SU736374A1 - Способ отключени посто нного тока и устройство дл его осуществлени - Google Patents

Description

Изобретение относитс  к областн коммутационной техники, а конкретнее к технике отключени  тока высокого напр жени  и может быть применено в цеп х и системах посто нного тока, генераторах импульсных токов ,цл  осу ществлени  переключени  в индуктивных накопител х электрической энергии и т. д. Известен способ отключени  посто нного тока, заключающийс  в том, что на посто нный ток в момент отключени накладывают колебательный разр д, ра читанный так, чтобы через короткий промежуток времени суммарный ток в ц пи перешел через нуль (1. Однако при осуществлении этого способа отключени  значительно услож н етс  схема отключающего устройства и увеличиваютс  затраты энергии на отключение. Известны также способы отключени  посто нного тока, в соответствии с которыми отключаемый ток пропускают через газоразр дные приборы низкого давлени . В одном из таких способов на сетке провод щего тока газоразр д . ного прибора увеличивают отрицательный потенциал, что приводит к росту размеров приэлектродных слоев в мапых отверсти х сетки и разрыву тока, протекающего через прибор 2. Такой способ отключени  допускает высокий уровень и большие скорости нарастани  возвращающегос  напр жени , однако пригоден дл  токов ограниченной величины из-за больших потерь энергии на сетках прибора. В другом способе, отключаемый TOI пропускают через газоразр дный прибор , в котором разр д поддерживают внешним магнитньпи полем. Дл  отк.гаочени  тока выключают или уменьшают ниже критического значени  внешнее магнитное поле 3 и 4. При таком способе отключени  допустима  скорость нарастани  возвращающегос  напр жени  ограничена изза больших времен деионизации плазменного промежутка (от 100 до 1000 Мкс). По этой причине с ростом уровн  отключаемых токов и возвращающегос  напр жени  процесс отключе ,ни  в данном способе может быть нарушен из-за перехода распределительного разр да в электрическую дугу с катодным п тном. Известен также сг1Ьсоб отключени  посто нного тока. Ток пропускают через газоразр дный прибор низкого давлени  и понижают плотность газа в канале тока до критической величины, помеща  на пути разр да сужение. Понижение плотности газа в канале тока в области сужени  осуществл ют движущимис  через сужение с болыиими ско эост ми ионами и электронами, которые перенос т пропускаемой через прибор ток и вытесн ют нейтральные атома в области,прилегающие к сужению канала тока 5. Распад плазмы, привод щий к отключению тока в известном способе прс исходит только в области сужени  канала тока, в то врем  как прилегаюидае к сужению области каиеша тока сохран  ют некоторое врем  провод щее состо ние . По этой причине сразу после прекращени  тока провод щие области кмеют возможность сомкнутьс  и разр д может перейти в режим незатухающих колебаний тока. Веро тность возникновени  такого режима увеличиваетс  во много раз, если отключение тока осуществл етс  в услови х коммутационного перенапр жени . Кроме того, при увеличении уровн  отключаемых токов, когда за счет сжати  собственными магнитными пол ми диаметр канала разр да становитс  Меньше диаметра сужени , указанный способ отключени  неосуществим, поскольку при этом канал тока двигаетс  с большой скоростью в пределс1Х сечени  сужени  и тем сакым компенсируе уменьшение плотности газа, вызвгшное проход щим током. В результате на.цеж ное отключение тоКа указанным способо может быть достигнуто при ограниченны значени х тока и напр жени , а допус тима  скорость нарастани  напр жени  ограничена из-за больших времен деио низации плазмы, прилегающей к сужению канала тока. Поглощение газа электродами при прохождении тока наблюдаетс  у больш ства известных газоразр дных устройс низкого давлени  и может сопровождат с  отключением проход щего через уст ройство тока. Однако уровни токов и напр жений, которые могут быть отклю чены с помощью известных устройств, невысоки так же, как и быстродействие , поскольку в большинстве случаев уменьшение плотности газа в известных газоразр дных устройствах сопровождаетс  резким падением напр жени  интенсивным разрушением эмиттера тер мокатода, увеличением веро тности во никновени  каскадной дуги и т. д. По этой причине в известных устройствах стараютс  избегать режимов, св занны со значительным изменением плотности газа и, наоборот, стараютс  стабилизировать газовый режим с помощью генератора газа, причем электроды устойства изготавливают из матернгиюв, обладающих незначительной сорбциоиной способностью по отношению к газу, которым заполн етс  устройство (6. Известно также устройство, в котором использована катодна  система, содержаща  полый термокатод, образованный торцовым эмиттером и установеннь  над его поверхностью металлическим отражателем, и двум  коаксиальными металлическими цилиндрами,, окружающими термокатод 7. Особенность такой катодной систекы состоит в том, что при прохождении тока, значительна  его часть замыкаетс  через холодные электроды, причем ток разр да переноситс  главным образом токами, образующимис  в результате ионизации нейтральных атомов быстыми электронами, осциллирующими межhy стенками полого катода. Катодное падение в такой системе измен етс  не более чем на 20% при уменьшении плотности газа более чем в 100 ра, причем прохождение тока сопровождаетс  интенсивным поглощением газа отражателем и цилиндрами, окружающими термокатод. Такое устройство может быть использовано дл  отключени  тока путрм уменьшени  плотности газа до критической величины, однако уровень отключаемых токов ограничен изза того, что при уменьшении плотности газа в таком устройстве дол  тока, протекаиощего через отражатель, установленный над эмиттером увеличиваетс  и может составл ть величину свыше 80% полного разр дного тока. Резкое увеличение температуры отражател  и уменьшение доли тока, протекающез О через цилиндры, сопровождающее этот процесс, приводит к ограничению скорости поглощени  газа электродами, зат гивает или делает невозможным достижение в устройстве критической плотности газа. Цель изобретени  - обеспечение возможности отключени  токов большей величины и большего напр жени  и повышение быстродействи  при отключении тока. Указанна  цель достигаетс  тем, что до пропускани  тока устанавливают величину начального давлени  газа, которым заполн ют прибор, соответствующее режиму неподвижного канала тока , причем уменьшение плотности газа в канале тока осу1цествл ют по объему. Дл  осуществлени  этого способа используют устройство, включающее в себ  газоразр дный прибор, содержащий анод, катодную систему с полым термокатодом , промежуточные электроды, расположенные между анодом и термокатодом , генератор газа и датчик давлени , причем катодна  система образована торцовым эмиттером и нагревателем , представл ющим1Г собой собственНО 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 обраэук цей конуса выбираетс  таким, чтобы нормаль, восстановленна  из любой точки конической поверхности отражател  пересекалась с поверхностью наружного цилиндра и не пересекалась с поверхностью внутреннего цилиндра и эмиттера.

