Развитие представлений о механизмах срабатывания тригатронов и их рациональной конструкции (обзор)
В статье по результатам анализа литературных источников показано развитие представлений о механизмах пробоя тригатронов, особое внимание уделено времени t₃ запаздывания пробоя тригатронов и его разбросу Δt₃. У статті за результатами аналізу літературних джерел показано розвиток уявлень щодо механізм...
Збережено в:
| Опубліковано в: : | Електротехніка і електромеханіка |
|---|---|
| Дата: | 2009 |
| Автори: | , , , |
| Формат: | Стаття |
| Мова: | Російська |
| Опубліковано: |
Інститут технічних проблем магнетизму НАН України
2009
|
| Теми: | |
| Онлайн доступ: | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/143241 |
| Теги: |
Додати тег
Немає тегів, Будьте першим, хто поставить тег для цього запису!
|
| Назва журналу: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Цитувати: | Развитие представлений о механизмах срабатывания тригатронов и их рациональной конструкции (обзор) / Н.И. Бойко, Л.С. Евдошенко, А.И. Зароченцев, В.М. Иванов // Електротехніка і електромеханіка. — 2009. — № 5. — С. 49-55. — Бібліогр.: 21 назв. — рос. |
Репозитарії
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| _version_ | 1859642745300189184 |
|---|---|
| author | Бойко, Н.И. Евдошенко, Л.С. Зароченцев, А.И. Иванов, В.М. |
| author_facet | Бойко, Н.И. Евдошенко, Л.С. Зароченцев, А.И. Иванов, В.М. |
| citation_txt | Развитие представлений о механизмах срабатывания тригатронов и их рациональной конструкции (обзор) / Н.И. Бойко, Л.С. Евдошенко, А.И. Зароченцев, В.М. Иванов // Електротехніка і електромеханіка. — 2009. — № 5. — С. 49-55. — Бібліогр.: 21 назв. — рос. |
| collection | DSpace DC |
| container_title | Електротехніка і електромеханіка |
| description | В статье по результатам анализа литературных источников показано развитие представлений о механизмах пробоя тригатронов, особое внимание уделено времени t₃ запаздывания пробоя тригатронов и его разбросу Δt₃.
У статті за результатами аналізу літературних джерел показано розвиток уявлень щодо механізмів пробою тригатронів, особливу увагу приділено часу запізнення t₃ пробою тригатрону та його розкиду Δt₃.
In the paper, on the basis of results of literature analysis, development of conceptions about trigatron breakdown mechanisms is shown. Special attention is devoted to trigatron breadown delay time t₃ and its spread Δt₃.
|
| first_indexed | 2025-12-07T13:23:55Z |
| format | Article |
| fulltext |
ISSN 2074-272X. Електротехніка і Електромеханіка. 2009. №5 49
УДК 621.316.933.1
Н.И. Бойко, Л.С. Евдошенко, А.И. Зароченцев, В.М. Иванов
РАЗВИТИЕ ПРЕДСТАВЛЕНИЙ О МЕХАНИЗМАХ СРАБАТЫВАНИЯ
ТРИГАТРОНОВ И ИХ РАЦИОНАЛЬНОЙ КОНСТРУКЦИИ
(ОБЗОР)
У статті за результатами аналізу літературних джерел показано розвиток уявлень щодо механізмів пробою трига-
тронів, особливу увагу приділено часу запізнення t
з
пробою тригатрону та його розкиду ∆t
з
.
В статье по результатам анализа литературных источников показано развитие представлений о механизмах про-
боя тригатронов, особое внимание уделено времени t
з
запаздывания пробоя тригатронов и его разбросу ∆t
з.
ПОСТАНОВКА ПРОБЛЕМЫ
Тригатронные искровые разрядники в ряду вы-
соковольтных коммутаторов занимают особое место
благодаря присущим им достоинствам:
1. Широкий диапазон рабочих напряжений (от
нескольких киловольт до нескольких мегавольт) и
коммутируемых токов (от десятков ампер до единиц
мегаампер).
2. Диапазон устойчивого управления – от 0,3 до
1,0 напряжения самопробоя Uсп.
3. Возможность получения субнаносекундного
разброса времени ∆tз срабатывания вплоть до напря-
жений порядка нескольких мегавольт, что позволяет
использовать тригатроны при параллельной работе.
4. Технологичная, простая и удобная конструк-
ция – управляющий электрод (УЭ) расположен в от-
верстии, выполненном в одном из основных электро-
дов (ОЭ).
Из-за простоты устройства и перечисленных ха-
рактеристик надежной работы тригатроны нашли ши-
рокое применение не только в экспериментальной
технике, но и в технологических электроустановках,
область использования которых все больше расширя-
ется. Знание механизма инициирования пробоя трига-
тронов поможет разработчикам оптимальным образом
выбрать конструкцию и получить требуемые характе-
ристики тригатрона. Это, в свою очередь, позволит
создать перспективные генераторы высоковольтных
импульсов, необходимые для модернизации сущест-
вующих электротехнологий и для разработки новых.
На рис. 1 приведено схематическое изображение
тригатрона, где: 1, 2 – ОЭ; 3 – УЭ; 4 – изолирующая
втулка (необязательный элемент тригатрона). Трига-
трон в управляемом режиме срабатывает в том слу-
чае, если приложенный к стержневому электроду 3
управляющий высоковольтный импульс напряжения
Uупр вызывает пробой поджигающего промежутка d и
инициирует пробой основного промежутка D, к кото-
рому предварительно приложено напряжение U0,
меньшее, чем напряжение самопробоя тригатрона Uсп.
Устройство тригатрона впервые было предложено
Л.И. Ивановым и И.С. Стекольниковым [1]. Деталь-
ное изучение процессов, происходящих в тригатроне,
показывает, что подсветка от поджигающего проме-
жутка во многих случаях имеет лишь вспомогатель-
ное значение, разряд же инициируется в основном
другими факторами.
3
2 1
d
D 4
Рис. 1
ЦЕЛЬ СТАТЬИ
На основе анализа существующих конструкций
тригатронов, процессов, происходящих в них, и их
характеристик обосновать выбор оптимальной конст-
рукции и выработать требования к тригатронам, па-
раллельная работа которых может обеспечить комму-
тацию мощностей порядка 1 ТВт и более.
