РУКОВОДСТВО ПО ПРИМЕНЕНИЮ И КОНСТРУКЦИИ ВЫСОКОВОЛЬТНЫХ РЕЛЕ.
Высоковольтные реле IVELVAC представляют собой коммутационные решения, необходимые, например, в медицинской, полупроводниковой и лабораторной технике. Наши высоковольтные реле герметичны, что обеспечивает прочную, компактную и эффективную конструкцию для большинства требовательных применений.
ПОЯСНЕНИЯ К КОНСТРУКЦИИ ВЫСОКОВОЛЬТНЫХ РЕЛЕ IVELVAC.
Высоковольтные реле IVELVAC обычно имеют внутреннюю якорную или мембранную конструкцию.
Внутренняя якорная конструкция.
На рисунке 1 показана типичная конструкция однополюсного двухпозиционного реле IVELVAC, используемая во многих сильноточных реле высокого напряжения. Якорь находится внутри герметичной керамической камеры, наполненной вакуумом или газом, а катушка находится снаружи этой камеры. В зависимости от применения переключателя внутри герметичной камеры используются различные материалы контактов. Вольфрам/молибден используется для коммутации под нагрузкой. Медные контакты имеют меньшее контактное сопротивление и используются в схемах с большим током в качестве проводника, например, для радиочастотных сигналов.
На рис. 2 показана та же конструкция, но со встроенным внутренним экраном, продлевающим срок службы реле. При коммутации нагрузки с помощью вакуумного реле материал контактов испаряется и осаждается, обволакивая внутренние стенки керамической оболочки. Со временем эти отложения снижают значение напряжения изоляции, что приводит к сокращению срока службы реле. С помощью внутреннего экрана, как показано на рисунке, можно влиять на долговечность реле. Отложения попадают на экран, а не на керамическую стенку, в результате чего срок службы реле во много раз превышает срок службы реле без экрана.
При подаче питания на катушку реле магнитное поле передается через полюс, проходящий через центр катушки, к якорю, расположенному внутри герметичной коммутационной камеры. Якорь перемещает общий контакт к нормально разомкнутым контактам. Пружина внутри герметичной камеры возвращает подвижный контакт в нормально замкнутое состояние при снятии напряжения с катушки.
Конструкция мембранного типа.
На рисунках 3 и 4 показаны реле IVELVAC мембранного типа. Контакты запаяны в камере в верхней части реле. Камера герметизирована пайкой сверху и диафрагмой внизу.
Внешние высоковольтные контакты являются неотъемлемой частью паяного уплотнения. Якорь реле находится под герметичной камерой (не показан). При подаче питания на катушку якорь перемещается, а керамический изолирующий стержень, прикрепленный к диафрагме, перемещает общий контакт к нормально разомкнутому контакту (небольшому стержню) внутри герметичной камеры.
На рис. 5 представлена одноходовая нормально открытая конфигурация. Верхний контакт (А3) открыт, а подвижный контакт (А2) находится внизу. На том же рисунке показано двойное реле. Нормально разомкнутый контакт находится вверху, нормально закрытый контакт — в центре, а подвижный контакт — внизу. В этом реле герметичная камера простирается от верхней части реле до диафрагмы, которая является подвижным контактом. И нормально открытые, и нормально закрытые контакты находятся в одной герметичной камере.
КОНФИГУРАЦИЯ КОНТАКТОВ РЕЛЕ.
Ниже приведены принятые в отрасли схемы и формы контактов реле, которые компания IVELVAC использует для большинства своих реле.
Один полюс, одно направление – нормально закрытый (SPST-NC) Form B
Один полюс, два направления (SPDT) Form C
Два полюса, два направления (DPDT) 2 Form C
Обозначения контактов высокого напряжения и контактов катушки:
А2 – подвижный контакт, иногда называемый «общим»
(COM); А3 – нормально замкнутый (NC).
Обозначение контактов катушки (катушки IVELVAC не чувствительны к полярности, если не указано другое):
X – для реле без фиксации;
X, Y – для реле с фиксацией (поляризованные, бистабильные).
Расположение контактов мембранных реле смотрите на рисунке ниже.
ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ МАТЕРИАЛЫ ВЫСОКОВОЛЬТНЫХ РЕЛЕ.
Герметизация реле имеет решающее значение для предотвращения загрязнения внутренних частей любого компонента. В настоящее время используется несколько технологий уплотнения для выполнения этой задачи. Важно то, что эти технологии герметизации позволяют точно контролировать внутреннюю среду переключателя, обеспечивая разнообразие диэлектрической среды. Выбор диэлектрика зависит от конструкции и предполагаемой основной функции изделия. Например, реле высокого напряжения предназначены для изоляции напряжения в минимально возможном пространстве и переключения малых уровней тока под нагрузкой. В этих компонентах в качестве диэлектрика обычно используется вакуум. Несмотря на то, что было внесено множество модификаций конструкции, позволяющих высоковольтным реле коммутировать более «тяжелые» нагрузки, включая использование различных газов в качестве диэлектрика, возможности коммутации остаются ограниченными. Сегодня в высоковольтной продукции IVELVAC используются два диэлектрических материала: вакуум и газ.
