ПЛАЗМОЭРОЗИОННЫЙ РАЗМЫКАТЕЛЬ Российский патент 1995 года по МПК H05H1/00 

Изобретение относится к электротехнике, а именно к коммутирующим устройствам для выключения и переключения импульсных токов и может быть использовано в народном хозяйстве в качестве аварийных выключателей в энергетических установках и в экспериментальной технике для получения больших мощностей.

Известны плазмоэрозионные размыкатели [1] содержащие вакуумную камеру, источник импульсного напряжения, подключенный к коаксиально расположенным электродам, систему радиально расположенных плазменных пушек. Основным недостатком их является нестабильность работы и сравнительно низкий КПД передачи энергии в нагрузку, обусловленные самопроизвольным ростом индуктивности плазмы в результате развития неустойчивости по отношению к росту индуктивности.

Наиболее близким из известных технических решений к предлагаемому является плазмоэрозионный размыкатель [2] Известный размыкатель содержит вакуумную камеру, источник импульсного напряжения, подключенный к коаксиально расположенным электродам, систему радиально расположенных плазменных пушек, причем центральный электрод выполнен в виде спирали, угол захода которой определяется выражением
90^°>α>arcsin где σ_пл, σ_м электропроводность плазмы и материала электрода соответственно; R радиус спирали, d толщина витка спирали, а ее длина l_сп определяется выражением
[d_пл -/D 2R/] < l_сп ≅ 2[d_пл + /D 2R/] где d_пл диаметр плазменных пушек, D диаметр внешнего электрода.

Недостатком этого размыкателя является низкий КПД передачи энергии в нагрузку, а также отсутствие стабильности работы.

Цель изобретения повышение стабильности работы и увеличение мощности, коммутируемой в нагрузку.

Поставленная цель достигается тем, что в отличие от известного плазмоэрозионного размыкателя, содержащего вакуумную камеру, коаксиально расположенные электроды, образующие разрядный канал, подключенные с одной стороны к разноименным клеммам источника тока, а с другой стороны к нагрузке, и систему плазменных пушек, установленных во внешнем электроде в радиальном направлении относительно разрядного канала, предлагаемый размыкатель снабжен блоком контролируемого роста индуктивности, выполненным в виде изолятора и размещенным между коаксиальными электродами со стороны нагрузки, торцевая поверхность которого, обращенная к разрядному каналу, выполнена со спиральным каналом остроугольного профиля. При этом коаксиальные электроды со стороны блока контролируемого роста индуктивности выполнены со сквозными пазами, заполненными диэлектриком.

На чертеже представлен в разрезе плазменно-эрозионный размыкатель, общий вид.

Размыкатель состоит из коаксиальных электродов 1, 2, источника тока 3, вакуумной камеры 4, образованной электродами, плазменных пушек 5, диэлектрической преграды 6 со спиральным каналом 7, стенки которого имеют остроугольный профиль; при этом электроды выполнены с пазами 8, заполненными диэлектриком; 9 нагрузка.

Предлагаемое устройство работает следующим образом.

При включении плазменных пушек 5, в пространство вакуумной камеры 4 между электродами 1 и 2 инжектируется плазма. При достижении плазмой внутреннего электрода к электродам подводится ток от источника 3. По цепи: источник тока электроды плазма начинает течь ток. Ток создает в пространстве между электродами магнитное поле. Со стороны магнитного поля на плазму с током действуют электромагнитные силы, ускоряющие плазму вдоль коаксиальных электродов. Втекание ускоренной плазмы в спиральный канал 7 приводит к перестройке тока и магнитного поля и к резкому увеличению ее индуктивности, сопротивления и длины, что приводит к переключению тока и выключению его в плазменной перемычке.

Плазма с током в магнитном поле не устойчива по отношению к росту индуктивности. Электромагнитные силы действуют всегда в направлении ее увеличения. Из-за развития неустойчивости рост индуктивности плазмы происходит самопроизвольно, неконтролируемым образом.

