КОАКСИАЛЬНАЯ ЛИНИЯ ДЛЯ ПЕРЕДАЧИ ВЫСОКОВОЛЬТНЫХ ИМПУЛЬСОВ НАПРЯЖЕНИЯ Российский патент 1999 года по МПК H01P3/06 

Изобретение относится к коаксиальным линиям связи для передачи высоковольтных [ВВ] наносекундных импульсов напряжения и может быть использовано как в радиолокации, так и при исследовании воздействия излучения на среды и объекты.

Известна коаксиальная линия для передачи ВВ импульсов напряжения, содержащая внутренний и внешний электроды, при этом внутренний электрод закреплен во внешнем электроде с помощью опорных проходных дисковых изоляторов [1].

Недостатком этого устройства является низкая надежность работы из-за электрического пробоя опорного изолятора при повторных прохождениях передаваемого ВВ импульса напряжения. Пробой обусловлен старением материала (твердого диэлектрика) изолятора, "запоминающего" частичные пробои, при этом в данном устройстве расстояние между электродами по поверхности опорного изолятора минимально, что ускоряет пробой.

Также известна коаксиальная линия для передачи ВВ импульсов напряжения, являющаяся наиболее близкой к описываемой, содержащая внутренний и внешний электроды, при этом внутренний электрод закреплен во внешнем электроде с помощью конических опорных проходных изоляторов, выполненных в виде конических втулок из изоляционного материала [2].

По сравнению с устройством [1] данное устройство из-за конической формы диэлектрического проходного изолятора имеет большее расстояние между электродами по поверхности опорного изолятора, что несколько увеличивает время работы до наступления пробоя и несколько повышает его надежность работы по сравнению с устройством [1]. Однако, недостатком данного устройства-прототипа также является низкая надежность работы при многократном срабатывании из-за выполнения изолятора из твердого диэлектрика, пробой которого неизбежен, так как эффект электрического старения такого материала при многократной передаче ВВ импульсов напряжения сохранен.

Целью изобретения является повышение надежности работы устройства.

Поставленная цель достигается тем, что в коаксиальной линии для передачи ВВ импульсов напряжения, содержащей внутренний и внешний электроды, при этом внутренний электрод закреплен во внешнем электроде с помощью конических опорных проходных изоляторов, согласно изобретению, каждый опорный изолятор выполнен из электропроводящего материала в виде конической металлической пружины из проволоки круглого сечения, при этом число витков w пружины выбрано из условия

где τ_сп - - заданное допустимое значение постоянной времени спада переходной характеристики коаксиальной линии с данным изолятором;
Z - волновое сопротивление коаксиальной линии;
D - диаметр внешнего электрода;
d - диаметр внутреннего электрода;
φ - табличный коэффициент, зависящий от геометрии пружины;
μ₀ - абсолютная магнитная проницаемость вакуума, μ₀ = 4π•10^-7 Гн/м,
причем отношение расстояния h между соседними центрами поперечного сечения проволоки, проходящего через ось пружины, к диаметру d_п проволоки удовлетворяет условию

где ε₀ - абсолютная диэлектрическая проницаемость вакуума, ε₀ = 8,84•10^-12 φ/м;
ε - относительная диэлектрическая проницаемость среды внутри коаксиальной линии;
τ_н - заданное допустимое значение постоянной времени нарастания переходной характеристики коаксиальной линии с данным изолятором,
ch - знак гиперболического косинуса.

Сущность изобретения состоит в том, что в устройстве каждый опорный изолятор выполнен из электропроводящего материала в виде конической металлической пружины с выбираемыми по условиям (1) и (2) параметрами. Это обеспечивает повышение надежности работы устройства при многократной передаче импульсов напряжения из-за отсутствия эффекта накопления частичных пробоев в теле изолятора.

При этом обеспечено искажение передаваемого импульса напряжения в допустимых значениях.

На фиг.1 представлена принципиальная схема устройства.

На фиг.2 показана переходная характеристика коаксиальной линии с опорным изолятором в виде зависимости величины А передаваемого сигнала от времени t.

Коаксиальная линия для передачи высоковольтных импульсов напряжения содержит внутренний электрод 1 с диаметром d и внешний электрод 2 с диаметром D. Внутренний электрод 1 закреплен во внешнем электроде 2 с помощью конических опорных проходных изоляторов, каждый из которых выполнен из электропроводящего материала в виде конической металлической пружины 3 из проволоки круглого сечения диаметром d_п, В пружине 3 расстояние между соседними центрами поперечного сечения проволоки, проходящего через ось O-O' пружины, обозначено h. Число витков w пружины выбрано из условия (1), а отношение h/d_п - из условия (2). Вход устройства подключен к генератору ВВ наносекундных импульсов напряжения, выход - к нагрузке. (Схемы подключения и согласования не рассматриваются).

При выводе зависимостей (1) и (2) учтено следующее.