АНАЛИЗ ПУБЛИКАЦИЙ
Характеристики тригатронов зависят от:
- величины и полярности напряжения между ОЭ
– главного искрового промежутка (ГИП);
- амплитуды, полярности и формы управляюще-
го импульса напряжения;
- конструкции: формы и геометрических разме-
ров ОЭ и УЭ, длины поджигающего и основного раз-
рядных промежутков;
- расположения УЭ в низковольтном или высо-
ковольтном ОЭ;
- параметров разрядного контура.
Сначала рассмотрим работу тригатрона в возду-
хе при атмосферном давлении. Существуют три точки
зрения на механизм инициирования разряда в трига-
тронах. В публикациях о первой из них, например, [2]
в 1962 г. автор склоняется к мнению, что возбуждение
разряда в ГИП происходит в результате фотоиониза-
ции в объеме, вызванной коротковолновым излучени-
ем от искры поджигающего разряда. Считается, что
возникшие фотоэлектроны вызывают образование
электронных лавин, преобразующихся в дальнейшем
в пробивные стримеры.
В публикациях [3] 1957 г. и [4] 1962 г. рассмат-
ривается второй механизм инициирования разряда в
50 ISSN 2074-272X. Електротехніка і Електромеханіка. 2009. №5
тригатроне. В соответствии с ним разряд возбуждает-
ся вследствие роста ударной ионизации в области по-
ниженной плотности, возникающей при протекании
тока поджига. Более мощному поджигу соответству-
ют больший диапазон рабочих напряжений тригатро-
на и меньшие времена запаздывания tз срабатывания.
Однако указанные представления не в состоянии
удовлетворительно объяснить некоторые характери-
стики тригатрона. В первом механизме неясно за счет
чего развиваются эффективные с точки зрения фор-
мирования разряда электронные лавины, когда на-
пряженность электрического поля в ГИП ниже стати-
ческой пробивной. Пришлось бы допустить, что под-
жигающий разряд обеспечил путем фотоионизации
концентрацию положительных ионов, соизмеримую с
критической, которая необходима для формирования
стримера, что маловероятно. Процесс возникновения
области малой плотности газа, будучи по своей при-
роде сравнительно инерционным, не может объяснить
происхождение малых tз в тригатроне – доли микро-
секунды. Кроме того, оба механизма не в состоянии
объяснить и такое известное и важное свойство трига-
трона, как влияние полярности основного напряжения
и управляющего импульса на время tз срабатывания.
Одной из предпосылок для гипотезы относи-
тельно третьего механизма инициирования послужил
экспериментально установленный в исследовании [5]
факт возможного инициирования разряда в тригатро-
не до момента пробоя поджигающего промежутка.
Шкуропат П.И. [5] первым дал объяснение
третьего механизма инициирования пробоя тригатро-
на в 1960 г. Вкратце его можно изложить так
[6, С. 196]. Если к ГИП тригатрона приложено напря-
жение U0 ниже статического разрядного Uсп, то на-
пряженность электрического поля у ОЭ и УЭ ниже
критической Ек (60÷70 кВ/см). В этих условиях в ГИП
не могут развиваться самоподдерживающиеся иони-
зационные процессы. В момент приложения к УЭ
высоковольтного управляющего импульса Uупр в не-
посредственной близости от этого электрода проис-
ходит резкое изменение электрического поля.
Величина и характер этого изменения определя-
ются величиной и полярностью управляющего им-
пульса относительно основного напряжения, а также
геометрией поджигающего промежутка. Если изме-
нение электрического поля приводит к усилению его
напряженности свыше Ек, хотя бы в небольшой части
разрядного промежутка, то могут возникнуть иониза-
ционные процессы, приводящие к пробою ГИП.
Кроме резкого усиления напряженности элек-
трического поля у кончика УЭ одновременно возрас-
тает разность потенциалов между УЭ и ОЭ. Из-за воз-
растания напряженности поля возле УЭ возникает
самоподдерживающийся ионизационный процесс,
обеспечивающий развитие разряда к противостояще-
му ОЭ. В момент замыкания указанных электродов
предразрядным каналом, поскольку УЭ отделен от
генератора управляющих импульсов конечным импе-
дансом, УЭ (если он встроен в низковольтный ОЭ)
приобретает высокий потенциал. Поэтому одновре-
менно с пробоем промежутка 2 – 3 (см. рис. 1) проис-
ходит пробой поджигающего промежутка d (1 – 3), и
ток контура замыкается между ОЭ.
Автором [5] экспериментально было показано,
что ток в ГИП возникает одновременно с пробоем
поджигающего промежутка. Это означает, что ини-
циирование разряда в ГИП не вызвано пробоем под-
жигающего промежутка.
В случае опережающего пробоя [7, С. 35] про-
межутка между УЭ и противоположным ОЭ началь-
ная стадия разряда формируется в системе "стержень
(УЭ) – плоскость (ОЭ)". В такой системе наименьшее
пробивное напряжение и соответственно наименьшее
время tз соответствует положительной полярности
стержня. Именно при положительной полярности
стержневого УЭ и отрицательной полярности проти-
воположного ОЭ получено наименьшее, согласно [7],
время tз тригатрона, что говорит в пользу "потенциль-
ного", а не "искрового" механизма инициирования
пробоя тригатрона.
В [8, 9] установлено, что время tз оказывается
минимальным в том случае, когда пробой обоих про-
межутков происходит практически одновременно,
лишь с небольшим опережением пробоя в ГИП.
ВРЕМЕННЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ТРИГАТРОНА
Разброс времени ∆tз запаздывания срабатывания
является важной характеристикой тригатрона. Мини-
мальная величина ∆tз позволяет использовать трига-
троны для параллельного включения нескольких на-
копителей с целью достижения на нагрузке больших
амплитуд токов – порядка десятков мегаампер.
Проанализируем обстоятельства и факторы,
влияющие на достижение минимального ∆tз в трига-
троне. Очевидно, минимальное ∆tз достигается при
минимальном tз, а минимальный разброс времени
коммутации ∆tк – при минимальном tк. Время сраба-
тывания tс тригатрона как и любого другого управ-
ляемого разрядника, складывается из времени tз за-
паздывания и времени коммутации tк: tс = tз + tк.
