МНОГОКАНАЛЬНЫЙ РЕЛЬСОВЫЙ РАЗРЯДНИК Российский патент 2005 года по МПК H01T2/02 H01T4/10 

Изобретение относится к высоковольтной сильноточной импульсной технике и может быть использовано для коммутации емкостных малоиндуктивных накопителей энергии на различные электрофизические нагрузки.

Для многоканальной коммутации емкостных малоиндуктивных накопителей энергии чаще всего используются каскадные разрядники с искажением электрического поля [1. Кучинский Г.С., Шкуропат П.И., Шнеерсон Г.А. /Генераторы больших импульсных токов. - В кн.: Физика и техника мощных импульсных систем/ Под ред. Е.П. Велихова. М.: Энергоатомиздат, 1986, с.150-153.]. Как правило, такие накопители имеют плоскую ошиновку, к которой удобно подключать каскадные газовые разрядники рельсового типа. Разрядники содержат установленные параллельно друг другу основные электроды цилиндрической или полуцилиндрической формы и размещенный между ними вдоль эквипотенциальной поверхности управляющий электрод в виде линейки с острой кромкой. Длина электродной системы разрядников достигает 2 метров. Применение управляющих импульсов с амплитудой, превышающей в 2-3 раза напряжение между основными электродами при скорости нарастания >10¹³ В/с, вызывает последовательный пробой обоих межэлектродных зазоров практически без статистического запаздывания и позволяет формировать разряд в виде большого числа параллельных токовых каналов, распределенных вдоль электродов. Это дает возможность использовать подобные линейные разрядники для включения малоиндуктивных емкостных накопителей с напряжением заряда от нескольких единиц до нескольких сотен кВ при разрядных токах от нескольких сотен кА до нескольких МА.

Известен многоканальный газовый разрядник, содержащий установленные параллельно друг другу в диэлектрической камере основные электроды полуцилиндрической формы и установленный на одинаковом расстоянии между ними управляющий электрод с поперечным сечением клинообразной формы [2. Neil G.R., Post R.S. Multichannel high-energy reilgap switch. - Rev. Sci. Instrum., Vol.49, No 3, March 1978, p.401-403]. Подвод тока от внешней электрической цепи к основным электродам осуществляется с помощью плоских близко расположенных шин, что позволяет выполнить разрядный контур малоиндуктивным. При длине электродов 35,6 см и наполнении камеры атмосферным воздухом разрядник позволял коммутировать емкостной накопитель с энергозапасом до 27 кДж при напряжении заряда до 40 кВ и при этом пропускать токи амплитудой до 500 кА. Применение управляющих импульсов со скоростью нарастания 5.10¹² В/с обеспечивало формирование параллельных разрядных каналов (максимум до 6 каналов). При снижении рабочего напряжения на 30% относительно напряжения самопробоя задержка срабатывания увеличивалась до 50 нс при практически постоянном разбросе 15 нс, при этом число каналов уменьшалось до 2-4. Индуктивность разрядника составляла 18 нГн.

Основным недостатком разрядника является то, что управляющий электрод установлен в камере с открытой в рабочую полость линией раздела диэлектрик-металл, что неизбежно приведет к появлению высокой тангенциальной составляющей напряженности электрического поля и снижению электрической прочности разрядника. Это особенно скажется при создании подобного разрядника на более высокое рабочее напряжение, превышающее 40 кВ. Кроме этого, граница раздела диэлектрик-металл в районе контакта держателя основного электрода с диэлектрической камерой не оптимизирована, что приводит к возникновению высокого значения тангенциальной составляющей напряженности электрического поля и также ограничивает рабочее напряжение разрядника.

Недостатком описанного разрядника является также то, что его диэлектрическая разрядная камера имеет в сечении прямоугольную форму и выполнена из двух частей, соединенных между собой длинными шпильками. В результате разряда между электродами шпильки воспринимают значительные ударные нагрузки, которые могут привести к разрушению изоляционного корпуса разрядника, особенно в аварийном режиме одноканального самосрабатывания. Кроме того, прямоугольное сечение создает напряженные точки во внутренних углах камеры, что вызывает снижение ее механической прочности. Усиление обеих частей камеры, отлитых из эпоксидной смолы, внедрением стеклоткани не является достаточно эффективным, поскольку стеклотканевые слои не образуют замкнутого бандажа. Поэтому такой подход к созданию рабочих камер для разрядников мегаамперного и сверхмегаамперного уровня не является подходящим.

