Вакуумные искровые реле

  История и применение этих приборов довольно специфичны. Их "родителями" был ряд предприятий Минсредмаша (т.е. ядерного оружейного цикла), и, в частности, разработчики систем подрыва ядерного заряда.

  С самого начала работ по созданию систем подрыва ЯЗ одной из важнейших задач был выбор быстродействующего коммутатора больших импульсных токов, позволяющего разрядить конденсатор большой емкости на низкоомную нагрузку.

  В первых системах подрыва использовалось быстродействующее реле взрывного и, следовательно, однократного действия. Применение одноразового коммутатора существенно затрудняло отработку всей системы.

  Попытки применить выпускаемые промышленностью тиратроны или тригатроны приводили к новым проблемам, связанным с необходимостью предварительного задействования цепей накала и ненадежностью таких приборов.

  Необходимо было создать приборы, сочетающие в себе лучшие параметры известных коммутирующих элементов при их работе в режиме одиночных включений. Это стало возможным благодаря идее, высказанной в 1952 году А.А.Бришом - использовать для построения коммутатора управляемый пробой вакуумного промежутка. Первые надежно действующие приборы, работающие по этому принципу, были изготовлены в 1953 г.

  В разработанных реле удалось совместить возможность пропускания больших импульсных токов (подобно механическим выключателям и тригатронам) с малой инерционностью действия (близкой к таковой у электронных ламп и тиратронов) и малой энергией, необходимой для включения реле (подобно тиратрону). Основными недостатками новых реле являются ограниченное число включений, которое они допускают без изменения параметров, и неустойчивая работа при малых токах.

  В основе работы вакуумных реле лежит пробой вакуумного промежутка, разделяющего коммутируемую цепь. Особенностью ВИР является то, что основной промежуток вакуумного прибора «анод–катод», разрывающий коммутируемую цепь и находящийся под высоким рабочим напряжением, в несколько раз меньшим пробивного напряжения, дополняется малоразмерным вспомогательным промежутком «катод–управляющий электрод», заполненным твердым диэлектриком, например, слюдой.

  Управляемый пробой основного промежутка происходит при подаче на управляющий электрод импульса напряжения от автономного генератора, вызывающего поджигающий искровой пробой вспомогательного промежутка по поверхности диэлектрика (слюды). Возникающая искра инициирует развитие разряда между катодом и анодом. После пропускания импульса тока основной разрядный промежуток восстанавливает свою исходную электрическую прочность, и прибор снова готов к работе. Применение изоляционной прокладки в управляющем промежутке позволяет снизить пробивное напряжение по сравнению с тем, которое требовалось бы в случае вакуумного промежутка.

  Эти реле позволяют коммутировать электрические цепи с импульсными токами в несколько тысяч А. Реле может обеспечивать включения цепи с точностью 0,0085 мксек; время запаздывания электрического пробоя основного разрядного промежутка относительно пробоя управляющего промежутка не превышает 0,03 мксек, быстрота нарастания тока может быть больше 10¹¹ А/сек.

Историческая справка
Конструкция
Параметры
Временные характеристики
Ресурс работы
Образцы - ВИР-14

   Как уже отмечалось, отправной точкой для создания вакуумных искровых реле стала высказанная в 1952 году А.А.Бришом идея использовать управляемый пробой вакуумного промежутка.

   К моменту постановки работ отечественная наука не располагала опытом создания подобных приборов. Отсутствовали сведения по созданию таких приборов и за рубежом. Несмотря на новизну и исключительную сложность, поставленная задача была решена. Уже в 1952 году в РФЯЦ-ВНИИЭФ были изготовлены первые опытные образцы разрядников и вместе с подробным описанием их работы направлены в Научно-исследовательский вакуумный институт (ныне НИИВТ) С.А.Векшинскому, с которым уже налаживались творческие контакты. Работы по созданию первых образцов вакуумных импульсных разрядников были выполнены при непосредственном участии и под руководством А.А.Бриша молодым физиком Е.А.Сбитневым и высококлассным механиком М.А.Кануновым.

   На основе сложившейся кооперации работы по созданию промышленных образцов ВИР и организации их серийного выпуска по инициативе академика Ю.Б.Харитона были поручены НИВИ. После организации в КБ-25 Министерства среднего машиностроения (ныне ВНИИА) работы по курированию разработок ВИР и исследованию их работы в составе систем подрыва проводились в лаборатории №5 во главе с А.И.Белоносовым. Лаборатория была укомплектована молодыми выпускниками московских вузов, а группы возглавлялись более опытными научными работниками, переведенными из РФЯЦ-ВНИИЭФ во ВНИИА. Группу, которая вела исследования ВИР и курировала их разработку в НИВИ, возглавил Е.А.Сбитнев, а в ее состав входили: В.В.Латышев, В.Н.Липатов, Т.П.Федорова, В.Д.Шумилин, а также талантливый лаборант-самоучка В.И.Казаков.