Как известно [6, С. 177], время tз запаздывания
срабатывания состоит из статистического времени tст
запаздывания и времени развития и формирования tрф
предразрядного канала.
Время tст (интервал времени от момента дости-
жения статического разрядного напряжения до появ-
ления начального электрона, способного вызвать са-
моподдерживающийся разряд) определяется величи-
ной напряженности электрического поля, геометрией
разрядного промежутка и степенью предварительной
ионизации или облучения промежутка.
Для минимизации tст следует в ГИП выбирать
напряженность электрического поля Е, близкую к
пробивной, что увеличивает вероятность появления
эффективных электронов. Однако при наличии силь-
ного постоянного электрического поля между ОЭ [6,
С. 207] концентрация отрицательных ионов (способ-
ных быть источником электронов вследствие их от-
рыва) в ГИП оказывается недостаточной, и процесс
начинается при Е, существенно превосходящей Ек.
Поэтому обычно в воздушных разрядниках (исполь-
зование воздушной изоляции удешевляет электротех-
нологические установки) в ГИП выбирают градиент
~20 кВ/см, чтобы уменьшить вероятность самопроиз-
ISSN 2074-272X. Електротехніка і Електромеханіка. 2009. №5 51
вольного срабатывания, что крайне важно при парал-
лельной работе многих разрядников. При самопроиз-
вольном срабатывании одного из разрядников в этом
случае вся энергия, запасенная в накопителях, комму-
тируется через него в нагрузку. Это снижает ампли-
туду тока в нагрузке, увеличивает индуктивность раз-
рядного контура и может привести к выходу из строя
самого разрядника.
Появлению свободных электронов [6, С. 207] в
ГИП и уменьшению tст способствует его подсветка
коротковолновым излучением, способным вызвать
фотоионизацию в объеме (длина волны излучения для
воздуха 79 ÷ 145 нм) и фотоэлектронную эмиссию с
поверхности катода (260 ÷ 300 нм). Причем, чем ин-
тенсивнее облучение, тем меньше tст.
Источником свободных электронов в тригатронах,
по-видимому, может служить импульсная корона.
Управляющий высоковольтный импульс создает на
кромке УЭ высоконапряженное резко неоднородное
электрическое поле. Когда амплитуда управляющего
импульса достигает потенциала зажигания, на кромке
УЭ возникает импульсная корона. Чем меньше радиус
скругления кромки УЭ, тем меньше напряжение зажи-
гания короны. Следовательно, чем быстрее нарастает
импульс управляющего напряжения и чем острее
кромка УЭ, тем меньшее время понадобится для рож-
дения первого эффективного электрона в зоне макси-
мальной напряженности поля с кромки УЭ.
В [6, С. 204] описываются начальные явления
процесса срабатывания тригатрона. В работе была
проведена регистрация предразрядных токов и на-
чальных стадий свечения в разрядном промежутке
тригатрона с помощью фотоэлектронных умножите-
лей. Было установлено, что ионизационный процесс у
кончика УЭ начинается раньше, чем достигнуто мак-
симальное значение напряжения управляющего им-
пульса. Этот процесс характеризуется быстрым на-
растанием предразрядного тока, достигающим десят-
ков ампер, и появлением свечения, которое распро-
страняется от кончика стержня к противоположному
ОЭ. Скорость распространения свечения изменялась
от 1 мм/нс до 10 мм/нс в зависимости от величины
напряжения ГИП – при изменении его от минималь-
ного напряжения срабатывания Uмин до статического
разрядного напряжения Uпр. Полученная при этом
фотография показывает, что развитие разряда в ГИП
начинается до пробоя поджигающего промежутка.
При этом ГИП заполняется светящимися нитями, на-
правленными по силовым линиям электрического
поля. Хотя большинство нитей достигает противопо-
ложного электрода, они еще не обладают достаточной
проводимостью, чтобы замкнуть промежуток. По
своим свойствам они аналогичны стримерам, рож-
дающимся перед головкой лидера в длинных искро-
вых промежутках, получившим название импульсной
короны. Поскольку эффективными для образования
лавины могут быть фотоэлектроны, возникновение
которых возможно в любой точке ГИП, то и стримеры
могут развиваться в любой точке разрядного проме-
жутка. При этом направление развития стримеров
может быть как в сторону одного, так и в сторону
другого ОЭ. Несколько стримеров могут возникнуть
одновременно в разных точках промежутка. Вследст-
вие "ветвистой" природы стримеров (их направления
могут отклоняться на 30 °÷40 ° от направления сило-
вых линий поля) они перекрывают друг друга, обра-
зуя разрядный канал между ОЭ – лидер. При напря-
жениях, близких к Uпр, происходит бурный рост про-
водимости нитей (стримеров) за счет ударной иониза-
ции, вызванной сильными электрическими полями, и
ступенчатой ионизации, что приводит к быстрому
формированию разрядного канала в одном из стриме-
ров или в отдельных участках стримеров в случае их
пересечения. Дальнейшее развитие разряда в проме-
жутке происходит аналогично пробою в сильно неод-
нородном поле в результате формирования хорошо
проводящего канала лидера.
Очевидно, что чем выше начальная напряжен-
ность поля (близкая к разрядной) в ГИП, тем интен-
сивнее происходят описываемые процессы. Следова-
тельно, выбирая начальную напряженность электри-
ческого поля в ГИП, близкую к пробивной, можно
уменьшить время развития и формирования разряда,
т.е. уменьшить время tз и его разброс. Если же напря-
жение в ГИП существенно ниже Uпр, то проводимость
в нитях импульсной короны может уменьшаться во
времени в результате того, что процесс прилипания
электронов к молекулам кислорода воздуха начинает
преобладать над процессами ионизации, что приводит
к увеличению tз.
Для обеспечения предельно малых времен tз и ∆tз
в [6, С. 215] рекомендуется использовать тригатроны,
у которых длина поджигающего промежутка несколь-
ко меньше длины ГИП. При этом управляющий им-
пульс должен иметь амплитуду, примерно равную
рабочему напряжению со временем нарастания около
10 нс. Наилучшие достигнутые результаты при давле-
ниях, близких к атмосферному, в воздухе и некоторых
других газах составляют tз ~ 20 нс, ∆tз ~ 5 нс, что, ве-
роятно, объясняется пониженной рабочей напряжен-
ностью в ГИП. Повысить рабочую напряженность
можно увеличением давления газа в разрядной камере
тригатрона.
