СПОСОБ РАЗМЫКАНИЯ ТОКОПРОВОДА СВЕРХСИЛЬНОГО ТОКА Российский патент 2000 года по МПК H01H35/00 

Изобретение относится к электротехнике, а именно к коммутационной высоковольтной технике, и может быть использовано для выключения и переключения сверхсильных токов, например при аварийных отключениях и в экспериментальной технике для получения больших мощностей.

Известен способ размыкания токопровода сверхсильного тока, включающий зажигание дугового разряда между электродами; в нужный момент инициируют взрыв заряда, расположенного между электродами и осуществляют гашение дуги продуктами этого взрыва, см. , например, патент РФ N 2046436, кл. H 01 H 39/00 от 17.01.94.

Недостатком этого способа является исключение возможности многократных срабатываний, а также сложности, связанные со взрывным эффектом, сопровождающим процесс размыкания.

Известны способы размыкания токопроводов сверхсильного тока с использованием электрического взрыва проводника путем его нагрева под действием джоулева тепла при пропускании через него импульсного электрического тока плотностью j>10⁶ А/см, последовательного его плавления, кипения и испарения с образованием канала из плотного пара с высоким сопротивлением, см., например, Бурцев В.А. и др. Электрический взрыв проводников и его применение в электрофизических установках. М., Энергоатомиздат, 1990, стр. 153.

В этом способе исключены недостатки, связанные с применением взрывчатых веществ, однако также невозможно многократное срабатывание.

Известны способы размыкания токопровода сверхсильного тока путем увеличения индуктивности токопровода за счет увеличения пути протекания тока, см., например, патент РФ N 2037278 по кл. H 05 H 1/00 от 26.06.89.

При реализации этого способа, принятого за прототип настоящего изобретения, длина пути изменяется благодаря перемещению проводящего плазменного образования, что приводит к перестройке тока и магнитного поля и к увеличению индуктивности токопровода. При этом осуществляется переключение тока и выключение его в плазменном образовании.

Недостатком описанного метода является то обстоятельство, что скорость и время переключения ограничены реально достижимыми скоростями перемещения плазменного образования (до 10⁶ см/сек). Например, при требуемом времени переключения тока 100 нсек увеличение пути плазменного образования составит 10⁶ см/сек • 10^-7 сек = 10^-1 см. При этом заметного изменения индуктивности и размыкания токопровода не произойдет.

Кроме того, как отмечается в описании к патенту N 2037278, плазма с током в магнитном поле неустойчива, вследствие чего рост индуктивности плазмы происходит самопроизвольно, неконтролируемым образом, что существенно снижает надежность способа.

В основу настоящего изобретения положено решение задачи создания такого способа размыкания токопровода сверхсильного тока, который позволил бы осуществлять эффективное размыкание за весьма короткое время, что позволит обеспечить получение чрезвычайно высоких импульсных мощностей.

Согласно изобретению это достигается за счет того, что в способе размыкания токопровода сверхсильного тока путем увеличения индуктивности токопровода, индуктивность токопровода сверхсильного тока увеличивают посредством увеличения магнитной проницаемости среды внутри токопровода от исходного значения до значения при этом

где - исходное значение магнитной проницаемости среды внутри токопровода;
- значение магнитной проницаемости среды внутри токопровода, при котором происходит его размыкание;
μ_max - - максимальная магнитная проницаемость среды внутри токопровода.

Заявителем не выявлены какие-либо источники информации, содержащие сведения о технических решениях, идентичных заявленному, что позволяет сделать вывод о соответствии изобретения критерию "новизна".

В результате реализации отличительных признаков изобретения (в совокупности с признаками, приведенными в ограничительной части формулы изобретения) обеспечивается достижение принципиально новых свойств объекта:
размыкание токопровода за весьма краткое время, что обусловливает получение чрезвычайно высокой импульсной мощности;
контролируемость процесса увеличения индуктивности токопровода и, соответственно, повышение надежности способа.

Заявителем не обнаружены какие-либо известные сведения о влиянии отличительных признаков изобретения на достигаемый технический результат, в связи с чем, по мнению заявителя, можно сделать вывод о соответствии заявленного технического решения критерию "изобретательский уровень".

Сущность предложенного изобретения поясняется чертежом, на котором изображена схема, поясняющая реализацию способа.

Токопровод сверхсильного тока включает катушку 1 индуктивности, последовательно соединенную с катушкой 2 индуктивности. Ток в токопроводе создается посредством источника 3 тока с коммутатором 4. В конкретном примере источником тока является конденсаторная батарея.

