Конструкция газовых разрядников высокого давления

Газовые разрядники должны удовлетворять следующим требованиям:

1 – выдерживать высокое напряжение в течение заданного времени, а затем срабатывать с малым разбросом момента срабатывания (относительно времени удержания высокого напряжения);

2 – иметь малое время коммутации (относительно времени нарастания импульса напряжения);

3 – иметь высокое сопротивление до и малое сопротивление после срабатывания (по сравнению с эквивалентной нагрузкой соответствующего разрядного контура импульсного генератора);

4 – иметь малую индуктивность в замкнутом состоянии (чтобы затягивание фронта импульса на индуктивности разрядника было мало по сравнению с длительностью этого фронта).

Разрядники являются одним из основных элементов мощной импульсной техники, без хороших разрядников невозможно создать высокоэффективный импульсный генератор. Поэтому, с одной стороны, необходимо тщательно разрабатывать разрядники, а с другой – стремиться к уменьшению числа и типов разных разрядников в схеме генератора.

Трехэлектродные разрядники

В трехэлектродных разрядниках имеется дополнительный электрод, который называется пусковым и который служит для запуска разрядника при подаче на него пускового импульса от внешней пусковой схемы. Таким образом, трехэлектродные разрядники являются управляемыми. Некоторые типы трехэлектродных разрядников показаны на рис. 2.

Рис. 7. Схематичное расположение электродов для различных типов управляемых коммутаторов: а – трехэлектродный разрядник, б – разрядник с искажением поля, в – тригатрон. Электроды 1, 2 – основные, электрод 3 – пусковой.

Простейшим трехэлектродным разрядником является разрядник, показанный на рис. 7(а). В таком разряднике пусковой электрод 3 расположен между основными электродами, 1 и 2. В исходном состоянии на один из основных электродов подано рабочее напряжение U₀, другой основной электрод заземлен через нагрузку, на пусковой электрод 3 в исходном состоянии подано некоторое напряжение смещения 0 < U_CM < U0. Длина зазоров между этими электродами выбирается с таким расчетом, чтобы в исходном состоянии они не пробивались. Обычно в исходном состоянии приложенное к этим зазорам напряжение не превышает ~ 70% от их напряжения самопробоя.

Общие требования к управляемым разрядникам

Разрядник на рис. 7(а) срабатывает при подаче на его электрод 3 пускового напряжения U_ПУСК, которое приводит к пробою зазоров 3-1 и 3-2. Простой и часто удобной схемой запуска является такая (см. рис. 8), в которой жила пускового кабеля (имеющего волновое сопротивление r) со стороны разрядника подключена к его пусковому электроду через пусковое сопротивление R_П>>r, а с другой стороны в исходном состоянии изолирована от земли каким-то дополнительным коммутатором S. В исходном состоянии этот кабель заряжен до напряжения «U_CM», напряжение на пусковом электроде тоже равно «U_CM», так что разность потенциалов на зазоре 3-1 равна «U_CM», а на зазоре 3-2 – «U₀-U_CM», при этом разрядник не пробивается.

Пусковая схема срабатывает при замыкании коммутатора S, при этом по пусковому кабелю со стороны разрядника S в сторону разрядника начинает поступать волна напряжения с амплитудой «-U_CM/2». Через время t, равное длине пускового кабеля, эта волна поступает на сопротивление R_П>>r, и поэтому отражается с коэффициентом отражения +1, так что к сопротивлению R_П прикладывается напряжение «-U_CM». Пусковой электрод 3 всегда имеет некоторую емкость на землю С, которая в исходном состоянии была заряжена до напряжения «U_CM». Напряжение «-U_CM», появляющееся на последовательно включенных сопротивлении R_П и емкости С, начинает перезаряжать емкость С от «U_CM» до «-U_CM», при этом напряжение на зазоре 3-1 меняет знак, но не меняется по амплитуде, а напряжение на зазоре 3-2 изменяется от «U₀-U_CM» до «U₀+U_CM». Это изменение происходит за характерное время t_С = (r+R_П)C, напряжение на зазоре 3-2 возрастает на величину 2U_CM, и он должен пробиться.

После пробоя зазора 3-2 потенциал электрода 3 становится равным потенциалу электрода 2, напряжение на зазоре 3-1 возрастает от исходного «U₀-U_CM» до «U₀», и он тоже должен пробиться.

Рис. 8. Пусковая схема с заземлением пускового кабеля.

Чтобы зазор 3-2 пробился при увеличении разности потенциалов на нем от «U₀-U_CM» до «U₀+U_CM», необходимо, чтобы величина «U₀+U_CM» была больше напряжения самопробоя U_C(3-2) этого зазора, т.е.

.

Кроме этого, пусковая схема на рис. 8 должна удовлетворять следующим требованиям:

(а)– для пробоя зазора 3-2 необходимо, чтобы длительность пускового импульса с амплитудой «-U_CM/2», t_П, была больше времени переполяривания емкости С, t_С, плюс время задержки пробоя этого зазора t_З, которое определяется интегральным критерием. Поскольку длительность t_П равна двойному времени пробега волны по пусковому кабелю, t_П=2t, то необходимым требованием к минимальной длине пускового кабеля является

. (11)

(б)– хороший разрядник должен запускаться с минимальным разбросом момента срабатывания. Разброс момента срабатывания зазора 3-2 определяется скоростью нарастания перенапряжения на этом зазоре, т.е. временем t_С=(r+R_П)C, которое нужно стремиться уменьшать, в частности, за счет уменьшения емкости С. Это требование снижения емкости пускового электрода разрядника на землю следует учитывать при проектировании разрядника.

(в)–после пробоя зазора 3-2 напряжение U₀ прикладывается не только к зазору 3-1, но и к пусковому кабелю через последовательно включенный резистор R_П. При этом резистор R_П и волновое сопротивление кабеля r образуют резистивный делитель, так что к кабелю прикладывается напряжение Ur ~ U₀r/(R_П+r). Это напряжение не должно превышать пробивное напряжение кабеля U_К (обычно U_К £ 100 кВ), т.е. должно быть выполнено условие Ur < U_К, накладывающее требование на минимальную величину пускового резистора RП:

,

или при U₀ >> U_К. (12)

Для запуска разрядников могут использоваться другие пусковые схемы, отличные от схемы на рис. 8, однако требования типа (а)-(в) должны выполняться при любой схеме запуска.

Отметим, что в любом управляемом разряднике при любой схеме запуска последний зазор всегда пробивается напряжением U0, приложенным ко всему разряднику в исходном состоянии.

Отметим также, что оптимальная конструкция разрядника взаимосвязана со схемы его запуска. Можно показать, что схема запуска, показанная на рис. 8, приводит к такой оптимальной конструкции разрядника, в которой ширина зазора 3-2 превышает ширину зазора 3-1 в раз.

Реальная конструкция трехэлектродного разрядника и ГИНа Аркадьева – Маркса.

(а) (б) (в)

Рис. 9. Задняя пробка разрядника (а), капролоновый изолятор (б), гайка (в)

Рис. 10. Корпус разрядника

(а) (б)

Рис. 11. Поджигающий электрод (а), штанга (б)

Рис. 12. Фотография тригатрона

Рис. 12. Конструкция ГИНа Аркадьева - Маркса