Отражатель и цилиндры, окружающие термокатод, выполн ют из металла, сорбционна  способность которого, по отнсжаению к газу, которым заполн етс  газоразр дное устройство, по крайней мере в несколько раз превьааает количество газа, содержащегос  в генераторе газа.

Увеличение равномерности распределени  плотности тока по сечению токового канала при уменьшении плотности газа, достигаемое выполнением указанной последовательности операций, обеспечивает такое развитие процесса, когда услови  дл  распада плазма наступают одновременно в любой точке канала тока. Поэтому процесс восстановлени  электрической прочности газоразр дного промежутка происходит одновременно с распадом плазмы и завершаетс  к моменту обращени  тока в нуль.

Увеличение равномерности рассе ни  первичного потока электронов, испус .каемых эмиттером, и более равномерное накопление осциллирующих электронов по всему объему катодной системы, которое становитс  более выраженым при уменьшении плотности газа за счет того , что увеличиваетс  длина свободно- го пробега электрона, создает такие услови  когда поверхность полого термокатода загружена током равнс 4ерно, что создает возможность увеличить уровень отключаемых токов. Кроме того, изготовление элементов конструкции, через которые замыкаетс  основна  дол  разр дного тока, из материала с повьаиенной сорбционной способностью, обеспечивает посто нство или даже увеличение скорости поглощени  газа этим электродами при уменьшении плотности газа,что в свою очередь,обеспечивает увеличение быстродействи  отключающего устройства.

На фиг. 1 представлена крива  зависимости критической плотности тока от величины начального давлени  газа в разр дной камере; на фиг. 2 - зависимость отношени  максимальной плотности тока к средней плотности тока дл  трех конфигураций разр дной камеры; на фиг. 3 - зависимость характеристического тока от давлени  и рода газа, заполн ющего разр дную камеру и от конфигурации разр дного объема;.

на фиг. 4 - пример устройства дл  осуществлени  предлагаемого способа отключени  посто нного тока в индуктивном накопителе электрической энергии; на фиг, 5 - обЩ1{й вид предлагаемого устройства с частичным вырезом его стенки дл  нагл дности.

