24-07

{51)М. Кл.2

Н 03 К 17/52

Н 01 д 17/00 с присоединением заявки ¹

Государственный" комнтет

СССР по делам нзобретеннй и открытнй (23) Приоритет—

{53) УДК 621. 3.014. . 2 (088.8) Опубликовано 2505.80. Бюллетень HP 19

Дата опубликования описания 30. 05. 80 (72) Авторы изобретения

А, Г. Иосифьян, В. П. Фотин, В. Н. Бондалетов, E. И. Лапшин, A. С. Островский и A. И. Савченко (71) 3а яв ит ель (54) СПОСОБ ОТКЛЮЧЕНИЯ ПОСТОЯННОГО ТОКА И

УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ

При таком способе отключения допустимая скорость нарастания возвращающегося напряжения ограничена изза больших времен деионизации плазменного промежутка (от 100 до

1000 Мкс). По этой причине с ростом уровня отключаемых токов и возвращающегося напряжения процесс отключе,ния в данном способе может быть нарушен из-за перехода распределительного разряда в электрическую дугу с катодным пятном.

Изобретение относится к области коммутационной техники, а конкретнее к технике отключения тока высокого напряжения и может быть применено в цепях и системах постоянного тока, генераторах импульсных токов цля осуществления переключения в индуктивных накопителях электрической энергии и т. д. 10

Известен способ отключения постоянного тока, заключающийся в том, что на постоянный ток в момент отключения накладывают колебательный разряд, расчитанный так, чтобы через короткий промежуток времени суммарный ток в цепи перешел через нуль (1).

Однако при осуществлении этого способа отключения значительно усложняется схема отключающего устройства и увеличиваются затраты энергии на отключение.

Известны также способы отключения постоянного тока, в соответствии с которыми отключаемый ток пропускают через газоразрядные приборы низкого давления. В одном из таких способов на сетке проводящего тока газоразряд.ного прибора увеличивают отрицательный потенциал, что приводит к росту размеров приэлектродных слоев в малых отверстиях сетки и разрыву тока, протекающего через прибор {2).

Такой способ отключения допускает высокий уровень и большие скорости нарастания возвращающегося напряжения, однако пригоден для токов ограниченной величины из-за больших потерь энергии на сетках прибора.

В другом способе, отключаемый то» пропускают через газоразрядный прибор, в котором разряд поддерживают внешним магнитным полем. Для отключения тока выключают или уменьшают ниже критического значения внешнее магнитное поле (3) и f4) .

736374 ся отключением проходящего через устройство тока. Однако уровни токов и напряжениЯ, которые могут быть отключены с помощью известных устройств, невысоки так же, как и быстродействие, поскольку в большинстве случаев уменьшение плотности газа в известных газоразрядных устройствах сопровождается резким падением напряжения, интенсивным разрушением эмиттера тер-, мокатода, увеличением вероятности воэникновения каскадной дуги и т. д„ По этой причине в известных устройствах стараются избегать режимов, связанных со значительным изменением плотности газа и, наоборот, стараются стабилизировать газовый режим с помощью генератора газа, причем электроды уст55

Известен также сгйэсоб отключения постоянного тока. Ток пропускают через гаэоразрядный прибор низкого давления и понижают плотность газа в канале тока до критической величины, помещая на пути разряда сужение. Понижение плотности газа в канале тока в области сужения осуществляют движушимися через сужение с большими ско ростями ионами и электронами, которые переносят пропускаемый через прибор ток и вытесняют нейтральные атомы в области,прилегаюшие к сужению канала тока (5) .

Распад плазмы, приводяший к отключению тока в известном способе происходит только в области сужения канала тока, в то время как прилегаюшие к сужению области каиала тока сохраняют некоторое время проводящее состояwe. По этой причине сразу после прекрашения тока проводяшие области име- 20 ют возиожность сомкнуться и разряд может перейти в режим незатухающих колебаний тока. Вероятность возникновения такого режима увеличивается во много раз, если отключение тока осуществляется в условиях коммутационного перенапряжения.

