автореферат диссертации по электронике, 05.27.02, диссертация на тему:Исследование, разработка основ проектирования и создание высоковольтных вакуумных приборов коммутации для СВ, КВ и УКВ диапазонов радиочастот

РЯЗАНСКАЯ ГОСУДАРСТВЕННАЯ РАДИОТШИЧЕШЯ АКАДЕМИЯ

На правах рукописи Для служебного пользования Экз. N

БОЧКАРЕВ Владашр Семенович

исследование, разработка основ проектирования и создание шсоковольтных вактшьк приборов ксшутации ДЛЯ св, нв и укв диапазонов радиочастот

Специальность: 05.27.02 - "Вакуумная и плазменная

электроника"

о

Автореферат днссертацаи на соискание ученой степени доктора технических наук

Рязань 1995

Райта выполнена в Пензенской государственной научно-исследовательской институте электронно-кеханических приборов

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор Киселев Ю.В.

доктор технических наук, профессор Сиогунов В.В. доктор технических наук

Зильберман и,М.

Ведущее предприятие - ВЗИ

Защита диссертации состоится "27" ымниз. 1995 г.

диссертационного совета Д.083.92.02 в Рязанской государственно!! радиотехнической акадешш, 390005, г.Рязань, ул. Гагарина, 59/1

Отзывы по данной работе (заверенные печатью) просим направлять в двух экземплярах.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Рязанской государственной радиотехнической академии.

Автореферат разослан "Ут^" ^¿■-УУу 1995 г.

Ученый секретарь диссертационного совета, доктор технических наук,

в ауд.

в "/¿V " ¿ .мин. на заседании

профессор

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ Актуальность проблема. Вогаейаям направлением развития иародаого хозяйства является всеыэрноэ ускорение научно-технического прогр»соа я создание новой техники на выспей мировом уровне. С учетом этого, к современным отечественным радиотехническим устройствам в средствам связи предъявлены требования расширения диапазона рабочих частот, по-вызения излучаемой мощности, надеяности работы, скорости перестройся частоты и обеспечения скрытности настройки прк уиеншении потерь иоцяости высокой частоты, массы и габаритов. Их реализация невозможна без высокочастотных приборов коммутации, которые во многом определяют параметрические и эксплуатационные возможности современной радиотехнической и связной аппаратуры.

Воздушные и газонаполненные высокочастотные приборы коммутации не позволяют выполнить в совокупности перечисленные выше требования. Использование вакуума в качестве диэлектрика между разомкнутыми контактами привело к созданию вакуумных приборов коммутации (ВПК), которые обладают лучшей совокупностью характеристик в сравнении с воздушш и газонаполненными на одинаковые параметры и условия эксплуатации.

Выпускавшиеся к началу данной работы отечественные ВТК были рассчитаны на применение в диапазоне частот до 1 МГц при напрязении до 1 кБ, токе до 15 А и имели больше габариты и кассу, малое быстродействие и больше потребление электроэнергии на управление. Им были характерны болыш индуктивность и емкости, низкая устойчивость к воздействию иеханячэскгос нагрузок. Развитие радиоэлектронной техники потребовало существенного (на 1-2 порядка) улучпения основных характеристик ВПК. Фактически возникла необходимость создания качественно нового класса отечественных высоковольтных электровакуумных приборов - высокочастотных вакуумных приборов коммутации (ВВПК).

Исследование выполнено в соответствии с комплексными межотраслез-ыми программами "Разряд", "Разряд-80", "Разряд-85" и "Разряд-80" по министерству электронной промышленности и планами научно-исследовательского института электронно-механических приборов в период с 1884 г. по 1994 г. в обеспечение разработок и комплектации новейших радиотехнических объектов и средств связи ряда научных организаций и предприятий министерства промышленных средств связи, министерства судостроительной промышленности и министерства связи (гг. Москва, Санкт-Петербург, Низший Новгород, Самара, Тамбов, Севастополь, Иркутск, и др.).

Целью диссертационной работы являлось установление основных факторов и физических процессов, ограничивающих частоту, пропускаемый ток, электропрочность и долговечность ВВПК и изыскание высокоэффективных способов их повыиения; разработка основ проектирования и расчета

и создание серийных отечественных ВВПК, удовлетворяйте требовашмм, предъявляемый к современной радиотехнической и связной аппаратуре. Цель достигалась решение« следующих задач: - аналитическое установление взаимосвязи сопротивления и индуктивности заикнутых контактов ВВПК на высокой частоте, иежэлектродньи емкостей и пропускаемого тока высокой частоты с геометрическими размерами токопроводников и контактов, обработкой их поверхностей, физическими константами материалов и контактным нажатием;

- определение и исследование физических процессов и факторов, ограничивающих рабочую частоту, пропускаемый ток, электрическую прочность и надежность работы ВВПК;

- поиск и исследование конструктивно-технологических путей снижения сопротивления замкнутых контактов на высокой частоте, их индуктивности к мзжзлектродных емкостей до величин, обеспечивающих работу ВВПК на частотах до 100 МГц при токах до 500 А;

- изыскание и исследование способов обеспечения высокой электрической прочности ВВПК на рабочее напряжение до 50 кБ и ее стабильности при длительной эксплуатации;

- поиск и исследование методов повышения надежности контактирования и долговечности ВВПК;

- изыскание и разработка основ проектирования и методов расчета ВВПК для СБ, КВ и УКВ диапазонов радиочастот по заданным техническим требованиям;

- разработка специфических для данного класса вакуумных приборов вопросов технологии их сборки и обеспечения качества, методов испытаний и контроля параметров при серийном производства;

- разработка на основе результатов исследования и предложенных новых конструкторских и технологических решений базовых конструкций и технологий серийного производства и создание ряда ВВПК с расширенными диапазонами радиочастот (в несколько десятков КГц), пропускаемых токов до 500 А и рабочих напряжений до 50 кВ и внедрение юс в серийное, производство.

Метода исследования. Математическими методами анализировалось прохождение тока высокой частоты через элементы контактной группы ВВПК и контактный переход в вакууме с учетом шероховатости поверхностей токопроводников. Эффективность предложеных в работе способов повышения предельной рабочей частоты и пропускаемого тока определялась по температуре нагрева элементов ВВПК, при изменении величины тока или его частоты с помощью мощной высокочастотной установки. При этом термоамперметром контролировалась величина тока высокой частоты, напряжение на ВВПК измерялось киловольтметром и высокочастотным вольт-

ютром с делителем напряжения, частота тока контролировалась электронно! частотомером, а температура элементов измерялась термопаркым язме-1ИТ9Л6М температуры. Применялась рентгенотелевизионнал и оптическая икроскопчя. Проводились масспектрометрические измерения. Электриче-кие пробои регистрировались электронным счетчиком пробоев и путей сциллографирования. Сопротивление цепи замкнутых контактов и мехэлек-родаые емкости измерялись методом непосредственного отсчета с исполь-ованием электронных цифровых омметров и мостов.

Научная новизна полученных в работе результатов заключается в сле-увдем:

- авалктгюски установлена взаимосвязь полного сопротивления замкку-ых контактов на высокой частоте и пропускаемого тока высокой частоты геометрическими размерами токопроводников и контактов, мнкрогеоме-рией их токопроводящнх поверхностей, физическими константами матеря-лов х контактным нажатием, что позволило определить основные направ-вния повышения допустимого тока и рабочей частсты, разреш&щие про-иворечие, в соответствии с которым увеличение поперечного сечен?? исокочастотного токопроводника снижает индуктивность и сопротивление, о одновременно увеличивает емкости, массу и габариты приборов;

- впервые предложен комлекс реиений, обеспечивающих существенное по-ашение предельной рабочей частоты (до 100 МГц) и допустимого тока (до 00 А), в основе которых лежат: увеличение эффективного рабочего сече-ия на высокой частоте выполнением пазов и разрезов вдоль образующей ялиндрических и трубчатых токопроводников, применение многоконтакт-¿х элементов и пакетированного контактного мостика, профилирование энтактных элементов, разделение функций высочастотного токопроводника гибкого силового элемента вакуумной оболочки;

- разработаны новые методы повышения злектропрочности специфических 5 конструкции вакуумных промежутков ВВПК путем тренировки их разно-злярными импульсами при повышенной температуре; со срезающим разряд-ком, который устраняет возникающие после пробоя перенапряжения; пу-зм сближения контактов при неизменном напряжении на межконтактаои га-эре и зажиганием между контактами при тренировке слаботочного высок-¡ольтного вакуумного разряда;

- впервые доказано, что надежность контактирования ВВПН, в основном, •ранячивается такими факторами, как недостаточная площадь реально ко-гактирущих участков и диффузионное сваривание контактов и подвижных 1талей электромагнит! системы управления, работающих в вакууме при жышенных механических и термических нагрузках. Предложены наизвест-ю ранее способы устранения ограничений, которые заключаются в придании многоконтактных элементов; выполнении контактов из материалов

с различной твердость!); установлении контактного нажат по разности напряжения отпускания якоря-до и после установки оболочки с высоково льтньши выводами или по времени дребезга контактов; покрытии контактирующих поверхностей молибденом (вольфрамом) с никелем или без него а работающих в вакууме подвижных деталей электромагнита окисью хрома и выполнении оси вращения из диэлектрика.