Представленна  на фиг. 1 крива  зависимости критической плотности тока jj от величины начального давлени  газа в разр дной камере Р, дл  га

O зоразр дных приборов с различной конфигурацией разр дной камеры, котора  характеризуетс  отно1аением объема разр дной камеры V к суммарной поверхности промежуточных электродов S, запол5 н ющих камеру и имеющих контакт с плазмой газового разр да, рассчитана дл  случа , когда газоразр дный прибор заполн етс  водородом. Превышение плотности тока в любой точке канала

0 тока, пропускаемого через газоразр дный прибор, над величиной jV переводит разр д в режим, когда канал тока перемещаетс  с большой скоростью по Ьбъему разр дной камеры. В реальных услови х Sa счет сжати  канала тока,

5 проход щего через газоразр дный прибор , собственньами магнитными пол ми, ток неравномерно заполн ет объем разр дной камеры. На фиг. 2 приведена дл  3-х конфигураций, разр дной, кацеры

D

iU крива  2,0 2 крива  3.34 3 коива  - ТП-П ч 10 ,0) зависимость отношени  максимальной плотности тока JtA к средней плотности TGKa Jcp- i- в канале тока цилиндричес5 кой формы с радиусом, от отнс иени  разр дного тока пропускаемого через газоразр дный прибор, заполненный водородом , к величине тока ip, характеризующего масштаб сжати  канала тока

0 собственными магнитными пол ми. Величина характеристического тока i зависит только от давлени  и рода газа, заполн ющего разр дную камеру и от. конфигурации разр дного объема.

5

При отключении посто нного тока . заданной величины ip начальное давле ние газа в разр дной камере необходимо установить таким, чтобы отношение максимального значени  плотности то0 ка в положительном столбе разр даj к величине начального давлени  лежало ниже кpивoй представленной на фиг 1. В этом случае канал тока, проход щего через газоразр дный прибор непод5 вижен. Если прохождение- тока через прибор сопровождаетс  уменьшением плотности газа в токовом канале, то в соответствии с зависимостью, представленной на фиг. 3 - это соответствует увеличению характеристического

0 тока if(. В свою очередь это означает что с уменьшением плотности газа увеличиваетс  равномерность заполнени  разр дной камеры током. Если уменьше .ние плотности газа осуществить в при5 боре с перемещающимс  каналом тока, то в этом случае умены:зе 1ие плотности газа приводит только к увеличению ско рости перемещени  канала тока при сохранении кеодноро ности распределени  плотности тока по сечению канала тока, При осуществлении способа откл:юче ни  тока в устройстве, представленном на фиг. 4, используетс  газоразр дный прибор 4, который подключаетс  napiinлельно нагрузке 5, включенной в цепь источника посто нного тока с напр жением UQ через накопительный реактор 6. С помощью генератора 7 водорода и датчика 8 давлени  ЛТ-4М, вмонтирован ных в герметичный объем прибора, устанавливаетс  начальное давление водорода . При этом запускающий импульс и осуществл ет включение источника 9 питани , который обеспечивает импульсный нагрев генератора водорода током 1д, сопровождающийс  увеличением давлени  газа в приборе. Сигн;1л датчика давлени  ре истрируетс . термо парным вакуумметром 10 и поступает на блок 11 сравнени , в качестье которого используютс  блоки стандартной схемы регулировани  ВРГ-3. Согда сигнал, поступающий на блок 11 сравнени  от датчика 8 давлени  срав- нйваетс  с величиной опорного напр жени , соответствумщего заданной величине давлени  в газоразр дном приборе , включаетс  блок 12 сеточного уп равлени , который вырабатывает запускающий импульс Од, поступаю дий на .управл ющую сетку газоразр дного прибора . При подаче запускающего импульса на управл югцую сетку газоразр дного прибора от блока 12 сеточного управлени , ток в реакторе б возрастает и одновременно с ростом тока уменьшаетс  давление в разр дной камере газоразр дного прибора 4. Уменьшение давлени  происходит в результате поглощени  газа электродами катодной сис газоразр дного прибора. С уч.етом реальной скорости поглощени  rasta начальное давление водорода выбираетс  с таким расчетом, чтобы к моменту вре мени, когда плотность газа в разр дной камере достигает критического зна чени  и наступает обрыв тока ве личк™ на тока в накопительном реакторе б до стигает заданного значени  ip Отключение тока в шунтирующей цепи сопровождаетс  синхронным ростом тока и напр жени  в нагрузке 5, После отключени  тока процесс можно повтор ть в указанной последовательности. Газоразр дное устройство имеет ох лаждаемый жидким теплоносителем анод 13, систему высоковольтных делительных вставок 14, ув€шичиваюк1их электрическую прочность анодно-сеточной камеры и герметично изолированных друг от друга керамическигМ изол торами 15. Непосредственно под управл ющим электродом 16 располагаетс  катодна  система, в которую входит собственно термокатбд, состо ишй из торцового боридлантанбвого эмиттера 17 и конического графитового подогревател  18, наружный цилиндрический электрод 19, внутренний цилиндрический электрод 20, и конический отражатель 21, установленный над поверхностью эмиттера на четырех проволочных держател х 22. Внешний и внутренний цилиндрические электроды, отражатель и проволочные держатели выполн лись из титана. Между держателем эмиттера и внутренним цилиндрическим электродом 20 размещены тепловые экраны термокатода . Основание конического отражател  21, обращенное к аноду 13, защищено металлическим экраном 23, установленным на керамическом изол торе 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 коаксис1пьным выводом и термопарный датчик 8 давлени . Кроме того, через днище на металлических изол торах 28 и 29 проход т токонесущие выводы катодной системы 30 и подогреватели 31 канала. Таким же образом выполнен токонесущий вывод управл ющего электрода 16 {на фиг. 5 не показан). Вакуумирование и обезгаживание устройства, насыщение водородом генератора газа осуществл етс  через штенгель (на фиг. 5 не показан), который после завершени  цикла технологической обработки пережимаетс .,t Газоразр дное устройство работает следующим образом. Включаетс  накал подогревател  термокатода и накал термопарногодатчика давлени . На управл ющий электрод 16 подаетс  отрицательное напр жение относительно вывода катодной системы 30 величиной 80-100 В. К аноду прикладываетс  посто нное положительное напр жение от источника отключаемого тока. Через генератор 8 водорода пропускаетс  импульсный ток, после чего давление в приборе начинает быстро увеличиватьс . Когда давление водорода в устройстве достигает заданной величины на управл ющий электрод 16 поступает импульс напр жени  положительной пол рности с амплитудой 200- 300 В. Через устройство начинает протекать ток. Прохождение тока сопровождаетс  быстрым уменьшением давлени  газа и отключением тока. При необходимости сократить или увеличить интервал времени от момента включени  тока до его отключени  запускающий импульс подс1ют на управл ющий электрод при меньшем или б.ольшем значении начального давлени  соответственно . При отключении тока величиной.