   Разработка промышленных вакуумных разрядников в период с 1953 по 1959 год проводилась в лаборатории №3 отдела 10 (100) НИВИ, специализировавшегося на создании счетчиков ионизирующих излучений.

   Первое поколение управляемых вакуумных разрядников типа ВИР, разработанных в период с 1954 по 1959 год, имело стеклянную оболочку цилиндрической формы, обычную для радиоламп того времени. С одной стороны в оболочку впаивалась стеклянная ножка с впаянными в нее двумя металлическими выводами, на которых монтировалась предварительно собранная и зафиксированная контактной точечной сваркой сжатая поджигающая система (катод, слюдяная прокладка, управляющий электрод). С другой стороны в оболочку впаивался ввод с закрепленным на нем анодом. Для откачки служил впаянный в ножку стеклянный штенгель, запаиваемый в момент герметизации разрядника на минимальном расстоянии от поверхности оболочки.

   Очень важным предложением, разработанным совместно специалистами ВНИИА и НИВИ (1960-1965 годы), был переход на разработку ВИРов в бесцокольном исполнении. При этом вакуумплотная оболочка обеспечивала работоспособность приборов в нормальных условиях, а защита их от механических воздействий и изменений параметров окружающей среды обеспечивалась конструктивными средствами целевой аппаратуры. Это дало возможность существенно сократить габариты ВИР.

   В последующие годы с учетом этого был разработан и внедрен в серийное производство целый ряд разрядников типа ВИР со стеклянной и металлокерамической оболочками.

   Начиная с ВИР-5, в разрядниках использовалась коаксиальная электродная система, в отличие от планарной в первых разработках. В 1956 году идеологам вакуумной коммутации А.А.Бришу и Е.А.Сбитневу, а также группе сотрудников отдела 10 НИВИ – А.Б.Дмитриеву, Л.Н.Космарскому, А.Б.Хейфецу и Л.С.Эйгу - было выдано авторское свидетельство №16995 «Импульсное электровакуумное реле». В 1958 году в журнале «Приборы и техника эксперимента» ими была опубликована основополагающая статья «Вакуумное искровое реле», в которой приведены устройство, электрические схемы осциллографического контроля ВИР и результаты исследований.

   В 1959 году на базе лаборатории №3 отдела 10 НИИВТ был создан специализированный отдел 13 (впоследствии – 130) по разработке вакуумных и газонаполненных разрядников во главе с к.т.н Львом Самуиловичем Эйгом.

   В отделе были широко развернуты исследования физических процессов пробоя вакуумных и газовых промежутков при статическом и импульсном напряжениях, процессов пробоя по поверхности диэлектриков в вакууме и газе, эрозии электродов при сильноточном пробое, динамики изменения газовой среды в приборах в течение срока службы, стойкости вакуумных разрядников к поражающим факторам ядерного взрыва, проницаемости оболочки приборов для водорода, гелия и других газов.

   На основе полученных новых научных результатов было создано второе поколения ВИР с металлостеклянной оболочкой. Руководителем ОКР по разработке металлостеклянных ВИР для блоков автоматики был начальник лаборатории Самсон Семенович Цициашвили.

   К началу 1960-х годов существенно возросли требования к коммутируемому току и крутизне его нарастания в ВИР. Для обеспечения коммутации токов с такими высокими требованиями необходимо было уменьшить собственные индуктивность и сопротивление ВИР в десять раз. В.Д.Шумилиным (ВНИИА) и С.С.Цициашвили (НИВИ) были проведены глубокие исследования схем коммутации, на основе которых к 1965 году были разработаны ВИР в металлостеклянной оболочке, обеспечивающие коммутацию больших токов. Приборы были успешно применены в новой автоматике и серийно освоены.

  Основными параметрами реле являются: анодное напряжение, величина рабочего тока, напряжение пробоя поджигающего промежутка и временные характеристики (времена запаздывания и развития разряда).

   Верхнее значение анодного напряжения ограничено потенциалом пробоя основного вакуумного промежутка и варьируется межэлектродным расстоянием. Даже при малых величинах этого расстояния в случае хорошо обработанных деталей достаточно велико. Например, для реле ВИР-7 потенциал пробоя может быть более 20 кВ при d = 1 мм. Нижнее значение анодного напряжения практически не ограничено. При анодном напряжении более 100 В реле сохраняет свои параметры. Возможность широкого изменения анодного напряжения позволяет использовать реле в режиме, когда отношение Uпр/Uа > 2, т. е. в режиме с большим запасом электрической прочности.