Внутри катушки 2 индуктивности помещен тороидальный сердечник из ферромагнитного материала, являющийся средой токопровода сверхсильного тока. Внутри сердечника имеется канал 6. В канале 6 размещен управляющий контур 7, к которому через коммутатор 8 подключен источник 9 управляющего тока, в конкретном примере - конденсаторная батарея. Параллельно катушке 2 индуктивности подключена нагрузка 10, в конкретном примере соленоид. Индуктивность катушки 1 в данном примере составляет 0,1 мкГн, индуктивность нагрузки 10 составляет 5 нГн.

В исходном состоянии коммутатор 8 замкнут, управляющий контур 7 запитан от источника 9 - конденсаторной батареи, являющейся источником квазипостоянного тока i_θ. Длительность импульса этого тока этой конденсаторной батареи подобрана таким образом, что значительно (в 10 - 20 раз) превышает длительность импульса источника 3 тока.

Вследствие этого при включении источника 3 с помощью коммутатора 4 за время формирования импульса коммутируемого тока i₀ - i₁, протекающего, соответственно, в катушках 1 и 2, ток i_θ в управляющем контуре 7 остается практически постоянным.

Таким образом в сердечнике 5 создаются два взаимно ортогональных поля: тороидальное за счет тока i₁ и полоидальное за счет тока i_θ. Поскольку полоидальное магнитное поле, создаваемое током i_θ, в несколько раз больше тороидального магнитного поля, создаваемого током i₁, исходное значение магнитной проницаемости сердечника 5 определяется, главным образом, значением тока i_θ в управляющем контуре 7. Эта величина значительно меньше амплитуды тока i₁.

Для переброса тока из катушки 2 в нагрузку 10 с помощью коммутатора 8 отключается управляющий ток i_θ. В результате магнитная проницаемость сердечника 5 резко увеличивается до значения Соответственно возрастает индуктивность катушки 2, что равносильно размыканию токопровода сверхсильного тока. Одновременно происходит подключение нагрузки 10, которое в конкретном примере производится посредством пробоя искрового промежутка (на чертеже не показан). Остаточная магнитная проницаемость сердечника 5 определяется током i₁, протекающим в катушке 2 после переброски тока в нагрузку 10 и появлением в ней тока i₂.

Геометрические размеры и материал сердечника 5 таковы, что
Максимальная магнитная проницаемость μ_max среды токопровода - сердечника 5, определяется материалом сердечника.

В конкретном примере для обеспечения эффективного размыкания токопровода геометрические параметры сердечника 5 определяются из соотношений:

где V - объем материала сердечника, м³;
α = μ₀(1+p)/B_S;
μ₀ - магнитная проницаемость вакуума Гн/м;
B_S - индукция насыщения материала сердечника, Тл;
p = const = B_S/(μ₀H_ϕ);
H_ϕ - напряженность полоидального поля, А/м;
S - сечение тороидального сердечника, м²;
ω - число витков катушки 2;
i₀ - исходное значение коммутируемого тока в катушке 1, А;
β L₂/(B_S(1 + L₂/L₀)),
L₂ индуктивность нагрузки 10, Гн;
L₀ - индуктивность катушки 1, Гн;
При этом амплитуда управляющего тока определяется в конкретном примере реализации способа из соотношения:

Для реализации данного способа применены обычные, широко используемые в промышленности материалы и оборудование.

Способ позволяет осуществить практически безынерционное по отношению к току управляющего контура размыкание токопровода сверхсильного тока.

Изобретение может быть применено, например, для запитки сверхмощных лазеров и другого электрофизического оборудования, где требуется большая импульсная мощность.

Изобретение относится к электротехнике, а именно к коммутационной высоковольтной технике. Технический результат - осуществление эффективного размыкания за весьма короткое время, что позволяет обеспечить получение чрезвычайно высоких импульсных мощностей. Способ размыкания токопровода сверхсильного тока путем увеличения индуктивности токопровода заключается в том, что индуктивность токопровода сверхсильного тока увеличивают посредством увеличения магнитной проницаемости среды внутри токопровода. 1 ил.

Способ размыкания токопровода сверхсильного тока путем увеличения индуктивности токопровода, отличающийся тем, что индуктивность токопровода сверхсильного тока увеличивают посредством увеличения магнитной проницаемости среды внутри токопровода от исходного значения до значения при этом

где исходное значение магнитной проницаемости среды внутри токопровода;
значение магнитной проницаемости среды внутри токопровода, при котором происходит его размыкание;
μ_max - максимальная магнитная проницаемость среды внутри токопровода.