Наиболее близким к изобретению техническим решением является многоканальный рельсовый разрядник (Atlas Railgap Switch), содержащий размещенные в герметичной диэлектрической камере основные электроды полуцилиндрической формы и установленный между ними управляющий электрод с заостренной кромкой [3. W.A.Reass, D.W.Bowman, R.F.Gribble, J.R.Griego, C.Thompson, and W.M.Parsons and R.A.Cooper and D.C.Casper. Capacitor and rail-gap development for the atlas machine marx modules - 10th IEEE Intern. Pulsed Power Conf. Albuquerque, New Mexico, USA, July 3-6, 1995, p.522-527]. При напряжении зарядки конденсаторов 120 кВ разрядник пропускал номинальный ток до 420 кА. Предельно допустимый ток разрядника составляет 720 кА. Индуктивность разрядника составляет 25 нГн.

Основным недостатком прототипа, так же как и аналога, является то, что его диэлектрическая разрядная камера имеет в сечении прямоугольную форму и выполнена из двух частей, соединенных между собой шпильками. Диэлектрическая камера выполнена из полиуретана с более высокими, чем у эпоксидного компаунда, допустимыми механическими напряженностями при ударных нагрузках. Однако при прямоугольном исполнении камера имеет значительные размеры, которые обусловлены необходимостью высокой механической прочности при работе разрядника особенно в аварийном режиме одноканального самосрабатывания. Поэтому величина коммутируемого тока ограничена 720 кА.

Поскольку управляющий электрод разрядника-прототипа выполнен в виде сплошной металлической пластины, заостренной со стороны разрядного промежутка, с локальной подачей высоковольтного импульса через ввод, вставленный в торце основания камеры, то это вызывало трудности формирования многоканального разряда. Это особенно сказывается в режимах с давлением рабочей среды, существенно большим величины, соответствующей статическому самопробою при данном рабочем напряжении. Наоборот, выбор давления, близкого к критической величине, приводило к увеличению вероятности самопробоя межэлектродных зазоров и снижению срока службы камеры и электродов. В результате такая важная эксплутационная характеристика разрядника, как его управляемость, была неудовлетворительной. Под управляемостью понимается возможность контролируемой многоканальной работы разрядника с заданными предельными величинами задержки срабатывания τ и ее разброса σ при выбранном давлении рабочей среды в возможно большем диапазоне изменения рабочего напряжения. Высокая управляемость разрядника позволяет оператору установки в процессе ее посменной эксплуатации варьировать рабочее напряжение в широком диапазоне с минимальным числом изменений рабочего давления.

В предлагаемом изобретении решаются задачи увеличения механической и электрической прочности конструкции малоиндуктивного линейного разрядника с искажением поля для обеспечения его работы при статическом напряжении до 100 кВ и разрядных токах амплитудой до 1 МА, а также достижения высокой многоканальности разряда и повышения его управляемости.

Сущность изобретения заключается в том, что в многоканальном рельсовом разряднике, содержащем установленные параллельно друг другу в герметичной диэлектрической камере основные электроды полуцилиндрической формы и размещенный между ними управляющий электрод с заостренной кромкой, обращенной в сторону рабочей полости, с целью увеличения механической и электрической прочности камеры, что необходимо при работе при высоких статических напряжениях и разрядных токах, а также уменьшения индуктивности разрядника, диэлектрическая камера выполнена в виде единой неразборной в поперечном направлении конструкции, имеющей внутри рабочую полость, образованную основным сквозным цилиндрическим отверстием, по одной оси которого расположены основные электроды, и смещенными по другой оси с одной стороны закрытым цилиндрическим отверстием и сквозным отверстием с другой стороны. Закрытое отверстие служит для выравнивания длин внутреннего поверхностного пробоя между основными электродами и для монтажа управляющего электрода с выводными шпильками. Второе сквозное отверстие служит для установки магнитного компенсатора, служащего также в качестве шпильки для стягивания торцевых фланцев камеры.