Вакуум в качестве диэлектрика.
Высоковольтные реле изначально предназначались для использования в радиочастотных цепях большой мощности. Они должны были быть как можно меньше, иметь низкие радиочастотные потери, иметь хорошую диэлектрическую изоляцию при номинальном радиочастотном напряжении и быть способными работать на различных высотах и в суровых условиях. Диэлектрическая прочность вакуума примерно в 8 раз выше, чем у воздуха. А поскольку в вакууме окисление отсутствует, то можно использовать медные контакты с низким сопротивлением, что позволяет проводить значительно больший ток, чем традиционным реле открытого типа. Эти небольшие вакуумные реле быстро получили признание и новые применения. Многие из вариантов применений требовали дополнительных возможностей переключения нагрузки. Чтобы выдерживать более «тяжёлые» нагрузки, конструкция реле была изменена и теперь включает версии с твердыми материалами контактов, такими как молибден и вольфрам.
Газ в качестве диэлектрика.
По мере того, как высоковольтные реле становились все более популярными, были разработаны другие варианты применения, в которых использовались преимущества материалов с твердыми контактами. Например, увеличенная пропускаемая коммутируемая мощность, используется в испытательном оборудовании электростатических разрядов, пробивных установках для кабелей, сердечных дефибрилляторах, а также в случаях, когда высокое напряжение не подается в течении длительного периода и нужен низкий и/или стабильный ток утечки. В высоковольтных реле используется смесь гексафторида серы (SF6) и азота, главным образом из-за особенностей поведения газа во время переключения. SF6 является отличным изолятором, но при замыкании контакта во время «дребезга», SF6 легко ионизируется и проводит ток дуги. Такая особенность делает реле «бездребезговым» и значительно снижает износ контактов.
СМЕННЫЕ КАТУШКИ РЕЛЕ.
Ряд реле IVELVAC обладает возможностью смены катушки. Клиенты могут самостоятельно заменить катушки реле в соответствии с приведенными ниже инструкциями.
Снятие катушки.
Крепко держите реле одной рукой. Необходимо использовать перчатки или чистую ткань, так как пот или влага с кожи пальцев может привести к пробою под высоким напряжением. Для очистки реле можно использовать 99% изопропиловый спирт или ацетон. Для реле GH необходимо использовать плоскую отвертку, чтобы открутить крепежный винт, расположенный между клеммами катушки. Соблюдайте осторожность, чтобы не погнуть или не повредить клеммы катушки. Для других серий: с помощью плоскогубцев необходимо снять стопорную гайку с накаткой, расположенную между клеммами катушки. Соблюдайте осторожность, чтобы не повредить трубку в центре рифленой гайки. Аккуратно вытащите катушку, держась за клеммы. Переверните катушку, чтобы извлечь круглую пружинную шайбу из полости катушки.
Установка катушки.
Поместите новую круглую пружинную шайбу в полость катушки так, чтобы изгибы шайбы были обращены к катушке. Следя за тем, чтобы круглая пружинная шайба не выпала, помещайте новую катушку в полость так, чтобы клеммы были обращены наружу от реле. Наденьте пластину, удерживающую катушку, на клеммы катушки. Выводы катушки не чувствительны к полярности, поэтому ориентация пластины не имеет значения. Для реле серии GH: удерживая узел одной рукой, вставьте и затяните винт крепления катушки. Соблюдайте осторожность, чтобы не погнуть и не повредить клеммы катушки. Затяните стопорную гайку с моментом максимум 0,3 Нм. Для других серий: удерживая узел одной рукой, вставьте и затяните стопорную гайку с накаткой. Будьте осторожны, чтобы не повредить трубку или выводы катушки. Затяните стопорную гайку с моментом максимум 0,3 Нм.
ТЕХНОЛОГИИ РАБОТЫ ВЫСОКОВОЛЬТНЫХ ВАКУУМНЫХ РЕЛЕ.
Вакуум — отличный диэлектрик. Однако, с течением времени вакуумное реле может проявлять снижение диэлектрической прочности. Обычно это вызвано выделением незначительного количества свободных ионов из металла или керамических материалов внутри реле. Как правило, это незаметно, поскольку при подаче номинального высокого напряжения свободные ионы заряжаются и осаждаются на внутренних стенках реле, подобно тому, что происходит в процессе вакуумного осаждения. Иногда при первом подаче высокого напряжения реле может «подтравливать», пока частицы не зарядятся. В других случаях некоторые реле не восстанавливаются самостоятельно и могут потребовать внешней обработки.