В экспериментах [8, 10] в условиях, существенно
отличных от рекомендуемых П.И. Шкуропатом, реа-
лизуется "потенциальный" механизм инициирования
разряда в ГИП до пробоя поджигающего промежутка,
причем достигаются также малые времена tз и ∆tз. В
этих экспериментах длина поджигающего промежут-
ка не превышала 10 – 15% длины ГИП. Кроме того,
минимальные времена tз ~ 5 нс при минимальном ∆tз
~ 0,5 нс были получены при амплитуде управляющего
импульса не более 10 – 15% от величины основного
напряжения. Анализ приведенных эксперименталь-
ных зависимостей показывает, что для обеспечения
наименьших tз необходимо, чтобы после прихода
управляющего импульса перекрытие основного про-
межутка происходило быстрее, чем пробьется поджи-
гающий зазор. Для выполнения этого условия в [7, С.
35] рекомендуется правильно координировать соот-
ношение длин основного D и поджигающего d про-
межутков и выбирать оптимальную амплитуду управ-
ляющего импульса Uупр. При слишком больших Uупр
первым пробивается поджигающий зазор, пусковой
52 ISSN 2074-272X. Електротехніка і Електромеханіка. 2009. №5
потенциал шунтируется малым импедансом искры в
этом зазоре, становится равным потенциалу приле-
жащего ОЭ, и tз увеличивается. При малых Uупр гра-
диент электрического поля у кромки УЭ уменьшает-
ся, и tз также возрастает. Рекомендуется выполнять
соотношение D/d = 5÷10, т.к. при меньших D/d
уменьшается перенапряжение в зазоре d при перекры-
тии промежутка D, а при больших D/d необходимо
существенно уменьшать Uупр.
Согласно [10] время tз зависит от величины со-
противления в цепи управления. С увеличением со-
противления растут tз и ∆tз. Также показано, что вольт
– секундные характеристики (зависимости времени tз
от амплитуды основного напряжения) тригатрона за-
висят от соотношения полярностей основного и пус-
кового напряжений. В азоте или в его смеси с элега-
зом наименьшее время tз получено при отрицательной
полярности основного напряжения и положительной
полярности управляющего импульса. Эти выводы
подтверждаются и другими авторами [6]. Замечено,
что зависимость времени tз от амплитуды управляю-
щего импульса Uупр имеет минимум, т.е. для получе-
ния минимального tз требуется оптимальное по ам-
плитуде Uупр. При амплитуде Uупр больше или меньше
оптимального время tз увеличивается.
В экспериментах [7, С. 32] выявлено, что вольт –
секундные характеристики тригатрона практически не
отличаются как при работе с диэлектрической втул-
кой, так и без нее. Поэтому в практических конструк-
циях использовались тригатроны без втулки.
В высоковольтных импульсных источниках пи-
тания на основе полосковых формирующих линий
или малоиндуктивных конденсаторов с плоской оши-
новкой в качестве коммутаторов целесообразно ис-
пользовать искровые разрядники рельсового типа. В
неуправляемых рельсовых разрядниках многоканаль-
ная коммутация может быть достигнута при скоро-
стях нарастания напряжения на ГИП dU/dt ≥ 1012 В/с в
условиях резко неоднородного электрического поля.
При малых значениях dU/dt зажигание нескольких
разрядных каналов возможно только при управляе-
мом инициировании пробоя. В [11] приводятся ре-
зультаты испытания газонаполненного (с рабочим
давлением до 1 МПа) рельсового разрядника трига-
тронного типа с локальными узлами поджига. Разряд-
ник рассчитан на коммутацию энергии до 3 кДж при
напряжении до 50 кВ. В низковольтном плоском
электроде разрядника длиной 50 и шириной 5 см в
отверстиях Ø (7 ÷ 10) мм, расположенных на удале-
нии 5 см друг от друга, установлены стержневые УЭ
Ø 4 мм. Амплитуда импульса управления
(10 ÷ 30) кВ, длительность фронта ~ 10 нс. Разрядник
заполнялся N2, воздухом, или смесью N2+SF6 при дав-
лении (0,3 ÷ 0,8) МПА. В экспериментах среднее чис-
ло разрядных каналов, участвующих в коммутации,
не превышало 4 даже при оптимальном сочетании
полярностей основного (- U0) и управляющего (+ Uупр)
напряжений и амплитуде основного напряжения, со-
ставляющей (0,8 ÷ 0,9) Uсп. Число каналов быстро
уменьшалось до одного при снижении уровня U0.
Следует отметить, что при этом разница времени за-
паздывания включения отдельных каналов узлов ини-
циирования пробоя в диапазоне U0 = (0,8 ÷ 0,9) Uсп не
превышала 2 нс при разбросе времени запаздывания
пробоя (1,2 ÷ 1,5) нс. Наиболее вероятной причиной
невысокой надежности многоканальной работы в этих
условиях, по мнению автора, является быстрый (за
единицы наносекунд) спад напряжения на ГИП ком-
мутатора после его замыкания первым разрядным
каналом, что обусловлено малым значением искровой
постоянной для примененной газовой изоляции ГИП
[12]. Существенно большие значения искровой посто-
янной имеют аргон и криптон. При заполнении ими
разрядной камеры в смеси с N2 было получено суще-
ственно большее число каналов, участвующих в ком-
мутации.
В исследовании [11] было также отмечено, что при
уменьшении внутреннего сопротивления емкостного
накопителя надежность многоканальной работы заметно
повышается. Автор объясняет это увеличением времени
спада напряжения на ГИП, в результате большее число
разрядных каналов успевает замкнуть ГИП.
Кроме того, в [11] обнаружено, что при значи-
тельном перенапряжении в ГИП, реализуемом после
подачи управляющего импульса, часть узлов поджига
перемыкается несколькими разрядными каналами,
развивающимися с острой кромки УЭ. Однако это не
приводит к заметному улучшению коммутационных
характеристик данного разрядника.
В работе [13] проведен расчет электростатиче-
ского поля модельного тригатрона. При равных по-
тенциалах УЭ и основного электрода с отверстием
изменение напряженности поля имеет резко неравно-
мерный характер только вблизи УЭ, выступающего
над поверхностью ОЭ на расстояние от 0 до 2 мм.