Новизна результатов работы подтверждена 39 авторскими свидетельствами и патентами на изобретения.

Основные научные положения, выносимые на защиту.

1. Эффективными способами повышения рабочей частоты и пропускаемого тока ВВПК являются: выполнение контактных элементов в виде стер; ней с продольными пазами или тонкостенных цилиндров с продольными ра: резами, разделение функций высокочастотного токопроводника и гибкого силового элемента вакуумной оболочки, специальное профилирование тор цевых поверхностей контактирующих сиреней, применение многоконтактга элементов и пакетированного контактного мостика.

2. Наиболее качественная высоковольтная тренировка ВВПК обеспечивается при напряжении, близком к рабочему, путем существенного (в не< колько раз) уменьшения зазора между контактами и кратковременного (д< сятки секунд) зажигания слаботочного (единицы миллиампер) вакуумного разряда.

3. Для обеспечения высокой надежности контактирования и долговечности ВВПК необходимо применять специальные способы, направленные на увеличение реальной контактирующей поверхности контактов и предотвращение диффузионного сваривания контактов и подвижных деталей системы управления, работающих в высоком вакууме при больших локальных механических нагрузках. Наиболее эффективными реиениями являются: применение ыногоконтактных элементов; изготовление контактов из разнородных металлов, один из которых легче подвергается пластической деформации; установление контактного нажатия по разности напряжения отпускания якоря в нагруженном и ненагруженном состоянии или по времени дребезга контактов; выполнение оси вращения и? диэлектрика; покрытие контактов молибденом с никелем, а поверхностей подвижных и соприкасающихся деталей электромагнита окисью хрома.

Практическая ценность диссертации состоит в том, что в результате исследования разработаны и успешно используются:

- принципы и алгоритм проектирования ВВПК для СВ, КБ и УКВ диапазонов радиочастот по заданным техническим требованиям;

- методы расчета основных элементов; взаимосвязи тока с частотой, давлением и температурой окружающей среды; контактного нажатия и те-

рмического режима работы ВВПК; электромагнитной системы управления, а также ряда основных параметров на всех этапах проектирования ВВПК;

- способы повышения на высокой частоте токопропускной способности проводников и контактного перехода в вакууме, разгрузки силовых элементов от тока высокой частоты и в применении этих способов для повышения рабочей частоты и увеличения пропускаемого тока ВВГМ;

- способы высоковольтной тренировки межконтактного зазора, вакууи-но-терыической обработки и обезгаживания контактов для обеспе'.'зния и сохранения высокой электропрочносги ВВПК при длительной эксплуатации;

- метода стабильной передачи усилия к контактам от электромагнита;

- способы сборки, контроля и обеспечения качества, метода испытаний и технологии серийного производства созданного ряда ВВПК;

- мощные вакуумные выключатели В7В-1 и ВЭВ-1 на напряжение 25 и

20 кВ и пропускаемый ток 50 и 60 А на частоте 30 МГ^ и малогабаритные со встроенным электромагнитом вакуумные выключатели и переключатели В1В-1 (В1Д-1), В2В-1, П1Д-1, П1В-1, П1Д-2 и П1Д-3 на напряжение до 5,6 кВ, пропускаемый ток до 15 А на частоте 30 МГц с рабочим диапазоном частот до 80 МГц.

Реализация результатов диссертационной работы в промышленности. Результаты настоящего исследования использованы в 14 НИР и 13 ОКР, выполненных по категории важных. Выработанные на основе исследования принципы проектирования и расчета ВВПК по заданным техническим требованиям; рекомендации по выбору материалов и покрытий контактов; методы повышения рабочей частоты, пропускаемого тока высокой частоты и электропрочности; способы обеспечения стабильности параметров при длительной эксплуатации применены при разработке конструкций и технологий изготовления всех созданных и серийно выпускаемых отечественных ВВПК (В1В-1, В2В-1, В7В-1, П1Д-1, П1В-1, П1Д-2, П1Д-3, П2Д-2 и др.).Экономический зффект от внедрения результатов работы в ценах 1991 г. составил 3,1 млн.руб. Акты о внедрении и практическом использовании полученных результатов исследования приведены в приложениях к диссертации.

Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы прошла апробацию при разработке конструкций и технологии изготовления разработанных в работе 10 типов ВВПК, при серийном их производстве и длительной эксплуатации в радиотехнических объектах специального и народнохозяйственного назначения.

Публикации. Материалы, отражавшие основное содержание диссертаций опубликованы в монографии, 2 обзорах, 15 статьях, 39 авторских свидетельствах и патентах на изобретения, 14 отчетах по научно-исследовательским и 13 отчетах по опытно-конструкторским работам.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, 5

гжав, заключения, списка литературы из 389 наименований и 3 приложения. Работа содержит 322 страницы машинописного текста, 138 рисунков и 18 таблиц.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность решаемой проблемы, сформулированы цели исследования и научные положения, выносимые на защиту, показаны научная новизна, практическая ценность и реализация полученных результатов исследования.

В первой главе диссертации сделан краткий обзор научно-технической и патентной литературы по" современному состоянию исследований в области разработки ВБПК. Отмечены основные их преимущества в сравнении с аналогичными по назначение приборами. Рассмотрены перспективы развития и области применения. Выявлено, что в научно-технической литературе отсутствуют сведения о физических процессах и явлениях на контактах ВВПК, способах повышения их параметров на 1-2 порядка, методах расчета, проектирования и технологии изготовления вакуумных приборов данного класса.

Проанализированы основные факторы, препятствующие разработке ВВПК с повывеннымх параметрами, и типичные конструкции вакуумных приборов коммутации применительно к их работе на высоких частотах. Показано, что для повышения пропускаемого тока в расширенном диапазоне частот наиболее перспективны конструкции ВВПК с сильфоном, мембраной и встроенным электромагнитом. Отмечены недостатки известных конструкций, ограничивающие повышение рабочей частоты и улучшение важнейших параметров ВВПК.

Частотные характеристики ВВПК определяются индуктивностью токопро-водников и межэлектродными емкостями. Обычно индуктивность снижают уменьшением длины токопроводников или увеличением их поперечного сечения. Однако это снижает электропрочность по поверхности оболочки или повышает ыежэлектродные емкости, габариты и массу ВВПК. Емкости уменьшают увеличением ыеюлектродных зазоров или уменьшением сечения токопроводников, что снижает износостойкость, быстродействие и пропускаемый ток при одновременном увеличении индуктивности и массогабаритных характеристик. Указанные противоречия затрудняют повышение рабочей частоты и пропускаемого тока без существенного увеличения габаритов, массы и снижения быстродействия и износостойкости ВВПК.

При разомкнутом положении контактов надежная работа ВВПК определяется способностью межконтактного зазора в вакууме, диэлектрика оболочки и изолятора выдерживать без пробоев и разрядов длительное приложение высоковольтного напряжения высокой частоты как после пропускания тока высокой частоты, так и после многократной коммутации без электрической нагрузки. Среди известных способов повышения электропрочности вакуумных промежутков наиболее эффективна тренировка электродов пробоями,

которая проводится постепенным увеличением напряжения на тренируемом промежутке до величины, в 2-3 раза превышающей номинальное напряжение. У ВВГК это вызывает интенсивное распыление материала контактов, что обусловлено резкой неоднородностью электрического поля у тонкостенных электродов. Стремление к миниатюризации ведет к тому, что пробивное напряжение промежутков в вакууме у ряда типов ВВГК соизмеримо с напряжением пробоя по внешней поверхности их диэлектрической оболочки. В этих условиях тренировка напряжением в 2-3 раза выше номинального оказывается неприемлемой.

Прохождение высокочастотного тока через контактный переход обеспе-ивает поверхностный слой "а-пятен", определяемый глубиной проникновения поля высокой частоты в проводник. Эффективное рабочее сечение контактного перехода на высокой частоте традиционно увеличивают повысе-нием контактного нажатия. У ВВПК это приводит к диффузионному свариванию контактов и потере работоспособности. Диффузионное сваривание и "сухое" трение соприкасающихся в вакууме поверхностей электромагнитной системы управления уменьшает передаваемое на контакты усилие и приводит к нарушению работы ВВГК. Применение твердых смазок не ревает проблему, так как наличие их частичек вызывает заклинивание подвяжных элементов и электрические пробои между контактами. Более эффективные меры по устранению отмеченных недостатков не- были известны.

Результаты рассмотрения достоинств и недостатков известных на начало работы конструкций вакуумных приборов коммутации и попыток их усовершенствования показали, что несмотря на сравнительно большое количество предложенных конструкций, ни в одной из них проблема существенного повышения параметров не была реиена. Это определило необходимость изыскания новых шкпрукторских к технологических решений для реализации совокупности предъявляемых к отечественным ВВПК высоких технических требований. Создание отечественных ВВПК с повышенными рабочими частотами и пропускаемыми токами требовало установления аналитической взаимосвязи сопротивления и индуктивности замкнутых контактов на высокой частоте, а также пропускаемого тока высокой частоты с размерами элементов ВВПК и контактным нажатием. Кроме того, специфика конструкций ВВПК и применяемых в них материалов определили необходимость изыскания и исследования методов обеспечения высокой электропрочности их межконтактного зазора в вакууме и стабильности ее при длительной эксплуатации.