Внешняя поверхность камеры имеет эллиптическую форму, позволяющую увеличить длину наружного поверхностного пробоя между выводными шпильками основных электродов по сравнению с длиной внутреннего поверхностного пробоя с учетом разницы внешнего атмосферного давления и внутреннего повышенного давления рабочего газа. Эллиптическая форма внешней поверхности камеры с оптимизированным соотношением размеров осей дает возможность применить внешний замкнутый бандаж, усиливающий статическую и динамическую прочность камеры и выполненный путем перекрестной намотки стеклотканевой ленты с пропиткой эпоксидным компаундом. Использование внешнего бандажа, представляющего с точки зрения механики тонкую эллиптическую оболочку, позволяет выбирать материал самой камеры не столько из соображения обеспечения высоких механических свойств, в том числе ударной вязкости, сколько высокой дугостойкости, исключающей образование углеродных дорожек в неуправляемых разрядах.

Монтаж полуцилиндрических основных электродов и управляющего клинообразного электрода с цилиндрическим утолщением на внутренней стороне камеры производится с помощью уплотненных проходных шпилек таким образом, чтобы линии раздела металл-твердый диэлектрик находились в электрической тени электродов. Это позволяет в районе этих линий снизить тангенциальные составляющие электрического поля и уменьшить возможность формирования скользящих искр поверхностного пробоя.

Для снижения импульсных механических усилий, в том числе наиболее опасных срезающих усилий, действующих на шпильки и обусловленных действием пондеромоторной силы, выталкивающей камеру через посредство электроразрядной плазмы в сторону, противоположную подводу токонесущих шин, а также для уменьшения индуктивности разрядника последний снабжен внешними электродами шириной, равной длине основных электродов. Эти электроды, имеющие полуэллиптические выборки, охватывают с двух сторон разрядную камеру с использованием пленочной изоляции, являющейся продолжением пленочной изоляции плоских токонесущих шин. Гибкие токовые элементы обеспечивают прохождение тока между внешними и внутренними электродами через проходные шпильки с передачей уменьшенного импульса пондеромоторной силы.

Для уменьшения индуктивности разрядника в теле диэлектрической камеры со стороны подвода тока установлен магнитный металлический компенсатор. Кроме того, он служит для уплотнения торцевых фланцев камеры вместе со шпильками, вворачиваемыми в запрессованные бобышки в теле камеры с другой стороны от оси симметрии. Торцевые фланцы снабжены пленочными предохранительными клапанами, которые одновременно являются смотровыми окнами для визуального наблюдения состояния разрядника и фоторегистрации разрядных процессов.

Сущность изобретения заключается также в том, что с целью достижения высокой многоканальности разряда и повышения его управляемости управляющий электрод выполнен в виде сборки отдельных секций, расположенных с противоположной стороны относительно подвода разрядного тока и имеющих свои выводные шпильки, к которым снаружи крепятся омические делители напряжения и разделительные конденсаторы. К этим конденсаторам подсоединяются коаксиальные кабели линии передачи от многоканального генератора управляющих высоковольтных импульсов через согласующие-демпфирующие резисторы, позволяющие подавлять колебательные процессы в кабелях после пробоя межэлектродных зазоров. Подобное решение конструкции управляющего электрода и его подсоединения к генератору импульсов обеспечивает одновременное поступление волны напряжения по длине управляющего электрода и формирование как минимум числа каналов, равного числу секций.