Следующая процедура объясняет технологию обработки таких реле (не относится к газонаполненным):
1. Подключите источник переменного или постоянного тока высокого напряжения последовательно с резистором 10 МОм,
микроамперметром и реле. Реле должно находиться на стороне заземления источника питания.
a. SPST, нормально разомкнутый — подайте номинальное «тестовое» напряжение между разомкнутыми контактами.
b. SPST, нормально закрытый — подайте напряжение на катушку и подайте номинальное «тестовое» напряжение между разомкнутыми контактами. Корпус должен быть заземлен.
c. SPDT — при включенной катушке подайте номинальное
«тестовое» напряжение между разомкнутыми контактами. Заземлите корпус и подключите к нему нормально разомкнутые контакты. Повторите процедуру при отключенной катушке.
d. DPDT — процедура аналогична SPDT. Провести для каждого полюса.
2. Погрузите реле в диэлектрическую жидкость. Можно использовать трансформаторное масло или Флоринерт (FC-77 производства 3М). Флоринерт быстро испаряется с поверхности реле, что делает работу намного чище.
3. Медленно поднимите напряжение до номинального
«испытательного напряжения». При максимальном напряжении, если ток утечки составляет менее 5 микроампер и в затемненном помещении не видно свечения, то вакуум хороший и дальнейшая обработка не требуется.
4. Если свечение возникло при напряжении ниже максимального, удерживайте напряжение чуть выше уровня возникновения свечения до исчезновения свечения. Это может занять пару минут. Затем сбросьте напряжение и снова поднимите его до начала свечения или до достижения максимального заданного испытательного напряжения. Если используется источник постоянного тока, измените полярность и повторите процесс.
5. При необходимости может использоваться обработка на уровнях, превышающих максимальное «испытательное напряжение» на 20 %.
ВНИМАНИЕ!: При напряжении выше 15 кВ в вакуумных реле возникает рентгеновское излучение. Обратитесь к следующему разделу, посвященному рентгеновскому излучению в вакуумных реле.
РЕНТГЕНОВСКОЕ ИЗЛУЧЕНИЕ В ВАКУУМНЫХ РЕЛЕ.
При напряжении выше 15 кВ все изделия, работающие в вакууме, включая вакуумные реле, могут излучать рентгеновские лучи, которые можно считать опасными. Это одна из причин, по которой мы рекомендуем использовать реле, заполненные газом. В этом случае электроны сталкиваются с молекулами газа и не могут накопить достаточно энергии для создания значительного излучения. При использовании вакуумных реле напряжением выше 15 кВ оборудование должно быть экранировано свинцом толщиной не менее 16 мм. Если экранирование невозможно, следует вывесить соответствующие предупреждения о рентгеновском излучении и внедрить программу радиационного рентгеновского мониторинга.
ТРЕБОВАНИЯ К ЗАЗЕМЛЕНИЮ ВЫСОКОВОЛЬТНЫХ РЕЛЕ.
В целях безопасности принято заземлять корпус всех высоковольтных реле. Для мембранных реле IVELVAC (U41, U43, U47 и т.д.) заземление не требуется. Это связано с тем, что внутри герметичной коммутационной камеры нет заземляющего слоя, на который может пробить дуга во время «горячего» переключения, а также потому, что внешнее расстояние до земли в сочетании с дополнительной изоляцией катушки превышает напряжение пробоя между контактами. Эти реле можно использовать в приложениях горячего переключения на любой стороне нагрузки (см. рис. 6).
Для реле с внутренним якорем (GH1, GH3, G50 и т. д.) корпус реле всегда должен быть заземлен (см. рис. 7), за исключением случаев, когда напряжение на контактах меньше указанного напряжения пробоя диэлектрика между катушкой и корпусом. Если напряжение «горячего» переключения превышает номинальное напряжение пробоя «катушка- корпус», реле ДОЛЖНО находиться на стороне заземления нагрузки, а корпус ДОЛЖЕН быть заземлен. Для напряжений «горячего» переключения ниже номинального напряжения пробоя «катушка- корпус» реле может располагаться с любой стороны нагрузки (рис. 8), при этом корпус не обязательно заземлять, но рекомендуется в целях безопасности.
ПАЙКА ПРОВОДОВ К ВЫСОКОВОЛЬТНЫМ РЕЛЕ.
Пайка проводов к высоковольтным реле IVELVAC — это просто. Керамика корпуса реле спекается при температуре выше 800°C, поэтому повреждений быть не должно. Однако, следует свести к минимуму количество тепла, флюса и припоя (см. рис. 9).
При пайке провода к контактам реле с якорной конструкцией сначала предварительно залудите провод (см. рис. 10). Контакт внутри уже залужен, поэтому для хорошего соединения не требуется большого количества припоя. Вставьте провод в контакт с припоем, но не до конца. Отверстие в верхней части контакта предназначено не для подключения провода, а для отвода тепла при пайке. Паяйте, используя
минимальное количество припоя (см. рис. 11).НИКОГДА не заполняйте контакт припоем полностью. Использование большого количества припоя может вызвать трещину в корпусе из-за разных коэффициентов расширения припоя и керамики. В этом случае реле потеряет герметизацию. Это может произойти сразу или со временем, когда к реле будет приложена нагрузка.
Удалите весь флюс после пайки. Флюс, оставшийся снаружи реле, может привести к снижению и потере изоляции. Не используйте флюс, содержащий кислоту, так как это может повредить керамическую поверхность реле.