Основой разработки вакуумных приборов являются аналитические выражения, устанавливающие взаимосвязь важнейших параметров с размерами и расположением основных элементов. По результатам расчета такие соотношения позволяют определить варианты конструкций, которые в

важбольвв! степей удовлетворяет совокупности задававши требован*!. Для расчета ВВПК подобные соотношения отоутотвовали, что определяло необходимость IX получения.

С учетом отмеченных нерешенных проблем обоснованы к сформулированы основные задачн диссертационное работы.

Во второй главе разработана математическая модель я проанализированы факторы, определявшие частотные характеристики и пропускаемый ток ВВПК, и исследованы предложенные пути повышения рабочей частоты ж пропускаемого тока.

К основным физическим процессам к факторам, ограничивавдим предельную рабочую частоту х допустимый ток ВВПК, относятся скин-эффект на электродах и в контактной зоне, разогрев деталей током высокой частоты, влияние собственных индуктивности, емкостей и активного сопротивления контакт-деталей е& полков сопротивление ВВПК на высокой частоте. Частотные свойства ВВПК характеризуются комлексным (полным) сопротивлением и собственной резонансной частотой, а пропускаемый ток определяется активным сопротивлением замкнутых контактов на высокой частоте.

Анализировалась наиболее перспективная конструкция ВВПК, в которой коммутируется неподвижный цилиндрический контакт с плоской контактирующей поверхностью и плоский подвижный контакт с контактирующей поверхностью в форме полусферы. Полное сопротивление замкнутых контактов ВВПК определялось по потоку мощности высокой частоты, проходящему последовательно через токопроводники и зону контактного перехода в вакууме, поскольку такой подход обеспечивает более высокую точность анализа. Задачей анализа являлось определение полного сопротивления цепи замкнутых контактов на высокой частоте по заданной их геометрии. Искомая величина, очевидно, равна сумме комплексных сопротивлений цилиндрического стержня 2ц(«) радиусом г , длиной 1ц, электропроводнос-

о

ты> íu и магнитной проницаемостью рц; прямоугольной пластины Zn(w) длиной Ln, шириной h, толщиной t, электропроводностью ¡Гп и магнитной проницаемостью ра и контактного перехода в вакууме Zmi(w). В основу вывода их формул положена теорема Умова-Пойтинга в интегральной форме. С учетом шероховатости поверхностей при волнистости элли-псного типа получены следующие выражения для комплексных сопротивлений элементов замкнутых контактов ВВПК на высокой частоте:

(1 + j)/uLr ЕОСв)Е(Ки)

Z4(w) -- , (i)

®5ц[2г -№b+Rz) ]Е(Кпр.в)Е(Кпр.м) о

2

(1 + j)/n Lr E(kb)E(Ri)ctli C(i+j)t/2fil]

Zn(w) -- , (2)

2&[ (Ш )-(№+Hz) ]Е(Кпр. в)Е(Кпр.м)

2(l+jfu a cth[2(l+j)]

о (i+j)(f4 + .рп)(<$ц + in)

Zot(w) --+ -+

ir(h - а )5ц 4 fla

oo о

2 /2 2 (i-j)Ai R /R - a

V Q

+--, (3)

2 (j-1) ctg[(j-t)R/&]

24 Ha <Гп{1---*

о й

где Е(Кв), E(K;,i) , Е(Кпр.с) и E(Knp.u) - полные эллиптические ввтегра-

2 2 2 2 лы Летандра первого рода; Kb = 1 - 4(Wb/Sb) , Км = 1 - 4(Rz/Su) , 2 2 2 2 Кпр.в = i - 4(i:np.B/Snp.B) , Кпр.м = 1 - 4(Rz/Snp.M) ; Wb, йпр.в к

2

Rz -высота, Sb, Su и S пр.в - Ear микронеровностей; f = 1/ttpXt; f= 1 /<T;R, h , a - радиусы полусферы контакта, плоскости s зовы ко-0

нтакткровгкяя; Lr - геометрическая длина токопроводников.

Из анализа формул (1-3) следует, что для снижения полного сопротивления цопи зажнутьк контактов ВВПН на высокой частоте токопроводше-K2I долзны иметь большой периметр, малую длину, высокув чистоту обработки токопроводящкх поверхностей и быть выполнены из высохопроводящего неыапгатного металла. Причем, в дополнение к отмеченному, сами контак-

та долены &ЛЪ ВШЮЛЕвЁЙ вз металла, склонного к пластической двфорка-цза, пли киоть бондов квЗЗяество зон контактиромння.

Tarnt образом, в результате теоретического анализа установлена взаимосвязь полного сопротивления замкнутых контактов ВБГО с геометрвчес-ш размерами токопроводников, обработкой кх поверхностей, физжческя-ш свойствам! их материалов и контакта нажатием; Основным направле-ешз вошзанкя рабочей частоты и пропускаемого тока по результатам ана-лкза является поиск ревений по увелнчонкю эффективного рабочего сечения т васокой частоте токопрсводавсов я кскгактного перехода в вакуума без увеннчгшм массы и габаритов БЕИЙ.

В сравнении с токопроводишш гона контактного перехода имеет су-ROGTESEEO шншаа аффективное рабочее сечение на высокой частоте, поэтому допустимая ток (I) через замкнутые контакты БВПК в значительной кзрэ определяется контактным переходом в вскуумэ. С учетом отмеченного дзз расчета допустимого тока ВБПК в работе получена следующая формула:

/

/ в (Лц 4 Яп)Тк \/2 Тц йС^ц +рй)

I «Оа \ /- , (4)

о \ / _ _ __ _

V Ка(«[4а \/2 йц й(Гц +Гп) 4 V я(\Дц + V Гп)] о

где Яц в Яп - коэффициенты теплопроводности цилиндрического и плоского тсЕопрово£Гт:ов, Тк - допустимая температура контактной зоны, Еа(Г)-акташ» сопротивление зош контактного перехода в вакууме на высокой частоте, величина которого определяется действительной составляющей из соотношения (3).

В коцаых ВБПК используются цилиндрические токопроводники-контакты, поскольку это обеспечивает компактность конструкции. Повышение их эффективного рабочего сечения на высокой частоте за счет увеличения диаметра неэффективно, ибо при увеличении тока в 2 раза диаметр токопроводни-к& увеличивается в 2 раза, а межконтактная емкость БВПК в 4 раза при одновременном увеличении массы и их габаритов. Разрешить противоречие позволяет выявленная при теоретических исследованиях возможность увеличения периметра путем специального профилирования токопроводников в направлении пути тока высокой частоты. Экспериментально доказано, что выполнение пазов или разрезов вдоль образующей цилиндрических проводников в 1,5-2 раза повьшаег их эффективное рабочее сечение при сохранении габаритов и емкостей ВВПК. Разновидностью таких токопроводников являются радиаторные, звездообразные и многопроводниковые из пластин и трубок токопроводники. При этом наличие разрезов вдоль образующей у

тонкостенного цхлоцрзчэского токопроводника обеспечило прохождение тока высокой частоты по внспнаЯ и внутренней его поверхности.

Осевое перегоняв подвесного контакта, расположенного на сильфо-не, обеспечивает компактность мощных ВВПК. Поскольку в этом случав сильфон одновреионно выполняет функции гибкого силового элемента оболочка и высокочастотного токопроводника, возникают противоречивые требования к его габаритам, ибо его диаметр должен быть малым для обеспечения ¡дикудльного противодействия перемещению подвижного контакта при атмосферном давлении и большим для создания низкого сопротивлени прохождению тока высокой частоты. Как показала практика, компромиссное разрешение противоречия не позволяет получать высокое качество ВВПК в области большое (до 100 А) токов на частотах до 100 МГЦ. Мощность, затрачиваемая на управление подвижным контактом ВВПК, оказывается олеэссы большой. К тому аэ сикается надежность приборов, поскольку ток высокое частоты разогревает сильфон, вызывая повышенную даффузню газа чэрэз его стенки внутрь ВВПК а снижая механическую циклощючность. Для устранения отмеченных недостатков предложено принципиально новое техническое реве-н::е, состоящее в разделения функций токопроводящего и силового элементов. С поиощью двух коаксиально расположенных сильфонов, один 18 которых является проводником тока высокой частоты, а другой - гибким эхмеэ-птсм вакуушлотной оболочки, и одновременным выполнением разрезов на токопроводшах а токопроводящем сильфоне, обеспечивается повышение рабочей частоты мощных ВВПК с 2 до 30 НГЦ и тока с 20 до 100 А. Замена тонкостенного токопроводящего сильфова трубчатым токопроводакком в 2-3 раза ушньзает путь тока высокой частоты и в десятки раз'увелэтиает сечэннз теплоотвода, что способствует повышению пропускаемого тока высокой частоты до 500 А. Разгрузка мембраны в малогабаритных ВВПК с помощью П-образного токопроводника повывает их рабочую частоту с 30 до 80 МГц и ток с 5 до 10 А при сохранении габаритов.