  Величина рабочего тока при использовании вакуумных реле целиком определяется параметрами внешней цепи, так как внутреннее сопротивление реле во время пробоя составляет сотые доли Ома, причем большая часть этой величины связана с сопротивлением вводов. Прерывание начавшегося разряда происходит только после значительного снижения первоначального напряжения, когда ток становится меньше 20 А.

  При работе реле наблюдается статистический разброс величины напряжения пробоя поджигающего промежутка. Абсолютное значение средней величины этого напряжения определяется размером слюдяного зазора и зависит от формы и знака импульса. Изменение крутизны фронта импульса от 0,4 до 30 кВ/мкс не влияет заметным образом на напряжение пробоя. При увеличении крутизны фронта до 200 кВ/мкс Uпр возрастает на 1000-1500 В по сравнению со значением для более пологих фронтов. При управляющих импульсах положительной полярности напряжение пробоя примерно на 200-500 В меньше, чем при импульсах отрицательной полярности. Практически наиболее удобно выбирать значение напряжение пробоя в диапазоне 1200-3000 В. Нижнее значение этого интервала ограничено толщиной прокладки, при которой зазор между электродами поджигающего промежутка легко засоряется продуктами распыления электродов, возникающими при пробое основного разрядного промежутка. Изготовить реле с напряжением пробоя более 3000 В вполне возможно, однако в большинстве случаев необходимость в подобном увеличении напряжения срабатывания отсутствует.

  Энергия, необходимая для инициирования основного пробоя, весьма мала. Для надежного срабатывания вполне достаточно энергии, запасенной в емкости, образуемой электродами поджигающего промежутка.

   Временными характеристиками вакуумных искровых реле являются: t₁ — время, прошедшее с момента начала роста напряжения поджигающего импульса до пробоя управляющего промежутка: t₂ — время запаздывания начала развития основного пробоя относительно пробоя управляющего промежутка; t₃ — время развития основного пробоя.
   Время Т = t₁ + t₂ + t₃ есть суммарное время задержки включения тока с помощью реле относительно начала управляющего импульса. Разброс этой величины от включения к включению определяет точность, с которой может быть осуществлена коммутация цепи в заданный момент времени. На осциллограмме отмечены все три интервала t₁, t₂, t₃.

   Если генератор управляющих импульсов обеспечивает стабильность их формы, то время t₁ полностью определяется значением напряжения пробоя управляющего промежутка. При этом предполагается, что поджигающий импульс имеет собственную амплитуду, значительно превышающую напряжение пробоя, так что пробой всегда происходит на фронте этого импульса. Как уже указывалось, напряжение пробоя управляющего промежутка изменяется от включения к включению статистически с распределением величины по закону Гаусса.

   Время запаздывания t₂ также изменяется статистически, от включения к включению. Разброс величины задержки для всех исследованных вариантов не превышает +0,005 мкс. В исследованном диапазоне анодных напряжений от 0,5 кВ до 5 кВ как t₂, так и его разброс не зависят от Uа.

   Время развития основного пробоя t₃ определяется параметрами внешней цепи. На рисунке дана осциллограмма развития основного пробоя, снятая с нагрузочного сопротивления 1 Ом (частота синусоидального напряжения 100 МГц). Передний фронт импульса соответствует скорости нарастания тока 1,05х10¹¹ А/с; время t₃ = 0,03 мкс, причем разброс этой величины не мог быть обнаружен, так как находится за пределами точности измерений.

   Таким образом, для наиболее крутых применявшихся поджигающих импульсов разброс суммарного времени запаздывания, определяющий точность замыкания цепи, составляет +0,0085 мкс.

  При каждом срабатывании вакуумного искрового реле происходит незначительное разрушение его электродов и, как следствие этого, изменение первоначальных параметров. Ресурс работы реле определяется предельным количеством включений, допустимым без существенных изменений параметров.

  Разрушение электродов сказывается прежде всего на значениях напряжений пробоя поджигающего и основного разрядных промежутков. Обе эти величины по мере работы реле постепенно уменьшаются. Для первой из них это происходит из-за засорения слюдяного среза распыляемым металлом электродов; одновременно на поверхности колбы постепенно становится заметен зеркальный металлический налет. Уменьшение электрической прочности происходит из-за постепенного увеличения давления газов, выделяющихся при разряде из электродов.

ВИР14

Применялось это реле, в частности, в аппаратуре фоторегистрации физических экспериментов:

Источники

1. В начале большого пути. К юбилею Всероссийского НИИ автоматики им. Н.Л.Духова / Под общей редакцией д.э.н. С.Ю.Лопарева, д.т.н., проф. Г.А.Смирнова, д.т.н., проф. Ю.Н.Бармакова - М.: Издательский дом "Кодекс", 2014г.

домой