Теоретический обзор управляемых вакуумных разрядников
2.1. Управляемые вакуумные разрядники
РВУ – управляемый вакуумный разрядник - это отпаянный герметизированный прибор, который состоит из керамического цилиндра и двух металлических фланцев на которых установлена электродная система.
Разрядник предназначен для подключения мощных импульсных высоковольтных источников энергии к нагрузке и может использоваться в качестве быстродействующего сильноточного короткозамыкателя.
Рис. 2.1. РВУ-43 (Управляемый вакуумный разрядник) производимый в ООО "ВЭИ-АВИС"
РВУ представляет собой безнакальный трехэлектродный герметизированный прибор с давлением остаточных газов, не превышающим 10-4 Па. Включение РВУ осуществляется подачей пускового импульса напряжения на управляющий электрод. Управляющий импульс напряжения вызывает пробой по поверхности диэлектрической вставки узла поджига и генерацию инициирующего искрового разряда. Плазма искрового разряда быстро заполняет основной вакуумный промежуток между стержнями, разряд переходит из искровой стадии в дуговую и разрядник включается.
Металлическая плазма вакуумной дуги способна пропускать большие токи между основными электродами без их существенного разрушения. Вакуумный дуговой разряд сам себя поддерживает и погасает, когда ток в основной цепи спадает до нуля. Вследствие быстрой деионизации плазмы и конденсации металлического пара на электродах, вакуумный промежуток характеризуется высокой скоростью восстановления электрической прочности.
Вакуумные коммутирующие устройства сравнимы по электрической прочности c газовыми разрядниками высокого давления. Однако они обладают более высокой скоростью восстановления электрической прочности и имеют значительно меньший межэлектродный зазор, что позволяет существенно уменьшить габариты устройства.
Мощные РВУ серийного производства уже в настоящее время широко используются в различных высоковольтных источниках питания благодаря следующим своим свойствам:
• по сравнению и тиратронами они не требуют накала и постоянно готовы к работе;
• по сравнению с игнитронами не требуют термостабилизации, не боятся вибрации, работают при любой ориентации в пространстве и экологически безопасны;
• по сравнению с газоразрядными коммутаторами могут работать в широком диапазоне рабочих напряжений без изменения времени запаздывания включения;
• по сравнению с полупроводниковыми коммутаторами обладают значительно большей мощностью на один элемент, в несколько раз дешевле, обладают большой устойчивостью в аварийных режимах работы.
РВУ способны выполнять операции включения в широком диапазоне рабочих напряжений с очень высоким быстродействием (время включения ед. микросекунд) и с высокой точностью (погрешность до 1 мкс) в заданной фазе питающего напряжения и при любой последовательности чередования фаз.
В качестве примера основных характеристик коммутаторов приведены показатели РВУ-43-1
Рабочее напряжение, кВ |
0,5-35 |
Рабочие токи, кА |
5-300 |
Время восстановления электрической прочности, мкс |
100 |
Максимальное количество электричества в импульсе, Кл |
140 |
Ресурс (число включений) |
5•105 |
Ток поджига, не менее, А |
500 |
Длительность тока поджига, не менее мкс |
5.0 |
Напряжение поджига, кВ |
5 |
Диапазон температур, °С |
-40 до +100 |
Габаритные размеры: |
|
- диаметр, мм |
145 |
- высота, мм |
197 |
Масса, кг |
6.2 |
Табл 2.1. Основные характеристики РВУ-43
Объектами испытаний являются РВУ-53 и РВУ-43-1. Первый коммутатор отличается повышенной электрической прочности со стержневой системой электродов, разработанные на основе модификации РВУ-43-1. Схемы стержневых электродных систем представлены на рис. 2.2. и 2.3. Поперечное сечение РВУ-53 стержней имеет форму, близкую к трапецеидальной, а РВУ-43 схожа с прямоугольной. Межстержневой зазор для обоих устройств порядка 18 мм. Внешний диаметр электродной системы также равны и составляют 86 мм. Диаметр экранной системы 59 и 92,5 мм, т.е. диаметр у РВУ-53 в полтора раза больше. Площадь рабочей поверхности катодных стержней ~ 78 см2. Рабочей поверхностью является та часть плоской поверхности катодных стержней, которая находится напротив анодных стержней.
Рис 2.2. РВУ-43
Рис 2.3. РВУ-53
Рис. 2.4. Основные элементы РВУ
Ток поджига должен иметь форму затухающей синусоиды с амплитудой первой полуволны не менее 1 кА. Максимальный ресурс РВУ обеспечивается при правильном выборе длительности тока поджига в зависимости от формы импульса основного тока. Для коммутации токов промышленной частоты амплитуда тока поджига может быть меньше, а длительность импульса поджига должна быть не менее 100 мкс.
Электрическая прочность внутренней изоляции разрядников удовлетворительно аппроксимируется вейбулловским законом распределения пробивных напряжений с коэффициентом вариации ~ 0,1 характерным для вакуумных промежутков. Рабочее напряжение разрядников (см. таблицу 2.1.) определялось для вероятности пробоя ~ 0,01, что соответствует выдерживаемому напряжению промышленной частоты. Видно, что РВУ по испытательным напряжениям соответствуют классу напряжений 10 кВ.