Экспериментальная проверка осуществлялась в коаксиальной линии. Материал электродов медь. В качестве диэлектрической преграды был использован фторопласт со спиральным каналом. Запитка линии производилась от конденсаторной батареи с напряжением 4 кВ. Индуктивность подводящих проводов и линии от преграды ≈ 0,5˙10^-6 Гн. Нагрузкой являлась индуктивность ≈ 0,5˙10^-6 Гн. Плазма, замыкающая электроды, создавалась взрывом алюминиевой фольги, масса 50 мг. В нагрузку был переключен ток в соответствии с законом сохранения потока. Максимальное напряжение на нагрузке 56 кВ. Прерыватель работает стабильно. При наиболее "тяжелой" для переключения индуктивной нагрузке осуществлено увеличение мощности в 28 раз.

Изобретение предназначено для согласования импульсных источников энергии с разного рода нагрузками. Нагрузкой, в зависимости от решаемых задач, могут быть накаливаемые и ненакаливаемые вакуумные диоды, источники ионов, ускорители заряженных частиц, плазменные устройства и др. Источником тока могут служить конденсаторные батареи (быстрые и медленные), индуктивные накопители энергии, взрывомагнитные и магнитогидродинамические генераторы и т.д. В качестве рабочего вещества в плазменных пушках могут быть использованы вещества с малой атомной массой.

Кроме того, изобретение может использоваться для генерации высоковольтных электрических импульсов, при этом могут использоваться полные генерирующие импульсы и импульсы в различной фазе генерации.

Преимуществом изобретения является то, что в предлагаемом техническом решении целенаправленный контролируемый рост индуктивности обеспечен затеканием ускоренной электромагнитными силами плазмы в спиральный канал в диэлектрической преграде. Стенки спирального канала имеют остроугольный профиль для предотвращения возникновения отраженных ударных волн, препятствующих затеканию плазмы в канал. Затекание плазмы в заранее заданный спиральный канал приводит к контролируемому росту индуктивности и к перестройке тока и магнитного поля. Первоначально плоский плазменный диск превращается в спираль с заранее заданной индуктивностью. Возрастает индуктивность плазмы, а вместе с ее перестройкой и сопротивление. При этом сопротивление возрастает на несколько порядков. В процессе изменения индуктивности на ней возникает ЭДС индукции, которая вместе с напряжением на сопротивлении плазмы приводит к уменьшению тока в плазме и к переключению его в нагрузку. Ток в плазме уменьшается, что приводит к ее распаду и полному выключению.

Чтобы исключить возникновение вихревых токов в коаксиальных электродах при перестройке тока и магнитного поля, уменьшающих индуктивность перестраиваемой плазмы, коаксиальные электроды выполнены со сквозными пазами, заполненными диэлектриком.

Таким образом, использование изобретения позволяет повысить стабильность работы размыкателя и увеличить мощность, коммутируемую в нагрузку.

Использование: электротехника, техника мощных импульсных систем. Сущность изобретения: коаксиальные электроды плазмоэрозионного размыкателя выполнены со сквозными пазами, заполненными изолятором, что позволяет уменьшить потери на вихревые токи, электроды подключены к разноименным клеммам источника импульсного напряжения. Во внешнем электроде установлены плазменные пушки, расположенные в радиальном направлении относительно разрядного канала. На пути движения плазменной перемычки установлен изолятор со спиральным каналом остроугольного профиля. Данное выполнение позволяет по заранее заданному закону увеличить индуктивность плазменной перемычки. 1 з. п. ф-лы, 1 ил.

1. ПЛАЗМОЭРОЗИОННЫЙ РАЗМЫКАТЕЛЬ, содержащий вакуумную камеру, коаксиально расположенные электроды, образующие разрядный канал, подключенные с одной стороны к разноименным клеммам источника тока, а с другой стороны к нагрузке, и систему плазменных пушек, установленных во внешнем электроде в радиальном направлении относительно разрядного канала, отличающийся тем, что, с целью повышения стабильности работы и увеличения мощности, коммутируемой в нагрузку, размыкатель снабжен блоком контролируемого роста индуктивности, выполненным в виде изолятора и размещенным между коаксиальными электродами со стороны нагрузки, торцевая поверхность которого, обращенная к разрядному каналу, выполнена со спиральным каналом остроугольного профиля. 2. Размыкатель по п.1, отличающийся тем, что коаксиальные электроды со стороны блока контролируемого роста индуктивности выполнены со сквозными пазами, заполненными диэлектриком.