700 А по описанному способу с использованием предлагаемого устройства в схеме индуктивного накопител  энерги с накопительным реактором L 3,6 х X 10 Гн и нагрузкой Ом зарегистрирована скорость нарастани  напр жени  на нагрузке 350 кВ/Мкс.

Использование предлагаемого способа отключени  посто нного тока и устройство дл  его осуществлени  обепечивает значительное повышение допустимого уровн  и скорости нарастани  напр жен.ш за счет того, что к моменту обращени  тока в нуль разрываемый промежуток полностью тер ет проводимость. Поскольку изменение плотности газа, привод щее к отключению тока, осуществл етс  за счет самого отключаемого тока уменьшаютс  затраты энергии на осуществление отключени  .

Уровень токов, отключаемых предлагаемом способом и быстродействие может быть высоким, так как зависит только от габаритов и конфигурации используемого газоразр дного прибора и не зависит от величины и скорости нарастани  возвращающегос  напр жени

Claims (7)

1. Способ отключени  посто нного тока путем пропускани  его через газоразр дное устройство и уменьшени  плотности газа в канале тока до критической величины, отличающийс  тем, что, с целью обеспечени  возможности отключени  токов большей величины и большего напр  се .ни , повьаиени  быстродействи , перед пропусканием тока устанавливают на-. Чсшьное давление газа, соответствующее режиму неподвижного канала тока, причем уменьшение плотности газа в

канале тока осуществл ют по всему объёму .

2. Устройство дл  осуществлени  способа по п. 1, включающее газоразр дный прибор, содержащий анод, катодную систему с полым термокатодом, промежуточные электроды, расположенные между анодом и термокатодом, генератор газа и датчик давлени , причем катодна  система образована торцовым эмиттером и нагревателем, представл ющими собой собственно термокатод с установленным над его поверхностью отражателем, внутренним и наружньлм коаксигшьными цилиндрами, окружающими термокатод, а отражатель выполнен в виде конуса,

5 вершина которого обращена к эмиттеру, причем угол наклона образующей конуса выбран так, что нормаль, восстановленна  из любой точки конической поверхности пересекает поверхность наружно0 го цилиндра и не пересекает поверхность внутреннего цилиндра и эмиттера.

Источники информации, прин тые во внимание при экспертизе

1.Залесский А. М. Основы теории электрических аппаратов. М. Высша 

5 школа , 1974, с. 123.

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

3.Патент США № 3678289, 307-149,

D 1972.

4.Коэадаев А. М. Электрические управл елаае вентили дл  формировани  мощных импульсов тока. М., АтомизЦ дат, 1975, с. 21.

5

5.Суетин Т. А. СтенотрОн-ионна 

Электричестгенераторна  лампа.

5, 1946 (прототип).

во,

6.Патент США 3638061, 313-161, 1972.

40

7.Авторское свидетельство СССР 528810, кл. Н 01 17/00, 1974.

дог (11 доб дов , мм,рт.ст. см

д«

Фиг.{