Неравномерность поля распространяется на расстоя-
ние, несколько превышающее диаметр УЭ. Однако
распределение поля вдоль центральной силовой ли-
нии значительно отличается от картины поля в про-
межутке "стержень – плоскость". Кроме того, приво-
дится формула для начального напряжения зажигания
разряда, позволяющая определить возможность нача-
ла ионизационных процессов в месте расположения
УЭ еще до подачи управляющего импульса, а, следо-
вательно, оценить вероятность появления свободных
электронов в ГИП вследствие протекания процесса
ионизации.
Герасимовым А.И. в [14, С. 30] описан тригатрон
на 100 кВ с модифицированными электродами. ОЭ
Ø 40 мм размещены на расстоянии 7 мм друг от друга
и имеют профилированные поверхности для создания
большой области с близким к однородному электри-
ческим полем. УЭ выполнен в виде стержня Ø 7 мм.
Отверстие ОЭ, в котором размещен УЭ, имеет сту-
пенчатую форму с радиальной длиной зазора 3,5 мм у
торца УЭ и ниже – 2 мм. Все острые кромки скругле-
ны по радиусу ~ 0,5 мм. ОЭ без УЭ имеет напротив
торца УЭ плоскую часть с кольцевой канавкой (про-
точкой) глубиной и шириной ~ 0,5 мм. Объем разряд-
ной камеры заполняется смесью 40 % SF6 и 60 % N2
при давлении (0,5 ÷ 1) МПа. Уширение радиального
зазора у торца УЭ несколько нарушает равномерность
распределения эквипотенциалей между обоими ОЭ
при подаче рабочего напряжения и требует увеличе-
ISSN 2074-272X. Електротехніка і Електромеханіка. 2009. №5 53
ния на ~ 10% давления газа для сохранения напряже-
ния неуправляемого самопробоя. Но такая геометрия
электродов обеспечивает, по мнению автора, сле-
дующее. При подаче Uупр распределение электриче-
ского поля возмущается в большом объеме газа
вплоть до поверхности противостоящего ОЭ, находя-
щегося под отрицательным потенциалом. При этом
величина электрического поля достигает Ек не только
на торцовой и боковой (напротив минимального ра-
диального зазора) поверхностях УЭ, но и на поверх-
ности противостоящего ОЭ. Ускорять пробой могут
ионизационные процессы у поверхности кромок
кольцевой проточки противостоящего ОЭ, где вслед-
ствие усиления поля на микроостриях возникает авто-
электронная эмиссия и взрывы вершин микроострий.
Отмечается, что взаимная генерация импульсной под-
светкой фотоэлектронов в ГИП и в кольцевом проме-
жутках ускоряет срабатывание тригатрона, увеличи-
вая скорость стримеров в десятки раз. Утверждается,
что время tз будет минимальным, когда пробои с УЭ
на оба ОЭ завершатся одновременно. При этом дос-
тигнутые значения времени tз = 25 ± 5 нс.
На наш взгляд проявляется некоторое несоответ-
ствие в оценке распределения поля в ГИП в [14, С. 30]
и в [13]. В [13] отмечается, что при равенстве потен-
циалов ОЭ и размещенного в нем УЭ (до подачи
управляющего импульса) неравномерность поля рас-
пространяется на расстояние, несколько превышаю-
щее диаметр УЭ. В [14, С. 30] при уширении радиаль-
ного зазора у торца УЭ и подаче управляющего им-
пульса электрическое поле возмущается на такое же
расстояние (диаметр УЭ и расстояние между ОЭ рав-
ны по 7 мм).
В [15] приведено описание компактного много-
канального газонаполненного разрядника на 3 МВ
авторов С. Мерсера, Я. Смита и Т. Мартина. Хотя ав-
торы описывают его работу с позиций разрядника с
искажением поля, однако в нем реализуется механизм
инициирования срабатывания такой же как и в трига-
троне. К тому же он отличается одной особенностью.
Вопреки мнению многих других авторов о том, что
меньшие времена tз наблюдаются в тригатронах с по-
ложительной полярностью УЭ, в этом разряднике он
расположен ближе к заземленному ОЭ и находился
под высоким отрицательным потенциалом. При этом
авторы статьи указывают, что в SF6, которым запол-
нялся разрядник при давлении 1,2 МПа, стримеры
распространяются предпочтительнее с положительно-
го, а не отрицательного электрода. Возможно, подра-
зумевается, что УЭ находился под высоким отрица-
тельным потенциалом, который он приобретал до по-
дачи управляющего импульса вследствие того, что
его форма повторяла эквипотенциаль вблизи зазем-
ленного электрода и полярность противоположного
ОЭ была отрицательной, но полярность потенциала
УЭ после прихода управляющего импульса была все
же положительной. ОЭ были выполнены из нержа-
веющей стали Ø 10 см с расстоянием между ними
7,6 см. УЭ изготовлен в виде диска Ø 6,5 см и отстоял
от заземленного ОЭ на 5 мм. Корпус выполнен сек-
ционированным. При напряжении на разряднике
3 МВ потенциал УЭ составлял 250 кВ. Среднеквадра-
тичный разброс времени включения разрядника со-
ставлял 0,9 нс. В среднем образовывалось 5 – 6 кана-
лов, довольно равномерно распределенных по окруж-
ности УЭ.
В некоторых случаях согласно конструктивным
или схемным решениям УЭ тригатрона целесообразно
размещать в ОЭ, находящемся под высоким потен-
циалом. Такой тригатрон кратко описан в [16]. Трига-
трон рассчитан на напряжение 2,5 МВ, максимальное
давление смеси N2+SF6 в нем равно 1,5 МПа, внешней
изоляцией служит трансформаторное масло. Управ-
ляющие импульсы с длиной фронта 15 нс и макси-
мальной амплитудой до 300 кВ формируются запус-
кающим устройством, расположенным под высоким
потенциалом. Заряд запускающего устройства до
200 кВ от источника постоянного напряжения и его
запуск осуществляются через развязывающие сопро-
тивления, изоляция которых рассчитана на полное
рабочее напряжение. Включение коммутатора осуще-
ствляется с точностью не ниже ±2 нс. В работе не ука-
зывается какую полярность имел ОЭ, в котором раз-
мещен УЭ.