Для дальнейшего увеличения числа каналов, что уменьшит эрозию электродов и индуктивность разряда, острая кромка каждой из секций управляющего электрода профилирована пазами квадратной или полукруглой формы с шагом между центрами пазов, равным двойной ширине пазов, и шириной пазов, соответствующей величине зазора между управляющим и основными электродами. Если в режиме запуска разрядника управляющий электрод становится катодом относительно обоих основных электродов, то возникшие на остриях эмиссионные центры приводят к развитию электронных лавин не только в перенапряженном промежутке, но и во втором зазоре, что облегчит его пробой после пробоя первого промежутка. Профилирование острой кромки оказывается также полезным для уменьшения скорости распространения волны нулевого напряжения вдоль электродов, возникающей при опережающем развитии одного из каналов, что способствует тому, что все острия в условиях наличия сильного искажения электрического поля дают свои электронные лавины.

Повышение управляемости разрядника, что проявляется в снижении наклона кривых τ=f(V₀) для различных давлений рабочей среды, достигается путем повышения амплитуды управляющего импульса и уменьшения длительности его фронта. Для того чтобы ход этих кривых слабо зависел от статического напряжения на разряднике, необходимо, чтобы при подаче импульса ступенчатой формы на управляющий электрод с амплитудой (-U_p) разность потенциалов между положительным высоковольтным основным электродом и управляющим электродом определялась выражением ΔU=U₀-(-U_p+U₀/2)≈U_p+U₀/2.

Таким образом, при U_p, намного превышающем статическое смещение управляющего электрода, пробой перенапряженного промежутка независимо от статического напряжения на разряднике будет в основном определяться амплитудой управляющего импульса. Управляемость разрядника при этом будет максимально возможной. При использовании реальных импульсов длительность фронта должна быть где L_i - индуктивность ввода одной секции С_e - суммарная емкость секции относительно основных электродов.

Многоканальный газовый разрядник поясняется чертежами, где на фиг.1 представлен внешний вид одной проекции многоканального рельсового разрядника, на фиг.2 схематично представлено поперечное сечение многоканального рельсового разрядника, на фиг.3 представлено смотровое окно, на фиг.4 представлен пленочный предохранительный клапан, на фиг.5 представлена схема включения разрядника, на фиг.6 - конечно-элементная модель расчета сектора камеры без бандажа на воздействие статической нагрузки, на фиг.7 - двухмерное распределение x-компоненты механического напряжения, на фиг.8 - двухмерное распределение y-компоненты механического напряжения, на фиг. 9 - картина электростатических полей в многоканальном рельсовом разряднике в статическом режиме, на фиг.10 - картина электростатических полей в многоканальном рельсовом разряднике в режиме управления при подаче на управляющий электрод отрицательного импульса ступенчатой формы, на фиг.11 - картина электростатических полей в многоканальном рельсовом разряднике в режиме замыкания верхнего промежутка, на фиг.12 приведены зависимости задержки срабатывания разрядника τ от зарядного напряжения накопителя U₀ при различных давлениях газа: 1-5,5 атм, 2-4,5 атм, 3-3 атм, 4-1,5 атм, 5-1 атм (фиг.12а - чистый азот; фиг.12б - смесь азота с аргоном: 20%Ar+80%N₂ - кривые 2-4 и 60%Ar+40%N₂ - кривая 5), на фиг.13 - фотографии (13а - поджигающих разрядных каналов при незаряженном емкостном накопителе; 13б - свечение основного разряда; 13в - эрозионные следы на основных электродах), на фиг.14 - фотографии (14а - поджигающих разрядных каналов; 14б свечение основного разряда).

Общая длина многоканального рельсового разрядника (фиг.1) составляет 1380 мм, длина диэлектрической камеры - 1240 мм, ширина внешних электродов - 1000 мм.

Многоканальный рельсовый разрядник (фиг.2) содержит диэлектрическую камеру эллиптической формы 1 с центральным сквозным продольным отверстием 2, смещенным закрытым отверстием 3 и сквозным отверстием магнитного компенсатора 4, стеклопластиковый бандаж 5, основные электроды 6, управляющий секционированный электрод 7, магнитный компенсатор 8, внешние электроды 9, гибкие токовые элементы 10. пленочную изоляцию 11, а также омический делитель напряжения 12, разделительные конденсаторы 13.