Поскольку в пространство коаксиальной линии введен электропроводящий элемент - металлическая пружина, этот элемент внесет неизбежные искажения в форму передаваемого по этой коаксиальной линии импульса, что связано с наличием собственных индуктивности и емкости пружины. Так как основной характеристикой любого передающего устройства является его переходная характеристика, то учет влияния упомянутых индуктивности и емкости для описываемого передающего устройства - коаксиальной линии с изолятором - ведется в терминах переходной характеристики: постоянная времени нарастания τ_н и постоянная времени спада τ_сп переходной характеристики коаксиальной линии с изолятором. Для обеспечения искажений передаваемого импульса в пределах допустимого уровня заданы допустимые значения τ_н и τ_сп переходной характеристики коаксиальной линии (фиг.2).

При выборе в зависимости (1) табличного коэффициента φ, зависящего от геометрии пружины (См. Справочная книга: П.Л.Калантаров, Л.А.Цейтлин "Расчет индуктивностей", Л. : Энергоатомиздат, Л.О., 1986, с.248, табл.6-1) оптимизированы геометрические параметры пружины (влияющие на ее механические свойства) с размерами ее "посадочного места" в устройстве (что является частью обычной инженерной проработки устройства).

С учетом выбранного коэффициента φ и заданного значения τ_сп определено по условию (1) число витков w пружины, которое совместно с заданным значением τ_н позволяет определить значение правой части условия (2).

Выбранному коэффициенту φ соответствует осевая длина L пружины, что позволяет определить значение расстояния h между соседними центрами поперечного сечения проволоки, проходящего через ось O-O' пружины, как

С учетом (2) и (3) определен диаметр проволоки d_п пружины.

Указанные в выражениях (1) и (2) нижние значения границ выбора w и h/d_п обусловлены заданными значениями постоянной времени спада τ_сп и постоянной времени нарастания τ_н переходной характеристики.

Верхние границы значений (1) и (2) определяются в каждом конкретном случае реализации устройства из условий технологичности выполнения пружины и размещения ее в устройстве.

Коаксиальная линия может быть заполнена, например, трансформаторным маслом; внутренний электрод может быть выполнен полым.

Устройство работает следующим образом.

На вход коаксиальной линии от генератора импульсов поступает импульс напряжения f(t). При этом в пространстве между электродами 1 и 2 возникает электромагнитное поле волны ТЕМ-типа. При передаче импульса вдоль коаксиальной линии каждый сегмент витка каждой пружины 3 перпендикулярен электрической составляющей набегающей волны на фронте импульса, а поле "проходит" в "щели" между витками в продольном направлении устройства, при этом за время длительности передаваемого импульса шунтирование электродов практически отсутствует. Собственная переходная характеристика коаксиальной линии с изолятором описывается зависимостью h(t) = exp(-t/τ_сп)-exp(-t/τ_н). На выходе устройства перед нагрузкой с учетом влияния на передаваемый импульс собственной переходной характеристики устройства - импульс имеет зависимость от времени U_вых(t) в виде интегралов свертки для каждой пружины. При этом выбор соответствующих значений τ_сп и τ_н осуществлен путем сравнения U_вых(t) и f(t).

Таким образом, в описанном устройстве, имеющем проходные изоляторы из электропроводящего материала, обеспечивающие передачу импульса с допустимым его искажением, устранен недостаток прототипа - старение и потеря электрической прочности изоляционного материала изолятора вследствие накопления частичных пробоев, особенно прогрессирующем при увеличении частоты передаваемых импульсов и уменьшении длительности их фронта.

Описанный проходной изолятор из электропроводящего материала принципиально не подвержен пробою и, следовательно, по этой причине, старению и потере электрической прочности, что обеспечивает повышение надежности работы данной коаксиальной линии.

Примеры выполнения устройства.

Для нижеприведенных примеров выполнения устройства общим является:
- коаксиальная линия заполнена изоляционной средой - трансформаторным маслом, ε = 2;
D = 63 мм;
d = 20 мм;
Z = 50 Ом
- от генератора импульсов в устройство поступает импульс с постоянной времени нарастания фронта 300 пс и постоянной времени спада - 5 нс;
- выбраны допустимые значения:
τ_сп = 20 нс, τ_н = 30 пс
Пример 1.

Амплитуда передаваемого импульса 1 MB.

Выбран табличный коэффициент φ = 4. Выбор осуществлен с учетом длины "посадочного места" пружины в коаксиальной линии при соотношении среднего диаметра d_ср пружины к ее длине L
d_ср/L = 0,5
при этом d_ср = (D+d)/2.

Из условия (1) определено, что w ≥ 8 витков.

Выбрано значение w=8. При этом из условия (2):
h/d_п ≥ 1,002
Длина пружины по образующей конуса

Из условия (4) и (6):

подставляя в (5): d_п ≤ 12/1,002.