В работе [17] мегавольтный коммутатор имеет
ОЭ Ø 300 мм, выполненные по профилю Брюса из
нержавеющей стали, расстояние между ними 35 мм. В
высоковольтный электрод встроено 6 тригатронных
узлов по окружности 180 мм. УЭ тригатрона распо-
ложены по центру отверстий Ø 12 мм и выступают
над поверхностью основного электрода на 1 мм.
Управляющие импульсы имеют фронт 3 нс и ампли-
туду до 120 кВ. Максимальное давление SF6 состав-
ляло 0,45 МПа. Пробой коммутатора на заземленный
корпус имел многоискровой характер (4 ÷6 каналов).
Хотя в работе приведены осциллограммы импульсов
напряжения на коммутаторе отрицательной полярно-
сти, остается неясным какую полярность имел ОЭ, в
котором размещен УЭ. Кроме того, не приведены ве-
личины времен tз и ∆tз.
Из зарубежных публикаций, посвященных три-
гатронам, следует отметить [18]. В ней, в частности,
утверждается, что в тригатронах основной вклад в tз
связан с временем формирования стример – дуга.
Предлагаются два возможных механизма ионизации в
этот период. Первый – каскадный: ионизация молекул
из основного состояния и из возбужденного состоя-
ния (после прохождения стримера). Второй – форми-
рование и распространение областей с высокой плот-
ностью ионизации в области с более низкой.
Проведенный анализ литературных источников и
выполненные экспериментальные исследования по
обеспечению параллельной работы тригатронов, уст-
ройство и особенности работы которых опубликова-
ны в [19, 20, 21], позволяют сделать следующее за-
ключение.
Тригатроны с рабочим напряжением до 1 МВ,
способные надежно работать в параллель при tз ≈ 1 нс,
∆tз ≤ 1 нс, tк ≈ 1 нс и обладающие высоким ресурсом,
должны удовлетворять следующим требованиям:
1. Рабочее напряжение Uр между ОЭ должно на-
ходиться в диапазоне 0,85 Uсп ≤ Uр ≤ 0,95 Uсп, где
Uсп – напряжение самопробоя.
2. Скорость нарастания напряжения управляю-
54 ISSN 2074-272X. Електротехніка і Електромеханіка. 2009. №5
щего импульса должна быть dU/dt ≥ 1013 В/с для на-
дежного формирования нескольких разрядных кана-
лов с острой кромки одного УЭ, что улучшает комму-
тационную характеристику тригатрона. При этом
время нарастания управляющего импульса должно
быть ≤ 50 нс.
3. После прихода управляющего импульса при
достижении между УЭ и противостоящим ему ОЭ
напряжения, близкого к пробивному, светящаяся зона
первоначальной объемной ионизации должна зани-
мать весь разрядный промежуток (между УЭ и проти-
востоящим ему ОЭ). При этом минимальные tз и ∆tз
получаются, когда УЭ имеет положительную поляр-
ность как относительно противостоящего ему, так и
относительно охватывающего его ОЭ. Последнее мо-
жет иметь место как в случае, когда УЭ встроен в
низковольтный ОЭ (тогда противостоящий ОЭ нахо-
дится под высоким потенциалом отрицательной по-
лярности), так и в случае, когда УЭ встроен в высоко-
вольтный электрод положительной полярности.
4. Расстояние между ОЭ (ГИП) должно быть вы-
брано, исходя из возможности удовлетворения двух
условий:
- заполнения всего ГИП зоной первоначальной
ионизации между УЭ и противостоящим ему ОЭ по-
сле прихода управляющего импульса;
- обеспечения в ГИП напряженности электриче-
ского поля, достаточной (≥ 4×105 В/см) для уменьше-
ния tз и ∆tз вследствие автоэмиссии электронов с мик-
ровыступов поверхности катода.
5. На рабочей поверхности ОЭ, противостоящей
УЭ, для усиления возмущений электрического поля
после прихода управляющего импульса желательна
кольцевая канавка с диаметром, соответствующим
диаметру рабочей зоны электрода, и с радиусом
скругления ~ 0,5 мм.
6. УЭ должен иметь форму цилиндра
∅ (4 ÷ 8) мм, острая кромка торца которого, обращен-
ная к противостоящему ОЭ, должна иметь радиус за-
кругления (0,1 ÷ 0,2) мм. УЭ должен выступать
вглубь главного искрового промежутка на
0,1 ÷ 0,5 мм.
7. Отношение величины главного искрового
промежутка D к величине поджигающего разрядного
промежутка d между УЭ и прилегающим к нему ОЭ
должно находиться в диапазоне 5 ÷ 7, а d должно
удовлетворять неравенству d ≤ 2,5 мм.
8. Для обеспечения ресурса 109 импульсов и бо-
лее тригатрон должен:
- содержать в разрядной камере защитный
металлический экран, находящийся примерно под
половинным потенциалом относительно потенциала
на высоковольтном ОЭ;
- длина разрядной камеры вдоль внутренней
изоляционной поверхности должна, по меньшей мере,
в 3 раза превышать длину ГИП (при этом градиент
вдоль поверхности не должен превышать ~ 100 кВ/см)
для исключения пробоев по внутренней поверхности.
9. Разрядная камера тригатрона для уменьшения
tз и ∆tз и обеспечения хороших коммутационных
характеристик может быть заполнена элегазом SF6
или смесью газов с высокой электрической
прочностью (например, 10% SF6 и 90% N2) под
избыточным давлением > 0,5МПа. Для технологичес-
кой установки при прочих равных условиях выбор
состава газовой среды может быть осуществлен
разрешением компромисса между чистым SF6 и
смесью (10% SF6 и 90% N2). В чистом SF6 можно
обеспечить меньшие разрядные промежутки и
давление, но он дороже.
10. Электроды тригатрона должны быть
выполнены из стойких к эрозии проводящих
материалов, эрозия которых происходит равномерно
и медленно (например, из стали Ст3 или сплавов
вольфрама, молибдена с медью) или же конструкция
электродов должна предусматривать быструю и
легкую замену сменных рабочих частей электродов
для обеспечения высокого ресурса.