С покощью рентгено-телевизионного микроскопа обнаружено, что в мощных ВВПК повышенное сопротивление контактного перехода в вакууме обусловлено контактированием в одной локальной зоне, а не по всему периметру торцев из-за несоосности контактов и неплоскостности их торцевмх поверхностей. Установлено, что при выполнении контактов из метилов о различной твердостью, за счет пластической деформации более мягкого металла сопротивление снижается на порядок при механической приработке контактирующих поверхностей в интерзале до 10000 замыканий. В результате выявлена возможность повышения почти в 2 раза пропускаемого тока мощных ВВПК без увеличения гас габаритов и массы. Незначительное снижение сопротивления после 10000 замыканий обусловлено замедлением деформация из-за образования на контактирующей поверхности контакта из более мяг-

кого металла нагартованного слоя толщиной (3-6 }шсм с микротвердостью в 2-3 раза вше, чей вне. зоны контактирования. С цель» уменьшения контактного сопротивления и повкзэкия кадегаости контактирования также предложено применять шогоконтактные элеыенты в виде пружинящих лепестков над торцам нэподвезного контакта при токах до 100 А и дисковых заад«телей при токах более 100 А, что позволяет в 2-3 раза повысить предельную частоту или допустимы» ток при сохранении массы и габаритов ВЕПК. Экспериментально подтвергдэка эффективность предложенных технических ршений.

Результаты всследованвя факторов, определяющих частотные характе-" ристикв и пропускаемый ток, и предающее путей позшэнкя рабочей частоты и допустимого тока позволили сформулировать принципы построения ВВПК, предназначенных для многократной (более 200000) бестоковой коммутации радиотехнических цапей частотой до 100 КГц в пропускания тока до 500 А.

В первом подразделе третьей главы представлены результаты исследования конструкторских и технологических путей повышения электрической прочности ШШ и приведены установленные зависимости электропрочности их кеаосоктактного зазора в вакууме от количества замыканий для различных материалов контактирующих поверхностей.

Основным фактором, ограничивающим элвктропрочность ВВПК, является высокая напряженность электрического поля в межконтактном зазоре, обусловленная малой толщиной и сложной формой контакт-деталей. Для ее снижения предложено изгибать тонкостенные контакты в противоположном от зоны контактирования направлении. Это обеспечивает надежную работу ВВПК при токе до 100 А с замкнутыми контактами и при напряжении до 20 кВ частотой 30 МГц с разомкнутыми на 3,5 мы контактами. Выполнение контактной группы в виде двух трубчатых контактов, кольцевой зазор между которыми замыкается жесткими контактными элементами, снижает влияние острых кромок и более чем на 30?! повышает пробивное напряжение межконтактного зазора. В результате это обеспечивает надежную работу ВВПК с разомкнутыми на 5 мм контактами при напряжении до 50 кВ.

Экспериментально установлено, что при плавном увеличении напряжения на разомкнутых контактах или изменении его частоты, у макетов мо-щых ВВПК имеет место проплавление или треск диэлектрика оболочек. Эффект возникает только при высокочастотном напряжении, т.е. является следствием высокочастотного разряда в системе "металл-диэлектрик". По характерному признаку (Гх1 < 60 МГц см) он соответствует полифазному вторично-электронному разряду (ПВЭР). Модель его развития и перехода в плазменный разряд вдоль поверхности диэлектрика и дуговой разряд между контактами, представляется следующей.

При наличии поля высокой частоты энергия ускоренных им парзгшых электронов может превысить энергию, соответствующую первому критическому потенциалу вторичной эмиссии электронов. Из-за того, что диэлектрик оболочки (керамика ВК94-1, ВК94-2, стекло С52-1) имеет коэффициент вторичной электронной эмиссии больше единицы, поток вторичных электронов будет больше первичного. В результате бомбардируемая электронами локальная зона на поверхности диэлектрика оболочки приобретает положительный потенциал, поскольку эта зона изолирована диэлектриком от высоковольтных электродов. Как только ее положительный потенциал окажется больие порогового значения, создаются условия для возникновения одноэлектродного ПВЭР. Этому способствует дополнительное ускорение электронов положительным потенциалом локальной зоны, возрастающим одновременно с ростом выхода вторичных электронов. Лавинообразное нарастание количества и повызевие энергии бомбардирующих диэлектрик оболочки электронов ведет к выделения в локальной зоне больного количества тепла. Оно вызывает интенсивное паро- и газовыделение из локально^ зоны. Ионизация этих паров и газов определяет переход ПВЭР в плазменный разряд по поверхности диэлектрика, что подтверждено наличием характерных зигзагообразных следов разряда на поверхности диэлектрика в вакууме, а затем в высокочастотный дуговой разряд между разомкнутыми контактами. В совокупности они приводят к тепловому разрушению (проплавленке, треску) диэлектрика оболочек, оплавление контактов и переносу часта нх металла в локальную зону, что выражается в ее металлизации перенесенный материалом контактов. В результате отмеченного ВВПК полностью теряют работоспособность. Предотвращение отмеченного путем увеличения промежутка между диэлектриком оболочки и электродами для ВВПК неприемлемо из-за резкого роста юс габаритов и массы. По результатам исследования эффективными ревевшая являются введение экранирующего электрода в промежуток между контактами и оболочкой и нанесение на ее внутреннюю поверхность полупроводящего покрытия из окиси хрома.

Применение в ВВПК тонкостенных контактных мостиков обеспечивает стабильное замыкание цепи при минимальной мощности электромагнита. При воздействии механических и электростатических сил концы такого мостика изгибаются, уменьшая межконтактный зазор и снижая его электропрочность. Показано, что установление параллельно мостику со стороны зоны контактирования упругого или жесткого ограничителя существенно повышает электропрочность иежконтактного зазора при сохранении надежности контактирования, массы и габаритов ВВПК.

Экспериментально обнаружено снижение электропрочности иежконтактного зазора после высокотемпературного обезгаживания ВВПК. Показано, что

обусловлена это умеваденяем зазора вследствие деформации тоюсосген-вых эдемеитов ободок* под деЯствием атмосферного давленкя. Для устрашай «того в работе предложен и исследован способ откачки и отжига ВВПК по схеме "вакуум-вакуум".

Снижение злектропрочности ВВПК при эксплуатации обусловлено физяче-сгами процессами, происходящими на контактирующих поверхностях при пропускании тока высоко! частоты через замкнутые контакты, при напряжении высокой частота на разомкнутых контактах и при длительной их коммутации. К осяовнш из них относятся механически! перенос, деформация, износ и сваривание материала контактов, миграция загрязнений, рост нитевидных образований ж микроострий. Их влияние эффективно снижает тренировка вакуумного промежутка электрическими пробоями. Показано, что из-за конструктивных особенностей, применяемых материалов и режимов эксплуатации способы тренировки пробоями других классов высоковольтных электровакуумных приборов неприемлемы для ВВПК.

Разработан ряд способов высоковольтной тренировки различных типов ВВПК. Среди нос тренировка разнополярными импульсами напряжения обеспечивает одинаковую обработку поверхностей обоих контактов. Совмещение тренировки с отжигом снижает адсорбцию выделяющихся из контактов при пробоях газов на горячих поверхностях внутренней арматуры, что способствует обеспечению надежной работа ВВПК с разомкнутыми контактами при напряжении до 20 кВ частотой ВО КГц в течение ЗООО ч. Показано, что защита ВВПК при тренировке срезающим разрядником, уровень срабатывания которого на 20-30?£ выше максимального напряжения при тренировке, предотвращает повторные пробои от перенапряжений, возникающих вследствие индуктивности цепи при пробоях в ВВПН. В совокупности со снижением разру-вения поверхности электродов и адсорбции газов на поверхностях внутренней арматуры это способствует повышению долговечности ВВПК до 5000ч и обеспечению высокой электропрочности ВВПК на напряжение до 50 кВ.

Для ВВПК характерен случай, когда пробивное напряжение межконтактного зазора соизмеримо с напряжением пробоя по внешней поверхности ободочки, что обусловлено стремлением к их миниатюризации и улучшению частотных свойств. В этих условиях традиционная для вакуумных промежутков ВВПК тренировка при напряжении, существенно превышающем допустимое рабочее, оказывается неприемлемой. Разработан метод тренировки, не требующий значительного повышения напряжения. Он базируется на неотъемлемо присущей ряду типов ВВПК возможности сближения контактов и заключается в приложения к промежутку напряжения, близкого к рабочему, существенном (в несколько раз) уменьшении зазора и кратковременном (десятки секунд) зажигании слаботочного (единицы миллиампер) вакуумного разряда. Такой разряд оплавляет микровыступы до их основания,

благодаря времени его действия больпе дяительяоети пробоя. По результатам исследований максимальную элзктропрочность 18-20 кВ на 0,5 ш обеспечивает тренировка при токе разряда 2-3 иА для легкоплавких в 35 иА для тугоплавких иэталлов.