Кроме того, при увеличении уровня отключаемых токов, когда за счет сжатия собственными магнитными полями диаметр канала разряда становится меньше диаметра сужения, укаэанный способ отключения неосуществим, поскольку при этом канал тока двигается с большой скоростью в пределах сечения сужения и тем самым компенсирует уменьшение плотности газа, вызванное проходящим током. В результате надежное отключение тока укаэанным способом может быть достигнуто при ограниченных значениях тока и напряжения, а допус- 40 тимая скорость нарастания напряжения ограничена иэ-эа больших времен деиониэации плазмы, прилегающей к сужению канала тока.

Поглощение газа электродами при прохождении тока наблюдается у большинства известных газораэрядных устройств низкого давления и может сопровождатьройства изготавливают иэ материалов, обладающих незначительной сорбционной способностью по отношению к газу, которым заполняется устройство (6).

Известно также устройство, в котором использована катодная система, содержащая полый термокатод, образованный торцовым эмиттером и установленным над его поверхностью металлическим отражателем, и двумя коаксиальными металлическими цилиндрами,, окружающими термокатод (7).

Особенность такой катодной системы состоит в том, что прн прохождении тока, значительная его часть замыкается через холодные электроды, причем ток разряда переносится главным образом токами, обраэуюцнмися в результате ионизации нейтральных атомов быстрыми электронами, осциллирующими между стенками полого катода. Катодное падение в такой системе изменяется не более чем на 20% при уменьшении плотности газа более чем в 100 раз, причем прохождение тока сопровождается интенсивным поглошением газа отражателем и цилиндраьм, окружающими термокатод. Такое устройство может быть использовано для отключения тока путем уменьшения плотности газа до критической величины, однако уровень отключаемых токов ограничен иээа того, что при уменьшении плотности газа в таком устройстве доля тока, протекающего через отражатель, установленный над эмиттером увеличивается и может составлять величину свыше

80% полного разрядного тока. Резкое увеличение температуры отражателя и уменьшение доли тока, протекаюшеМ> через цилиндры, сопровождающее этот процесс, приводит к ограничению скорости поглощения газа электродами, затягивает или делает невозможным достижение в устройстве критической плотности газа.

Пель изобретения — обеспечение воэможности отключения токов большей величины и большего напряжения и повышение быстродействия при отключении тока.

Указанная цель достигается тем, что до пропускания тока устанавливают величину начального давления газа, которым заполняют прибор, соответствующее режиму неподвижного канала тока, причем уменьшение плотности газа в канале тока осушествляют по всему объему.

Для осуществления этого способа используют устройство, включаюшее в себя гаэораэрядный прибор, содержащий анод, катодную систему с полым термокатодом, промежуточные электроды, расположенные между анодом н термокатодом, генератор газа и датчик давления, причем катодная система образо вана торцовым эмиттером и нагревателем„ представляющими собой собствен736374 но термокатод с установленным над его поверхностью отражателем, внутренним и наружным коаксиальными цилиндрами, окружающими термокатод, а отражатель выполнен в виде конуса, вершина которого обращена к эмиттеру,причем угол наклона образующей конуса выбирается таким, чтобы нормаль, восстановленная нз любой точки конической поверхности отражателя пересекалась с поверхностью наружного цилиндра и не пересекалась с поверхностью внутреннего цилиндра и эмиттера.

Отражатель и цилиндры, окружающие термокатод, выполняют из металла, сорбционная способность которого, по отношению к газу, которым заполняется 15 газоразрядное устройство, по крайней мере в несколько раэ превьиаает количество газа, содержащегося в генераторе газа.

Увеличение равномерности распре- 20 деления плотности тока по сечению токового канала при уменыаении плотности газа, достигаемое выполнением указанной последовательности. операций, . обеспечивает такое развитие процесса, когда условия для распада плазмы наступают одновременно в любой точке канала тока. Поэтому процесс восстановления электрической прочности газоразрядного промежутка происходит одновременно с распадом плазмы и завершается к моменту обращения тока в нуль.