11. Отношение оптимальной амплитуды
управляющего импульса Uупр к амплитуде
напряжения Uр между ОЭ тригатрона уменьшается с
увеличением Uр и при 300 кВ ≤ Uр ≤ 1000 кВ должно
составлять 0,1 ÷ 0,3 Uр.
12. Расстояние между соседними тригатронами
при их параллельной работе должно превышать вели-
чину S = k v (∆tз + ∆tк), где k > 1 – безразмерный коэф-
фициент запаса; v – скорость распространения элек-
тромагнитной волны в среде между тригатронами.
Упрощенное изображение электродной системы
тригатрона, удовлетворяющего вышеперечисленным
требованиям, приведено на рис. 2, где 1,2 – ОЭ; 3 –
УЭ; 4 – защитный экран; 5 – корпус тригатрона; D<2a,
а – кратчайшее расстояние между ОЭ и защитным
экраном.
ВЫВОДЫ
1. Проведенный анализ технической литературы
позволяет выделить два основных механизма иниции-
рования пробоя тригатрона: "медленный" и "быст-
рый" механизмы. При "медленном" (наблюдается
tз ~ 1 мкс и более; ∆tз ~ 0,1 мкс и более) пробой ини-
циируется действием поджигающей искры в проме-
жутке между УЭ и прилегающим ОЭ. При "быстром"
механизме (существенно меньшие tз ≤ 20 нс;
∆tз ≤ 5 нс) инициирование пробоя вызвано действием
сильного резконеоднородного электрического поля
вблизи конца УЭ. При "медленном" механизме пер-
вым пробивается поджигающий промежуток, а при
"быстром" – первым пробивается промежуток между
УЭ и противостоящим ему ОЭ.
2. Пробой тригатрона по "быстрому" механизму
осуществляется в два этапа. Первый – стример (или
несколько стримеров) формируется в области усилен-
ного поля вблизи конца УЭ (или занимая более значи-
тельную часть ГИП, в предельном случае весь ГИП
по длине – от конца УЭ до противостоящего ОЭ) и
распространяется через весь ГИП. Второй – интен-
сивность ионизации в образовавшемся (-шихся) кана-
ле (-лах) под действием поля увеличивается, пока не
сформируется хорошо проводящий искровой канал
(-лы), пробивается поджигающий промежуток, и три-
гатрон замыкается искрой (искрами).
ISSN 2074-272X. Електротехніка і Електромеханіка. 2009. №5 55
a D
4
1
3
2
5
5
Рис. 2
3. Несмотря на более чем полувековой период
разработки и исследования тригатронов остаются до
сих пор не вполне понятными отдельные стадии про-
цессов, происходящих в них. В частности, требуют
дальнейших исследований процессы, связанные с
формированием искрового канала (каналов) в трига-
троне и занимающие по времени значительную часть tз.
4. Выработаны требования к тригатронам с вы-
соким ресурсом, параллельная работа которых может
обеспечить коммутацию мощностей порядка 1 ТВт и
более.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Стекольников И.C. Молния. М., изд-во АН СССР, 1943.
2. Lampe W. ETZ-A, 83H, 18, 591 (1962).
3. Sletten A.M., Lewis T.J. Proc. Inst. Electr. Engrs, Pt.C, 104,
No. 5, 54 (1957).
4. Saxe R.F. Proc. Of the 5-th Intern. Conf. on Ioniz. Phenom-
ena in Gases, V. 1, Amsterdam, 1962.
5. Шкуропат П.И. Ж. техн. физ., 30, 954 (1960).
6]. Дашук П.Н., Зайенц С.Л., Комельков В.С., Кучинский
Г.С., Николаевская Н.Н., Шнеерсон Г.А. Техника больших
импульсных токов и магнитных полей. Под ред. В.С. Ко-
мелькова. – М.: Атомиздат, 1970. – 472 с.
7. Ковальчук Б.М., Кремнев В.В., Поталицын Ю.Ф. Силь-
ноточные наносекундные коммутаторы. – Новосибирск:
Наука, 1979, 175 с.
8. Ельчанинов А.С., Емельянов В.Г., Ковальчук Б.М., Ме-
сяц Г.А., Поталицын Ю.Ф. Многоискровая работа мега-
вольтного тригатрона // Приборы и техника эксперимента. –
1974. - № 2. – С. 103 – 105.
9. Ковальчук Б.М., Лавринович В.А., Подковыров В.Г.,
Поталицын Ю.Ф. О механизме наносекундного режима
работы мегавольтных тригатронов. – В кн.: Тезисы докла-
дов III Всесоюзного симпозиума по сильноточной импульс-
ной электронике. Томск, Ин – т сильноточной электроники,
1978. – С. 143 – 144.
10. Емельянов В.Г., Ковальчук Б.М., Лавринович В.А., Ме-
сяц Г.А., Поталицын Ю.Ф. Многоискровой высоковольтный
тригатрон // Приборы и техника эксперимента. – 1975 - № 4
– С. 89 – 92.
11. Капишников Н.К. Высоковольтный рельсовый разряд-
ник тригатронного типа // Приборы и техника эксперимен-
та. – 1989. - № 2. – С. 127 – 133.
12. Месяц Г.А. Генерирование мощных наносекундных
импульсов. – М.: Сов. Радио, 1974. – 255 с.
13. Елисеева Н.Н., Никифоров М.Г. К расчету начальных
напряжений тригатрона, наполненного SF6.– Высоковольт-
ные искровые и взрывные коммутаторы. Тезисы докладов
совместного заседания секций научных советов АН СССР
"Научные основы электрофизики и электроэнергетики" и
"Проблемы мощной импульсной энергетики". Томск, 27 –
28 ноября 1986 г. – С. 13 – 15.
14. Герасимов А.И. Многоканальные разрядники с ламель-
ными управляющими электродами, их развитие и примене-
ние // Приборы и техника эксперимента. – 2004. - №1. – С. 5
– 38.
15. Накопление и коммутация энергии больших плотностей.
Под ред. У. Бостика, В. Нарди, О. Цукера. Пер. с англ. Под
ред. д-ров техн. наук Э.И. Асиновского и В.С. Комелькова.
– М.: Мир, 1979. – С. 414 – 420.