Изучена динамка изменения пробивного напряжения межконгактного зазора в процессе характерной для ВВПК многократной коммутации без тока. Выявлено, что основное повшанае пробивного напряжения происходит в пределах первых ЮООО замыканий для всех исследованных материалов контактов. Обусловлено это увеличением мэазеонтахтного зазора вследствие остаточной деформации контактов в момент удара при юс замыкании. По результатам исследования высокая электропрочность ыежконтактного зазора ВВПК сохраняется после 2 млн. коазутэдий, что подтверздает эффективность предложенных способов их тренировки. Для стабилизации электропрочности выявлена целесообразность упрочнения поверхности козтакта из более мягкого металла нанесекяои твердого покрытия (накладка) ила проведенном механической приработка контактирующих поверхностей путем конмутацот ВВШ поело отпая. В качество материала покрытия наиболее г££зктявяо щимзеоино молибдена или вояьфрана о никелем.

Результаты исследования прэдаогентых технических решигЯ по обес-пэчзнза высокой электропрочности ыэзкоатактного зазора а ее стабильности пра дгательиой коммутации позкгала возможность создания на их база отзчзстеенных ВВПК о суцэственш поеезншу рабочим напртенаеа (с 10 до 50 кВ).

Второй подраздел третьей главы посвящен исследована» способов по-вшгаши надежности электрического соединения контактов а сгайзгьноста передачи к ним механического усилия от электромагнита.

Показано, что наибольпез влияние на надежность контактирования в мощных ВВПК оказывают несоосность контактов, неплоскосгвость их тор-цев, механический перенос, деформация и сваривание контактов. У ВВПК со встроенным электромагнитом к этому добавляются люфты в подвивши соединениях и диффузионное сваривание соприкасающихся и трущихся в вакууме поверхностей элементов. Надежность электрического соединения обычно достигают увеличением контактного нажатия. Для ВВПН это неприемлемо из-за повышения вероятности диффузионного сваривания контактов и резкого увеличения массы и габаритов приборов.

Рассмотрены предложенные и успешно опробованные новые способы повышения надежности контактирования ВВПК, предназначенных для работы при повышенных рабочих частотах и токовых нагрузках, когда необходима большая площадь действительного контактирования.

Одна из двух групп способов направлена на обеспечение надежного

•»ктрнческого соединения контактирующих поверхностей. Установлено, что выполнение контактов из металлов с разной механической твердостью я механическая их приработка в течение 10000 замыканий на порядок уменьшает сопротивление замкнутых контактов. Образование при врщжботее на контактной поверхности контакта из более мягкого метам* "наклепа" обеспечивает (150-200)тыс. замыканий без сваривания контактов, но ограничивает действительную площадь их соприкосновения на уровне,.достаточной для надежного пропускания тока до 60 А частотой 30 МГЦ.' Покрытие контакта из более мягкого металла молибденом с никелем обеспечивает более 300 тыс. коммутаций при сохра-кеши тожопропускной способности 6БПК. Нногоконтактные элементы в идо шоголепестковой пластины или секционированного замыкателя с пстшж подпружиненными контактами в форме дисков обеспечивают шдежяов пропускание тока до 500 А на частоте 0,2 МГц при количеств«-коммутаций до 5 клн. Качественное электрическое соединение у ЩИ со встроенным электромагнитом при токе до 20 А и число коммутаций более 1 млн. обеспечивают упругие контакты в виде одного или двух Ь-образных идя плоских контактных мостиков. Этому способствуют разработанные способы установления контактного нажатия при сборке -{ВПК ко разности напряжения отпускания якоря электромагнита в нагруженном и ненагруженнои его состояниях или по величине вршзни дребезга контактов при их замыкании.

Другая группа способов обеспечивает надежность передачи механического усилия к контактам от электромагнита. К этой группе относятся такие технические решения, как покрытие трущихся и соприкасаются в вакууме поверхностей деталей электромагнита окисью хрома и выполнение оси вращения из диэлектрика, что затрудняет возможную ори больших локачьвых усилиях диффузионную сварку деталей в условиях высокого вакуума; применение двойной и тройной степени свободы вращения якоря, снижающей вероятность отказов из-за заклинивания или сваривания; введение в конструкцию регулировочных и фиксирующих элементов для установления контактного нажатия и ограничения паразитных люфтов в подвижных соединениях.

Показано, что минимальное сопротивление контактного перехода достигается у контактов из мягких металлов (медь) и покрытий (молибден с никелем), которое практически не изменяется в течение длительной коммутации и увеличивается перед границей коммутационного ресурса. У контактов из твердых металлов и покрытий (вольфрам и молибден) сопротивление выше и изменяется в более широких пределах. Определяется это меньшей "прирабатываемостыо" твердых металлов, большим их удельным электрическим сопротивлением и наличием кон-

ктного перехода между осногим цэталлсы я покрытием (вмаадко*). этому при пропусками тока высоко! частоты ВВПК с таша конта-амя греются белька, чаи а случае контактов из кягах метилов.

Полученные результаты исследований позволили определить пут* >здаяня отечественных ВБПК с надежным пропусканием высокочастотно тока до 100 А и более в интервале 200 тыс. и более кошутацй,

В четвертой главе сформулированы требования к материалом I обо-яовая их Еыбор для основных элементов ВВПК. Представлен адгората роектирования ВВПК по заданным техническим требованиям я даны леыевты расчета тскопрозодяда элементов, контактного кала тая, ежэлектродных емкостей и электромагнитных систем управления ВВПК.

Для рабочих режимов ВВПК характерно наличие мощного электроыа-ниткого поля высокой частоты, высоких рабочих напряжений я боль-ях токов высокой частоты через замкнутые контакты. В совокупности ! требованиями по долговечности, количеству коммутаций, йвтроде-!ств1Ш и стабильности параметров при длительной эксплуатации габаритам и массе, это определило сложность выбора материалов дм основных элементов ВВПК. В этой связи при выборэ материалов учитывался комплекс свойств, включающих: электрические, вакуумные, термические и механические характеристики, а также технологичность выбранных материалов. Наиболее подходящими являются следующее ыатори-лы: керамика ВК94-1, БК34-2 я стекло С52-1 для вакуумной обскочи; пары контактов кэдь КБ (КВ)-бронза БрБ2, медь-молибден Ш, бронза-молибден; вольфрам ВА, вольфрамо-реняевый сплав ВР-27ВП и молкбдено-рениевый сплав МР-47ВП для возвратных пружин; низкоуглеродасткв стали и пермаллои вакуумной плавки для деталей магннтопровода электромагнита; самарий-кобальтовый сплав КС-3? для постоянных магнитов; сплавы ЗЗНХТЯ и МР-47ВП для сильфонов и мембран; молибден и сапфир для осей вращения якоря электромагнита и подвижного контакта.

На основе теоретического анализа факторов, определяющих частотные характеристики и пропускаем ток, результатов исследования технических решений по повышению пропускаемого тока и рабочей частоты, обеспечению высокой электропрочности неконтактного зазора и ее стабильности при длительной эксплуатация, достижению надежного контактирования и стабильного срабатывания при длительной коммутации сформулированы принципы и разработаны основы проектирования ВВПК о диапазоном рабочих частот до 100 КГц, пропускаемых токов до 500 А я рабочих напряжений до 50 кВ. Разработан алгоритм проектирования, оптимизирующий процесс создания ВВПН по заданным техническим тре-. бованиям. Он включает в себя ряд взаимозависимых и влияющих друг

ва друга операций, выполняемых в определенно!! последовательности. Согласно алгоритму проектирование каждого конкретного БВПК начина« _тся с детального анализа комплекса предъявленных к нему техначесю требования для определения его принципиальной схемы и предварител! него выбора материалов для основных элементов. На база выбранной принципиальной схемы, известных к найденных новых технических ре-венвЗ разрабатывается варианты конструкции создаваемого ВВПК. По результатам их сравнительного анализа определяется наиболее перс-пвктввные варианты для дальнейший проработки. ' Наряду о выбором принципиальной схемы конструктивного исполнения и разработкой вариантов конструкций на ее основа, проектирование ВВПК включает и расчеты этих вариантов. В этой связи требоваж найти аналитические ссотнонвюи, позволяющие рассчитывать основные элементы конструкции БВПК, контактное нажатпз, иааэлвктродные промежутка и емкости, а также электромагнитную систему управления.