В качестве материала пружины использована сталь 65Г.

Из условия допустимой жесткости и технологичности изготовления пружины и исключения межвиткового пробоя выбран диаметр d_п=3,5 мм.

Таким образом, в данном примере использована коаксиальная линия с опорным проходным изолятором в виде проводящей пружины из стали 65Г, с числом w=8 витков, диаметром проволоки d_п= 3,5 мм и h = 12 мм.

Коаксиальная линия работала надежно, без пробоев все время эксплуатации (122 дня) с заданным допустимым искажением передаваемого импульса с амплитудой 1 MB.

Пример 2.

В этом примере сохранены все параметры примера 1, но выбрано допустимое максимальное значение d_п=12 мм. При этом витки расположены значительно ближе друг к другу, чем в примере 1. Поэтому возникает вопрос о межвитковой электрической прочности.

Здесь инженерно решен вопрос о допустимой амплитуде передаваемого импульса: при вышеуказанных (в примере 1) параметрах пружины w и h и при выбранном значении d_п = 12 мм - устойчиво передаются импульсы амплитудой (50-100) кВ.

Пример 3.

В этом примере взяты для расчета те же основания выбора φ, что и в примере 1, но выбрано значение w > 8, а именно: w=20 витков.

При этом выбрано d_п тем же: d_п=3,5 мм.

При этом h (шаг пружины)=4,8 мм. Материал - сталь 65Г.

В этом случае, коаксиальная линия с данным опорным изолятором работала надежно без пробоев все время эксплуатации (184 дня) с заданным допустимым искажением передаваемого импульса с амплитудой 500 кВ и частотой 50 Гц. Отмечено, что данная коаксиальная линия обладает меньшим искажением передаваемого импульса по сравнению с примером 1 из-за увеличения собственной индуктивности линии.

Эта же линия была использована (с целью повышения жесткости крепления внутреннего электрода) с дополнительным, идентичным первому, опорным изолятором. При определении суммарной переходной характеристики линии в этом случае был дважды применен интеграл свертки: интегралы свертки для линии с первым и вторым опорными изоляторами, при этом искажения передаваемого импульса несколько увеличились, но не превысили заданных допустимых значений при вышеуказанных условиях эксплуатации.

Рассмотрение вариантов выполнения устройства показало, что вариант устройства с предельно нижними значениями параметров w и h/d_п - обеспечивает надежность передачи импульса с заданными его искажениями. Выполнение вариантов устройства с большими, чем нижний предел значениями w и h/d_п - также обеспечивает надежную работу устройства и при этом является результатом инженерного выбора оптимальных конструкторско-технологических и электрических параметров устройства в заданных формулой изобретения пределах.

Коаксиальная линия передачи высоковольтных импульсов напряжения содержит внутренний электрод, закрепленный во внешнем электроде с помощью опорных проходных изоляторов, каждый из которых выполнен из электропроводящего материала в виде конической металлической пружины из проволоки круглого сечения, число витков пружины и отношение расстояния между соседними центрами поперечного сечения проволоки, проходящего через ось пружины, к диаметру проволоки выбирается по приведенным расчетным соотношениям с учетом диаметров внешнего и внутреннего электродов, волнового сопротивления коаксиальной линии, абсолютной магнитной и диэлектрической проницаемости вакуума, относительной диэлектрической проницаемости среды внутри коаксиальной линии и заданного допустимого значения постоянной времени нарастания переходной характеристики коаксиальной линии с данным изолятором. Технический результат заключается в повышении надежности работы. 2 ил.

Коаксиальная линия передачи высоковольтных импульсов напряжения, содержащая внутренний и внешний электроды, при этом внутренний электрод закреплен во внешнем электроде с помощью конических опорных проходных изоляторов, отличающаяся тем, что каждый опорный изолятор выполнен из электропроводящего материала в виде конической металлической пружины из проволоки круглого сечения, при этом число витков w пружины выбрано из условия

где τ_сп - заданное допустимое значение постоянной времени спада переходной характеристики коаксиальной линии с данным изолятором;
Z - волновое сопротивление коаксиальной линии;
D - диаметр внешнего электрода;
d - диаметр внутреннего электрода;
φ - табличный коэффициент, зависящий от геометрии пружины;
μ₀ - абсолютная магнитная проницаемость вакуума, μ₀ = 4π•10^-7 Гн/м,
причем отношение расстояния h между соседними центрами поперечного сечения проволоки, проходящего через ось пружины, к диаметру d_п проволоки удовлетворяет условию

где ε₀ - абсолютная диэлектрическая проницаемость вакуума, ε₀ = 8,84•10^-12 φ/м;
ε - относительная диэлектрическая проницаемость среды внутри коаксиальной линии;
τ_н - заданное допустимое значение постоянной времени нарастания переходной характеристики коаксиальной линии с данным изолятором.