Увеличение равномерности рассеяния первичного потока электронов, испус.каемых эмиттером, и более равномерное накопление осциллирующих электронов по всему объему катодной системы, которое становится более выраженым при уменьшении плотности газа эа счет того, что увеличивается длина свободно-. 40 го пробега электрона, создает такие условия когда поверхность полого тер) мокатода загружена током равномерно, что создает возможность увеличить уровень отключаемых токов. Кроме того, 45 изготовление элементов конструкции, через которые замыкается основная доля разрядного тока, иэ материала с повьааенной сорбционной способностью, обеспечивает постоянство или даже уве-5О личение скорости поглощения газа этими электродами при уменьшении плотности газа,что в свою очередь, обеспечивает увеличение быстродействия отключающего устройства.

На фиг. 1 представлена кривая зависимости критической плотности тока от величины начального давления газа в разрядной камере; на фиг. 2 — зависимость отношения максимальной плотности тока к средней плотности тока у) для трех конфигураций разрядной камеры) на фиг. 3 — зависимость характеристического тока от давления и рода газа, заполняющего разрядную камеру и от конфигурации разрядного объема;., 5.на фнг. 4 — пример устройства для осуществления предлагаемого способа отключения постоянного тока в индук-тивном накопителе электрической энергии; на фиг. 5 — общий вид предлагаемого устройства с частичным вырезом его стенки для наглядности.

Представленная на фнг. 1 кривая зависимости критической плотности тока 5к от величины начального давления газа в разрядной камере Р для га . зоразрядных приборов с различной конфигурацией разрядной камеры, которая характеризуется отношением объема разрядной камеры Ч к суммарной поверхности промежуточных электродов S заполняющих камеру и имеющих контакт с плазмой газового разряда, рассчитана для случая, когда газоразрядный прибор заполняется водородом. Превышение плотности тока в любой точке канала тока, пропускаемого через газоразрядный прибор; над величиной 1 переводит разряд в режим, когда канал тока перемещается с большой скоростью по объему разрядной камеры. В реальных условиях За счет сжатия канала тока, проходящего через газоразрядный прибор, собственными магнитными полями, ток неравномерно заполняет объем разрядной камеры. На фиг. 2 приведена для 3-х конфигураций разрядной камеры

»

R5

1 кривая — - = =(2,0 2 кривая

Р

3„34 3 кривая — — — = 10,0) за. в висимость отношения максимальной плотности тока м, к средней плотности тоI . g j<„ в канале тока цилиндричес,. ср- кой формы с радиусом, от отношения разрядного тока пропускаемого через газораэрядный прибор, заполненный водородом, к величине тока ip, характеризующего масштаб сжатия канала тока собственными магнитными полями. Величина характеристического тока i зависит только от давления и рода газа, заполняющего разрядную камеру и от. конфигурации разрядного объема.

При отключении постоянного тока заданной величины ip начальное давле ние газа в разрядной камере необходимо установить таким, чтобы отношение максимального значения плотности тока в положительном столбе разрядами„, к величине начального давления лежало ниже кривой, представленной на фиг; l.

В этом случае канал тока, проходящего через газоразрядный прибор неподвижен. Если прохождение тока через прибор сопровождается уменыаением плотности газа в токовом канале, то в соответствии с зависимостью, представленной на фиг. 3 — это соответствует увеличению характеристического тока i+. В свою очередь это означает что с уменьшением плотности газа увеличивается равномерность заполнения разрядной камеры током. Если уменьшение плотности газа осуществить в при736 3 >4 боре с перемещаюшимся каналом тока, то в этом случае уменьшение плотности газа приводит толька к увеличению скорости перемещения канала тока при сохранении неоднородности распределения плОтности тока по сечению канала тока.