Тепловой ремм работы ВШ при пропускании тока высокой частот) зависит от омического сопротивления цепи замкнутых контактов ВВПК высокой частоте, которое определяется геометрическими размерами т< копроводннков к контактным нааатиэы. В результате решения диффере: цшьша теплового баланса для замкнутой в вакууме конп

ктяо2 парыПшуефэра-шюскоетъ получены следующие выражения для рг очота перзуэтра П и длины I гокопроводаика, а также контактного вагвш Гг по заданному току высокой частоты КГ):

/ / Иту.пр - То)

/ /-

N / Л V Г Ко(1 + огТу.пр) Ту.пр - То 4/3 , («

\ //°о(1 + оОу.пр)

П = Ш)\ /-

при Ь=1 см, (5

V Ко £ СТу.пр - То)

/

1 = \ /• V

КГ)

[1п

Ткз - Ту.пр

2

КТ1Г1 <П(Нбц + Нбп)(йц +&0

2 К + Км ЕвЗ + У2 1(Г)1п(—3

Гк » Кв[

64 Тк Ы & (Лц +Лп)

а

о

где Ко - коэффициент теплоотдачи, о(.- температурный коэффициент сопротивления материала токопроводаика; Ту-пр. Гк и То - температура токо-проводника, зоны контакта и окружающей среда, g - ускорение силы тяжести, о -масса подвижных элементов контактной группы я электромагнита; Ки, Кт и Км - коэффициенты увеличения контактного нажатия, учитывающие износ в подвижных сочленениях, надежность пропускания тока и стабильность работы при механических нагрузках; Нбц и Нба - твердость по Бри-нелю материала цилиндрического я плоского контактов.

В результате теоретических и экспериментальных исследований для определения длины Lh внешних изоляционных промежутков ВБПК предложена следующая формула:

La = КэКфКвКтКч Шсп/Кд Епр, (8)

где Кз, Кф, Кв. Кт, Кч и Кд - коэффициенты, учитывающие: запас между пробивным и испытательным №сп напряжением; форму электродов; влажность, температуру и давление окружающего воздуха; частоту рабочего напряжения; Епр - напряженность электрического поля, при которой наступает пробой по поверхности диэлектрика оболочки.

Показано, что в связи с многофакторностью системы мехконтактшЗ зазор в вакууме следует предварительно рассчитывать по известным, для различных конфигурация электродов и длин промежутков, эмпирическим соотношениям, а затем уточнять его по результатам исследований и испытаний экспериментальных макетов ВВШ с выбранной конструкцией контактной группы.

В основу расчета межэлектродных емкостей ВВПК положен принцип составлегия эквивалентных электрических схем распределения частичных емкостей при замкнутом и разомкнутом положении контактов. Решались они методом контурных токов с применением метода комфорных преобразований, для приведения элементов сложного профиля к одному из простых. Полученные в результате выражения для расчета емкостей (Смк-межконтактная, Сзк-замкнутые контакты-корпус) ВВПК различного конструктивного исполнения имеют следующий вид: - вакуумные выключатели со встроенным электромагнитом (В1В-1, и др.) и расположением выводов на боковой поверхности диэлектрика оболочки:

Ст1{Ст2 + Скп +Си)

Смк = Ст + 2(Св + Сбв + Свк + Со) +---;-,

Ст1 + Ст2 + Скп + Си

Ст1(Ст2 + Скп +Си) Csx ■ 2(Ce + Co) + -

Cri + Ст2 + Скп + Си (9)

- вакуумные переключатели со встроенный электромагнитом (П1Д-1, П1Д-; и др.) и расположением выводов на боковой или торцевой поверхности даздеттрзка оболочки:

где Сэ1 = 2Сбв + Срп + Срз , Cal Сэ2 (CplKp + Ср2кр)(Скр1п + Скр2п + Спкр)

Сия = Сг +- , Сэ2 ---- ••'•'• ••• ••• -

Сэ1 + Сэ2 Ср1кр + Ср2кр + Скр1п + Скр2п.+ С,

Свк + Сэ1 Сэ2 Ст(Стк1 + Стк2)СзЗ

Сзк в Со 4-+- , где

Сэ1 + Сз2 Ст + Стк1 + Стк2 + СэЗ

(10)

(Ср1кр + Ср2кр) (Cspin -f Скр2п) СэЗ -- ;

Ср1кр + Ср2кр + Скр1п + Скр2п

- ВВПК на включение и переключение стержневого типа (П1Д-2, В1Д-2 и др.):

( Со + Свп + Ст1 + Ст2 + СтЗ)(Со ■(- Си + Спк1 + Спк2)

Смк = —- ,

2Со + Си + Спк1 + Спк2 + Стк

(11)

Сзк = 2 Со + Си + Спк1 + Спк2 + Стк.

Частичные емкости в (9-11) рассчитываются по известным формулам в преобразованной для ВВПК виде, а индексы в них означают наименование соответствующих элементов ВВПК.

Разработанные метода расчета элекентов конструкций и основных параметров позволяют оценивать варианты конструктивного исполнения BBIÏ до их макетирования и выбирать наиболее перспективные конструкции m обеспечения заданного комплекса технических требований.

В пятой главе рассмотрены конструкции и технология серийного изготовления 10 типов ВВПК, созданных на база проведенного исследования i предложенных новых методов повыаения рабочей частоты, допустимой токовой нагрузки, электропрочности и надежности, с применением разработанных в настоящей работе основ проектирования и расчета данного клас

са вакуумных приборов. Среди разработанных ВШ три особо моцаых высокочастотных вакуумных выключателя без привода я семь ымога&фжтных высокочастотных вакуушшх выключателей я переключателей о электромагнитной системой управления нейтрального и поляризованного "Шбэ.

Экспериментальные исследования определили компановку мощных ВВПК в торцевым контактированием и коаксиальным расположением трубчатых то-копроводников и диэлектрической оболочки. Совместно с разгрузкой силового сильфона от высокочастотного тока это обеспечило наилучшую компактность созданных в работе могршх вакуумных выключателей В7В-1, В9В-1 и В15В-1.

При создании малогабаритных ВВПК необходимо было обеспечить минимальные емкости, высокую стабильность контактного сопротивления, электропрочности и срабатывания при длительной коммутации. Требуемую их компактность обеспечило расположение высоковольтных выводов по боковой я торцевой поверхности оболочек и применение электромагнитов броневого тала.

Разработанные ВВПК обеспечивают бестоковую коммутации высокочастотных цепей в диапазоне до 80 МГц, пропускание через замкнутые контакты высокочастотного тока до 500 А при напряжениях до 50 кВ, что соответствует предельным параметрам лучших зарубежных образцов ВВПК. В настоящее время 8 из 10 созданных ВВПК освоены в производстве и выпускаются серийно.

Для созданного ряда ВВПК установлены экспериментальные зависимости пропускаемого тока и рабочего напряжения от частоты, давления и температуры окружающего воздуха. Отмечено хорошее совпадение их с рассчитанными по полученным в работе аналитическим соотношениям. Отклонение до 13% имеет место только у нижней границы частотного диапазона, что обусловлено увеличением контактного сопротивления из-за сил электродинамического расталкивания контактов.

Выявлено существенное влияние величины напряженности и направления внешнего магнитного поля на напряжение срабатывания ВВПК. Наиболее существенно (в несколько раз) оно изменяется при совпадении или противоположном направлении внешнего магнитного поля относительно собственного магнитного поля электромагнита ВВПК. Для нормальной работы ВВПК допустимая величина внешнего магнитного поля не должна превышать двух эрстед при параллельном и пяти эрстед при перпендикулярном его направлении.

По результатам исследования наибольший коммутационный запас (до 10 млн. и более) имеют ВВПК с подвеской якоря электромагнита на оси из диэлектрика и с элементами, ограничивающими его люфты.

Созданные ВВПК представляют собой новый класс вакуумных приборов для радиотехнической и связной аппаратуры, изготовление которых вклю-

чает обще нда сходные элементы технологии изготовления высоковольтных электровакуумных праборов. В тоге время, разработка БВПК с расширенными диапазоаоми рабочих частот до 80 ЫГц, токов до 500 А и напряжения до 50 хВ потребовала решения и ряда специфических вопросов технологии, обусловленных особенностями конструктивного исполнения вакуумных приборов данного класса и применяемыми материалами для их основных элементов. С учетом этого, разработаны функциональные схеш технологи изготовления ВЫИ. Для их реализации разработаны способы сборка 83ПК и обеспечения качества, методы вакуумно-терютеской обработк высоковольтной трешровки и контроля параметров ВВПК, применительно к каадо! из созданных групп, и специфические элементы технологи кзготс вления возвратных пружин.

Результаты многократных всесторонних испытаний ВВПК при разработке и в серийном производстве подтвердили высокую эффективность предложен ных новых конструкторских и технологических ранений. Разработанные не тодакк контроля основных параметров ВВПК положены в основу отраслевог стандарта ОСТ В 11 0014-85.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Работа направлена на решение проблемы надежного, быстрого и удобно го переключения мощных радиотехнических цепей, вознишей в последние годы в связи с развитием и совершенствованием радиоэлектронной техник ва специальных в народнохозяйственных объектах. Для обеспечения этогс в данной работе создан новый класс отечественных высоковольтных вакуумных приборов: высокочастотные вакуумные приборы коммутации и среда них - вакуумные выключатели и вакуумные переключатели.