16. Евлампиев С.Б., Коршунов Г.С. Управляемый газона-
полненный коммутатор на 5 МВ. – Высоковольтные искро-
вые и взрывные коммутаторы. Тезисы докладов совместно-
го заседания секций научных советов АН СССР "Научные
основы электрофизики и электроэнергетики" и "Проблемы
мощной импульсной энергетики". Томск, 27 – 28 ноября
1986 г. – С. 29.
17. Валеев Р.И., Давыдов О.В., Никифоров М.Г., Харченко
А.Ф., Чумаков А.А. Многоканальный мегавольтный комму-
татор с поджигом на высоком потенциале. – Высоковольт-
ные искровые и взрывные коммутаторы. Тезисы докладов
совместного заседания секций научных советов АН СССР
"Научные основы электрофизики и электроэнергетики" и
"Проблемы мощной импульсной энергетики". Томск, 27 –
28 ноября 1986 г. – С. 77 – 78.
18. Buttram M.T., Sampayan S. Repetitive Spark Gap Switches //
Gas Discharge Closing Switches / Ed. By G. Schaefer, M. Kristian-
sen, and A. Guenther. N.Y.: Plenum press, 1990. P. 63 – 85.
19. Бойко Н.И., Евдошенко Л.С., Зароченцев А.И., Ива-
нов В.М. Четырехканальный высоковольтный искровой
разрядник // Електротехніка і Електромеханіка. – Харьков:
НТУ "ХПИ".-2006. - №3. – С. 80-81.
20. Бойко Н.И., Евдошенко Л.С., Зароченцев А.И., Ива-
нов В.М., Артюх В.Г. Тригатроны на 400 кВ для мощных
низкоиндуктивных генераторов импульсов // ПТЭ, 2008,
№1, С. 78 – 86.
21. Бойко Н.И., Евдошенко Л.С., Зароченцев А.И., Ива-
нов В.М. Тригатроны на рабочее напряжение до 1 МВ с
наносекундным временем срабатывания // Технічна елект-
родинаміка. – 2009. - № 1. – С. 38 – 43.
Поступила 18.05.2009
Бойко Николай Иванович, д.т.н.,
Евдошенко Леонид Свиридович,
Зароченцев Александр Иванович,
Иванов Владимир Михайлович,
Научно-исследовательский и проектно-конструкторский
институт "Молния" Национального технического
университета "Харьковский политехнический институт",
Украина, 61013, Харьков, ул. Шевченко, 47.
e-mail: eft@kpi.kharkov.ua, тел. (057) 7076183.
|
| id | nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-143241 |
| institution | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| issn | 2074-272X |
| language | Russian |
| last_indexed | 2025-12-07T13:23:55Z |
| publishDate | 2009 |
| publisher | Інститут технічних проблем магнетизму НАН України |
| record_format | dspace |
| spelling | Бойко, Н.И. Евдошенко, Л.С. Зароченцев, А.И. Иванов, В.М. 2018-10-27T12:02:23Z 2018-10-27T12:02:23Z 2009 Развитие представлений о механизмах срабатывания тригатронов и их рациональной конструкции (обзор) / Н.И. Бойко, Л.С. Евдошенко, А.И. Зароченцев, В.М. Иванов // Електротехніка і електромеханіка. — 2009. — № 5. — С. 49-55. — Бібліогр.: 21 назв. — рос. 2074-272X https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/143241 621.316.933.1 В статье по результатам анализа литературных источников показано развитие представлений о механизмах пробоя тригатронов, особое внимание уделено времени t₃ запаздывания пробоя тригатронов и его разбросу Δt₃. У статті за результатами аналізу літературних джерел показано розвиток уявлень щодо механізмів пробою тригатронів, особливу увагу приділено часу запізнення t₃ пробою тригатрону та його розкиду Δt₃. In the paper, on the basis of results of literature analysis, development of conceptions about trigatron breakdown mechanisms is shown. Special attention is devoted to trigatron breadown delay time t₃ and its spread Δt₃. ru Інститут технічних проблем магнетизму НАН України Електротехніка і електромеханіка Техніка сильних електричних та магнітних полів Развитие представлений о механизмах срабатывания тригатронов и их рациональной конструкции (обзор) Development of Conceptions on Trigatron Operation Mechanisms and Their Rational Design Article published earlier |
| spellingShingle | Развитие представлений о механизмах срабатывания тригатронов и их рациональной конструкции (обзор) Бойко, Н.И. Евдошенко, Л.С. Зароченцев, А.И. Иванов, В.М. Техніка сильних електричних та магнітних полів |
| title | Развитие представлений о механизмах срабатывания тригатронов и их рациональной конструкции (обзор) |
| title_alt | Development of Conceptions on Trigatron Operation Mechanisms and Their Rational Design |
| title_full | Развитие представлений о механизмах срабатывания тригатронов и их рациональной конструкции (обзор) |
| title_fullStr | Развитие представлений о механизмах срабатывания тригатронов и их рациональной конструкции (обзор) |
| title_full_unstemmed | Развитие представлений о механизмах срабатывания тригатронов и их рациональной конструкции (обзор) |
| title_short | Развитие представлений о механизмах срабатывания тригатронов и их рациональной конструкции (обзор) |
| title_sort | развитие представлений о механизмах срабатывания тригатронов и их рациональной конструкции (обзор) |
| topic | Техніка сильних електричних та магнітних полів |
| topic_facet | Техніка сильних електричних та магнітних полів |
| url | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/143241 |
| work_keys_str_mv | AT boikoni razvitiepredstavleniiomehanizmahsrabatyvaniâtrigatronoviihracionalʹnoikonstrukciiobzor AT evdošenkols razvitiepredstavleniiomehanizmahsrabatyvaniâtrigatronoviihracionalʹnoikonstrukciiobzor AT zaročencevai razvitiepredstavleniiomehanizmahsrabatyvaniâtrigatronoviihracionalʹnoikonstrukciiobzor AT ivanovvm razvitiepredstavleniiomehanizmahsrabatyvaniâtrigatronoviihracionalʹnoikonstrukciiobzor AT boikoni developmentofconceptionsontrigatronoperationmechanismsandtheirrationaldesign AT evdošenkols developmentofconceptionsontrigatronoperationmechanismsandtheirrationaldesign AT zaročencevai developmentofconceptionsontrigatronoperationmechanismsandtheirrationaldesign AT ivanovvm developmentofconceptionsontrigatronoperationmechanismsandtheirrationaldesign |