При Осушествлении способа отключения тока в устройстве, представленном на фиг. 4, используется газоразрядный при бОр 4 р кОтОрый подключается парал- р лельно нагрузке 5, включенHof, в цепь источника постоянного тока с напряженнем Б через накопительный реактор

6. С помошью генератора 7 водорода и датчика 8 давления ЛТ-4М вмонтированных в герметичный объем прибора, у"танавливается начальнОе давление вО дорода. При этом запускающий импульс

П осуществляет включение источника

9 питания, который обеспечивает. импульсный нагрев генератора водорода 29 током 1 „ сопровождающийся увеличением давления газа в приборе. Сигнал датчика давления регистрируется термопарным накуумметром ВТ-3 10 и поступает на блок 11 сравнения,. в качестве которого используются блоки стандартной схемы оегулировани"- ВРТ вЂ” 3. огда сигнал, поступаюШий на блок 11 сравнения От датчи <а 8 давления сравнивается с величиной Опорного напря>кения, соответствуюмега заданной ве30 личине давления в газоразрядном приборе, включается блок 12 се-.очногс управления, который вырабатывает запусКаЮЩИй ИМПУЛЬС Пв,„, ПОСТУПаЮШИй HB .управляюшую сетку газоразрядного при35 бора. При подаЧЕ ЗапуСКаююеГО ИмПульса на управляющую сетку газоразрядног o прибора От блока 12 сеточногс управления, ток в реакторе 6 возрастает и Одновременна с ростом тока уменьша- 40 ется давление в разрядной камере газоразрядного прибора 4. Уменьшение давления происходит в результате поглошеиия газа злектрадаии катоднс>й системы газоразряднсго прибора. С учетом реальной скорости поглоюения газа начальное давление водорода выбирается с таким рас- етом, чтобы к моменту времени, когда глотность газа в разрядной камере достигает критического значения и наступает Обрыв тока„ величи5О на тока в накопительном реакторе 6 достигает заданного значения ip, Отключение тока в шунтирующей цепи сопровождается синхронным ростом тока и напряжения в нагрузке 5. После отключения тока процесс можно повторять в указан:oA последовать-:..ьности.

Газоразрядное устройство имеет охлаждаемый жидким теплоносителем анод

13, систему высоковольтных делительных ВОТВВоК 14, увели чиваюших электрическун> прочность аиодно-сеточной камеры и герметично изолированных друг От друга керамическими изоляторами 15. Непосредственно под управля юшим электродом 16 располагается катодная система, в которую входит собственно термокатбд, состоящий из торцового боридлантанОвого эмиттера 17 и конического графитового подогревателя 18„ наружный цилиндрический электрод 19, внутренний цилиндрический электрод 20, и конический отражатель

21, установленный над поверхностью эмиттера на четырех проволочных держателях 22. Внешний и внутренний цилиндрические электроды, отражатель и проволочные держатели выполнялись иэ титана. Между держателем эмиттера и внутренним цилиндрическим электродом

20 размешены тепловые экраны термокатода. Основание конического Отражателя 21„ обращенное к аноду 13, защищено металлическим экраном 23, установленным на керамическом изоляторе

24. В днище металлического герметичного охлаждаемого корпуса 25 вмонтированы на герметичных металлических вводах 26 и 27 генератор 7 водорода, выполненный в виде цилиндра из тонкой титановой фольги с коаксиальным выводом и термопарный датчик 8 давления. Кроме того, через днише на металлических изоляторах 28 и 29. проходят токонесушие выводы катодной системы 30 и подогреватели 31 канала.

Таким же образом выполнен токонесущий вывод управляющего электрода 16 (на фиг. 5 не показан). Вакуумирование и обеэгаживание устройства, насыщение водородом генератора газа осуществляется через штенгель (на фиг. 5 не показан), который после завершения цикла технологической обработки пережимается. М

Газоразрядное устройство работает следующим образом.