В ходе проведенного исследования проанализироваы факторы, определи iаде частотные характеристики, предельный ток ВВПК и электрическую пр чность. Исследованы физические процессы, определяющие надежность и дс говечность приборов в динамическом режиме при замкнутых и разомкнуты? контактах, а также при длительной коммутации без электрической нагруг Предложены и экспериментально опробованы новые конструкторские и техг логические решения, обеспечивающие возможность многократной (более 2С тыс.) бестоковой коммутации радиотехнических цепей, пропускания токое до 500 А,повышения рабочей частоты до 80 КГц и напряжения до 50 кВ. Сформулированы требования к материалам для основных элементов ВВПК. Разработаны основы проектирования и расчета ВВПК по заданным техни-

ким требованиям. Создан ряд из 10 типов ВВПК и разработаны технические процессы их изготовления, пригодные дхя серийного произ-ртва. Исследованы характеристики разработанных вакуумных приборов абочих диапазонах частот, давление и температур окружающего воза, а также при длительно! колутации.

Основные результаты диссертационной работы заключаются в следующем.

1. Проведен теоретический анализ взаимосвязи допустимого тока и ча->тных характеристик ВВПК с размерами электродов (контактов, токопро-даиков и др.), свойствами их материалов, состоянием поверхностей я {тактным нажатием. Показано, что основным направлением повшенжя до-гтимого тока и рабочей частоты является поиск конструкторских и те-злогических решений, обеспечивагащ увеличение эффективного рабочего гения токопроводников и контактного перехода в вакууме при малых шинах межэлектроднья емкостей, индуктивностей токопроводников,

:сы и габаритов ВВПК.

2. Предложен и опробован ряд технических решений, повышающих эффек-вное рабочее сечение на высокой частоте токопроводников ВВПК. Дока-во, что пазы и разрезы вдоль образующей цилиндрических и трубчатых оводников в 1,5-2 раза повьшают их сечение на высокой частоте при хранении габаритов и емкостей ВВПК. Показана эффективность разгру-

и гибкого силового элемента вакуумной оболочки от тока высокой ча-оты дополнительным токопроводником. При токах порядка 500 А частой до 30 МГЦ в качестве его предложено использовать дополнительный льфон или трубчатый токопроводник, расположенные в вакууме коакси-ьно силовому сильфону. Для ВВПК с мембраной на ток до 10 А я час-ту до 100 МГц предложено применять дополнительный токопроводник в де П-образного элемента. Экспериментально установлено, что приметив дополнительного токопроводаика повышает эффективное рабочее ¡чение, а соответственно, допустимый ток и частоту почти на порядок.

3. Разработан ряд способов повышения эффективного рабочего сечения штактного перехода. Показано, что многоконтактные элементы в виде эужинящих лепестков при токах до 100 А, дисковых замыкателей на прутах при токах свыше 100 А и механическая приработка контактов в 2-раза повшает предельную рабочую частоту или допустимый ток мощных ЗПК. Это же обеспечивают применение в ВВПК малой и средней мощности знтакта в виде Ь-образного мостика с дополнительной токопроводящей иастиной или в виде одного-двух пакетов тонких пластин из упругого лсокопроводящего металла.

4: Показано, что основнш фактором, ограязчиваизш электрическую прочность ВВПК, является высокая напряженность электрического поля в мехконтактноы зазора, обусловленная сложно! форьюй шш малой только контакт-деталей. Установлено, что изгиб упругих лепестков в противоположной от зоны контактирования направленна, применение гостких под пружиненных контактов, введение экрана между контактам и оболочкой нанесение на ее внутреннее поверхность полупроводяцего покрытия из окиси хрома позволяют повысить рабочее напряжение ВВПК до 50 кВ. Для малогабаритных ВВПК с напряжением менее 10 кВ необходимо устанавлива упругий или жесткий ограничитель деформации контактных пластин от действия механических и электростатических сил.

5. Разработаны эффективные способы высоковольтной тренировхи ВВПН заключавшиеся в применении разнополярных импульсов, в совмещении ее отжигом, в защите ВВПК от перенапряжений срезаюпцш разрядником. При соизмеримой электропрочности приборов по внешней поверхности оболочк и между контактами в вакууме тренировку ВВПК предлоаено вести при на ряжено, близком к рабочему, путем уменьшения в 1,5-3 раза мегконтак ного зазора и зажигания между контактами слаботочного (2-5 ик) высок вольтного (несколько кВ) вакуумного разряда длительностью (5-20)с пр высоком вакууме в объеме ВВПК. Показано, что упрочнение поверхности контактов из "мягкого" металла механической приработкой или нанесен® на нее покрытия из молибдена с никелем стабилизируют электропрочност ВШК в интервале более 2 млн. коммутаций. Этому ле способствует ваку умно-термическая обработка ВВПК по схеме "вакуум-вакуум", обезгажгаа иже контактов с помощью разряда в инертном газе или водороде и использование газопоглотителя из свободно спеченного порошка титана, по-выаащие одновременно и долговечность устройств данного класса до 5000 ч И более.

6. Установлено, что надежность электрического соединения контактов мощных ВВПК при длительной коммутации снижают: неравномерность контактирования торцевых контактов, деформация электродов, механический перенос и сваривание металла. При количестве зашканий до 200 тыс. и токе до 60 А частотой 30 МГц для обеспечения надекного электр ческого соединения предложено выполнять контакты из разнородных ыета лов, один из которых легче подвергается пластической деформации, покрывать поверхность контакта из более "мягкого" металла молибденом с никелем и механически прирабатывать поверхности контактов, после ва-кууыно-терьвгсеской обработки ВВПК. При увеличении коммутаций до 500 тыс. или тока высокой частоты до 100 А, надежность контактирования ВВПК обеспечивают контактные элементы в виде многолепестковой плао-

Основное содержание диссертации опубликовано в следующих работах:

1. Бочкарев B.C., Трущенко Э.В. Вакуумные коммутирующие устройства // Обзоры состояния отдельных вопросов радиоэлектроники.

- И.: Электроника. 1S63. Вып.91. - 30 е., ДСП.

2. Бочкарев B.C. Современные высоковольтные вакуумные электромагнитные реле // Обзоры по электронной технике. Сер.9. Радиокомпоненты. - И.: Электроника. - 1988. - Вып.8. - 38 е., ДСП.

3. Бочкарев B.C., Трущенко Э.В. Исследование состояния и сохранения вакуума в вакуумных выключателях в процессе их работы// Электронная техника. Серия 9. Радиокомпоненты. - 1969. - Вып.5. С.99-101.

4. Бочкарев B.C., Трущенко Э.В. Высокочастотная аякуумный выключатель // Электронная техника. Сер.9. Радиокомшженты. - 1989.

- Вып.5. С.95-99.

5. Бочкарев B.C., Трущенко Э.В. Обезгаживание контактов из тугоплавких металлов// Обмен опытом в электронной промышленности. - 1969.

- Вып.8. С.33-36.

6. Бочкарев B.C., Трущенко Э.В. Исследование длительности горения дуги в вакууме при отключении постоянного тока // Электронная техника. Сер.9. Радиокоипоненгы. - 1969. - Вып.5. С.93-102.

7. Бочкарев B.C., Морозов D.A. Некоторые вопросы расчета электромагнитных систем вакуумных реле. Труда конференции молодых специалистов. - Пенза, 1972. С.69-73.

8. Бочкарев B.C. Износ контактов в вакууме при работе с частотой отключений, кратной частоте переменного тока // Электронная техника. Сер.5. Радиодетали и радиокомпоненты. - 1978. - Вып.6(31).

С.108-111.

9. Бочкарев B.C. Влияние внешнего магнитного поля на работу вакуумных выключателей со встроенным электромагнитом // Электронная техника. Сер.5. Радиодетали и радиокомпоненты. - 1980.

- Вып.3(40). С.35-37.

10. Бочкарев B.C. Впаи молибденовых выводов в боковую поверхность цилиндрических оболочек из стекла // Электронная техника. Сер.7. Технология, организация производства и оборудование. - 1982.

- Вып.3(112). С.15-16.

11. Бочкарев B.C. Малогабаритный вакуумный переключатель П1Д-1// Электронная промышленность. - 1982. - Вып.1. С.33.

12. Бочкарев B.C. Особенности работы высокочастотных вакуумных выключателей и переключателей в высокочастотных цепях // Электрон-

вал техниса. Сер.5. Радиодетали и радиокомпоненты. - 1885. - Вып.4 (81). С.39-42.

18. Бочкарев B.C., Рыбии Г.Я., Ивакин Б.Ф. и др. Коммутационные устройства радиоэлектронной аппаратуры. -Ii.: Радио и связь. 1985,- 284 о

14. Бочкарев B.C., Коротченко В.А. Электропрочность мвжконтактнеге везор» вакуумных выключателей при длительной коммутации// Электронная тешка. Сер.5. Радиодетали и радаокомпокенты. - Вып. 2-3. 1992. С.42-46.

15. Бочварев B.C., Буц В.П. Контроль электрическихпараметров\ высокочастотных вакуумных выключателей и переключателе! // Электронная техника. Сер.5. Радиодетали к радиокомпоненты. - 1992. »

- Вып. ЙгЗ(е7-в8). С.45-51. /

18. Бочкарев B.C. Метода повышения токопропускной способной*'вы-сокочастогнис вакуумных выключателей//Электронная промышленность. .