Включается накал подогревателя термокатода и накал термопарного датчика давления. На управляющий электрод

16 подается отрицательное напряжение относительно вывода катодной системы

30 величиной 80-100 В. К аноду прикладывается постоянное положительное напряжение от источника отключаемого тока. Через генератор 8 водорода пропускается импульсный ток, после чего давление в приборе начинает быстро увеличиваться. Когда давление водорода в устройстве достигает заданной величины на управляющий электрод 16 поступает импульс напряжения положительной полярности с амплитудой 200300 B. Через устройство начинает протекать ток. Прохождение тока сопровождается быстрым уменьшением давления газа и отключением тока. При необходимости сократить или увеличить интервал времени от момента включения тока до его отключения запускающий импульс подают на управляюШий электрод при меньшем или большем значении начального давления соответственно. При отключении тока величиной

736374

700 А по описанному способу с использованием предлагаемого устройства в схеме индуктивного накопителя энергии с накопительным реактором L = 3,6 х х 10 Гн и нагрузкой 10 0 Ом зарегистрирована скорость нарастания напряжения на нагрузке 350 кВ/Мкс.

Использование предлагаемого способа отключения постоянного тока и устройство для его осуществления обеспечивает значительное повыпение допустимого уровня и скорости нарастания напряжен. я за счет того, что к моменту обращения тока в нуль разрываемый промежуток полностью теряет проводимость. Поскольку изменение плотности газа, приводящее к отключению тока, осуществляется за счет самого отключаемого тока уменьшаются затраты энергии на осуществление отключения.

Уровень токов, отключаемых пред- 20 лагаеьым способом и быстродействие может быть высоким, так как зависит только от габаритов и конфигурации используемого газоразрядного прибора и не зависит от величины и скорости 25 нарастания возвращающегося напряжения.

Формул а и э о брет ени я

1. Способ отключения постоянного тока путем пропускания его через газораэрядное устройство и уменьшения плотности газа в канале тока до критической величины, о т л и ч а ю— шийся тем, что, с целью обеспе чения возможности отключения токов большей величины и большего напряжения, повьзаения быстродействия, перЕд пропусканием тока устанавливают на-, чальное давление газа, соответствующее режиму неподвижного канала тока, 40 причем уменьшение плотности газа в канале тока осуществляют по всему объI

Яму, 2. Устройство для осуществления способа по п. 1, включающее .газоразрядный прибор, содержащий анод, катодную систему с полым термокатодом, промежуточные электроды, расположенные между анодом и термокатодом, генератор газа и датчик давления, причем катодная система образована торцовым эмиттером и нагревателем, представляющими собой собственно термокатод с установленным над его поверхностью отражателем, внутренним н наружным коаксиальными цилиндрами, окружающими термокатод, а отражатель выполнен в виде конуса, вершина которого обращена к эмиттеру, причем угол наклона образующей конуса выбран так, что нормаль, восстановленная из любой точки конической поверхности пересекает поверхность наружного цилиндра и не пересекает поверхность внутреннего цилиндра и эмиттера.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

1. Залесский A. М. Основы теории электрических аппаратов. М. Высшая школа, 1974, с. 123 °

2. Герен A. И. и др. Мощные металлокерамические таситрены. - "Радиотехника, т. 28, Р 3, 1973, с. 105.

3. Патент CIIIA Р 3678289, 307-149, 1972.

4. Козадаев А. М. Электрические управляете вентили для формирования мощных импульсов тока. М., Атомиз дат, 1975, с. 21.

5. Суетин Т. A. Стенотрон-ионная генераторная лампа. Электричество, У 5, 1946 (прототип) .

6. Патент США 9 3638061, 313 †1, 1972.

7. Авторское свидетельство СССР

9 528810, кл. Н 01 17/00. 1974.

736374

ГФО л

Я02 f04 О,Рб ЯО8 О,fD

ЦНИИПИ Эаиаэ 2285/11 . Тирах 995 Подписное

Филиал ППП Патент, г. Ухгород, ул. Проектная, 4