- 1985,-Вш.1. С.41-48. .'

17. Бочкарев К.С. Стабильность омического сопротивления замкнутых контактов высокочастотных вакуушых выключателей при длительной ком-ыутации//Электронная проидаенность. - 1985. - Вып.2.

18. Бочкарев B.C. Взаимосвязь допустимого тока и частотных характеристик высокочастотных вакуумных выключателей с размерами токопро-водявдх элементов и контактным нахатием//Электрошш1 промышленность.

- 1985. - Вып.2.

18. A.c. 202271 СССР, Н01Н 33/88. Высоковольтный вакуумный переключатель/ В.С.Бочкарев. - Опубл. 14.09.1967. Бюл. N 19.

26. A.c. 213124 СССР, Н01Н 33/86. Вакуумный переключатель/ Б.С.Бочкарев, Э.В.Трущенко. - Опубл. 12.03.1968. Бюл. N 10.

21. A.c. 221103 СССР, HOIH 33/88. Высоковольтный вакуумный выключатель/ Б.С.Бочкарев. - Опубл. 01.07.1968. Бюл. N 21.

22. A.c. 221781 СССР, HOIH 33/88. Способ обезгаживпия контактов из тугоплавких металлов/ Б.С.Бочкарев, Э.В.Труценко. - Опубл. 17.07.1968. - BM.N 22.

23. A.c. 295152 СССР, НОШ 33/88. Вакуумный выключатель/ В.С.Бочкарев, Э.В.Труценко, Р.П.Голова. - Опубл. 04.02.1971. Бюл.Н 14.

24. A.c. 305517 СССР, Н01Н 33/88. Вакуумный выключатель/ В.С.Бочкарев, А.Т.Коновалов. - Опубл. 04.08.1971. Бюл. N 18.

25. A.c. 312316 СССР, Н01Н 33/68. Способ тренировки межконтактного зазора вакуумных выключателей высоким напряжением/ Б.С.Бочкарев, В.П.Буц, Н.С.Кузьшшов. - Опубл. 19.08.1971. Бюл. N 25.

26. A.c. 324885 СССР, Н01Н 33/68. Высоковольтный вакуумный выключатель/ Б.С.Бочкарев, А.Т.Коновалов.- Опубл. 23.12.1971. Бюл.И 2 за 1972.

A.c. 487417 СССР, H01H 33/68. Вакуумный выключатель/ чкарев, Э.В.Трущенко, Р.П.Голова. - Опубл. 15.04.1975. Бюл.Н 7. A.c. 544007 СССР, Н01Н 33/66. Способ сборки вакуумного [ателя/ В.С.Бочкарев. - Опубл. 25.01.1977. Бел. N 3. A.c. 551720 СССР, Н01Н 33/66. Высоковольтный вакуумный выключа-В.С.Бочкарев, Э.В.Трущенко, Р.П.Голова. - Опубл. 25.08.1977. И.

.A.c. 553893 СССР, Н01Н 33/66. Способ сборки вакуумного тателя/ В.С.Бочкарев. - Опубл. 05.04.1977. Бюл. N 13. . A.c. 562014 СССР, Н01Н 33/66. Вакуумный выключатель ого напряжения/ В.С.Бочхарев. - Опубл. 15.06.1977. Бюл. N 22. .A.c. 583494 СССР, Н01Н 33/66. Вакуумный выключатель/ очкарев, В.П.Еуц, С.Б.Криштаб. - Опубл. 05.12.1977. Бюл.N 45. . A.c. 588573 СССР, Н01Н 33/88. Способ обезгаживания контактов/ очкарев, В.П.Буц, Н.С.Кузьминов. - Опубл. 15.01.1978. Бюл. N 2. . A.c. 652625 СССР, Н01Н 33/68. Вакуумный выключатель/ :очкаре8, О.Б.Криштаб. - Опубл. 15.03.1979. Бюл.И 10. I. A.c. 662991 СССР, Н01Н 33/63, Вакуумный выключатель/ ¡очкарев, D.E.Крипта®. - Опубл. 15.05.1979. Бвл.К 18.

A.c. 693453 СССР, Н01Н 33/68. Вакуумный выключатель/ 5очкарез, А.Т.Коновалов. Опубл. 25.10.79. Бюл. N39.

A.c. 699585 СССР, Н01Н 33/66. Контактная система вакуумного зчателя/ В.С.Бочкарев, D.B.Kpwm6, M.K.Любимова, Г.П.Дурова. )Гбл. 25.11.1S79. Бюл.Н 43.

3. A.c. 710081 СССР, Н01Н 33/68. Способ тренировки межконтакт-зазора вакуумных выключателей высоким напряжением/ В.С.Бочкарев, Буц, Н.С.Кузьминов. - Опубл. 15.01.1930. Бюл. N 2. 9. A.c. 736203 СССР, Н01Н 33/68. Высоковольтный вакуумный выклю-ль/ В.С.Бочкарэв, В.П.Буц, О.Б.Криштаб. - Опубл. 25.05.1980. N 19.

0. A.c. ">48553 СССР, Н01Н 33/68. Высоковольтный вакуумный вык-.тель/ В.С.Бочкарев, В.П.Буц, Ю.Б.Криштаб. - Ойубл. 15.07.1980. N 28.

11. A.c. 799038 СССР, Н01Н 33/66. Способ тренировки мэжконтактно-¡азора вакуумных выключателей высоким напряжением/ В.С.Бочкарев. 1Убл". 23.01.1981. Бюл. N 3.

12. А.и. 825443 СССР, Н01Н 33/66. Высоковольтный вакуумный перек-1тель/ В.С.Бочкарев, В.П.Буц, Р.П.Голова, О.Б.Криштаб. ~ Опубл. 34.1981 Бюл.К 16.

43. A.c. S6S601 СССР, HOIH 33/66. Высоковольтный вакуумный выклю-ель/ B.C.Efчкарев. - Опубл. 23.09.1981. Бюл.И 35.

3-4

44. A.c. 888602 СССР, KOIH 83/68. Высоковольтный вакуумный выш чатель/ В.С.Бочкарев, В.П.Буц, Н.А.Коновченко, Л.А.Коновалова.

- Оиубл. 23.09.1881. БМ.К 35.

45. A.c. 883997 СССР, Н01Н 33/68. Высоковольтный вакуумный выклг чатедь/ В.С.Бочкарев. - Опубл. 23.11.1981. Бюл.И 43.

46. A.c. 892504 СССР, Н01Н 33/88. Высоковольтный вакуумный перек «ючатель/ В.С.Бочкарев, Л.А.Коновалова.- Опубл. 23.12.1981. Бвл.Н 4

47. A.c. 892505 СССР, Н01Н 33/68. Высоковольтный вакуумный перек чатель/ В.С.Бочкарев, Д.А.Коновалова. - Опубл. 23.12.1981. Бюл.М 47

48. A.c. 930415 СССР, HOIH 33/66. Способ обезгаяивания контактов В.С.Бочкарев, В.П.Буц, Емельянов А.А.,Н.С.Кузышов. Н.В.Татаринова

- Опубл. 23.05.1982. Бюл. Н 19.

49. A.c. 938089 СССР, Н01Н 33/68. Способ контроля контактного важатая в вакуумных выключателях/ В.С.Бочкарев, В.П.Буц. - Опубл. 15.08.1982. Бол. N 22.

50. A.c. 938327 СССР, Н01Н 33/68. Высоковольтный вакуумный перек двчатель/ В.С.Бочкарев, Л.А.Коновалова. - Опубл.23.06.1982. Бюл.И Z

51. A.c. 1072130 СССР, Н01Н 33/88. Высоковольтный вакуумный вшил чатель/ В.С.Бочкарев, О.Б.Крютаб, H.A.Кузнецов. - Опубл. 07.02.198-Вил.К 5.

52. A.c. 1143741 СССР, HOIH 33/68. Высоковольтный вакуумный nepei жвчатель/ В.С.Бочкарев - Опубл. 23.03.1985. Бюл-N П.

53. A.c. 1285874 СССР, Н01Н 33/68. Способ тренировки мехконтакт-вого sasopa вакуумного выключателя/ В.С.Бочкарев - Опубл. 23.l0.198i Бэл. N S9.

54. Патент 1286775 Pi, HOIH 33/88. Высоковольтный вакуумный выюя чатель/ В.С.Бочкарев.- Приоритет от 02.01.85. Действует с 28.05.93.

55. Патент 1758963 PS, HOIH 33/68. Высоковольтный вакуумный nepei яэчагель / В.С.Бочкарев.- Приоритет от 17.10.90. Действует с 11.08.S

58. Патент 2016438 PS, HOIH 33/68. Способ контроля контактного на тжя в вакуумных выключателях/В.С.Бочкарев. - Приоритет от 03.07.91. Действует с 15.07.94.

57. Равен» Роспатента от 28.10.93г. о выдаче патента РФ по заявя N93-002293/07, Н01Н 33/88. Высоковольтный вакуумный переключатель/ В.С.Бочкарев.