Сечение диэлектрической камеры имеет эллиптическую форму с радиусами 205 и 20 мм и внешними размерами: продольный - 272 мм и поперечный - 120 мм. В качестве изоляционного материала камеры используется капролон. Диаметр сквозного отверстия, в котором устанавливаются основные электроды, - 96 мм, закрытое отверстие смещено от оси сквозного отверстия на 30 мм и имеет диаметр 40 мм, диаметр отверстия для компенсатора 50 мм. Закрытое отверстие размещено симметрично относительно сквозного отверстия и имеет длину 1050 мм. Оси отверстий размещены в продольной плоскости симметрии камеры. На торцах камеры имеется по одному резьбовому отверстию для установки металлических вкладышей, с помощью которых закрепляются окна. В продольной плоскости симметрии камеры со стороны закрытого отверстия имеется 8 отверстий диаметром 10 мм для установки проходных шпилек для крепления управляющих электродов и 2 отверстия диаметром 10 мм для газовых штуцеров 14 (фиг.3, 4). В поперечной плоскости симметрии камеры с двух сторон имеется по 8 отверстий диметром 26 мм для установки проходных шпилек крепления основных электродов. Стеклопластиковый бандаж выполнен путем перекрестной намотки стеклотканевой ленты с пропиткой эпоксидным компаундом. Толщина бандажа составляет 3 мм.

Длина основных электродов 1000 мм. В сечение электроды имеют полуцилиндрическую форму с радиусом 25 мм. С торцов электроды закруглены радиусом 25 мм. Со стороны плоской части в электродах имеются 8 резьбовых отверстий для установки проходных шпилек. Между электродами и внутренней стенкой камеры установлены диэлектрические прокладки дисковой формы толщиной 2-3 мм для регулировки межэлектродного промежутка в пределах 20±0,5 мм. Основные электроды соединяются с внешними электродами с помощью шпилек через проходные отверстия в диэлектрической камере. Газовое уплотнение обеспечивается конусообразными резиновыми кольцами, которые поджимаются диэлектрической втулкой и металлической гайкой. Проходная шпилька соединяется гибким токовым контактом с поверхностью внешних электродов. Контакт поджимается к проходной шпильке контактной гайкой, а к внешнему электроду фланцем. К контактной гайке присоединена стойка, к которой подсоединен омический делитель напряжения. Второй конец делителя соединен с управляющим электродом через проходную шпильку. Газовое уплотнение обеспечивается резиновыми кольцами, которые поджимаются диэлектрической втулкой и металлической гайкой. Проходная шпилька имеет резьбовое соединение с управляющим электродом, на внешней стороне шпильки установлены разделительные конденсаторы.

Секции управляющих электродов выполнены в виде пластин, которые с одной стороны заострены, а с другой стороны соединены со стержнями цилиндрической формы. Общее количество электродов 8 штук. Ширина электрода 110 мм. В заостренной части электродов имеются пазы прямоугольной формы глубиной 10 мм и шириной 10 мм или цилиндрической формы с радиусом 5 мм. Радиус закругления острой кромки 0.5 мм. Угол заострения 9°. Для взаимной юстировки поджигающие электроды соединены между собой диэлектрическими шпильками 17 (фиг.3), установленными в заглубления стержней.

Магнитный компенсатор представляет собой металлический стержень с внешним диаметром 50 мм. На торцах стержня имеются резьбовые отверстия для крепления окон. Длина компенсатора составляет 1240 мм.

Внешние электроды обеспечивают соединение основных электродов разрядника с испытательным источником напряжения. Одновременно электроды создают дополнительные механические усилия по сжатию диэлектрической камеры. Внутренняя поверхность электродов в области диэлектрической камеры имеет эллиптический профиль, выполненный по профилю внешней поверхности камеры с учетом толщины пленочной изоляции. Со стороны источника внутренняя поверхность электродов плоская. Переходы между внутренними поверхностями электродов имеют соответствующие закругления. Для установки проходных шпилек, соединяющих внешние электроды с электродами разрядника, в них имеется 8 проходных отверстий. Ширина электродов 1000 мм, материал - алюминиевый сплав.

Гибкие токовые элементы имеют тарельчатую форму и выполнены из медного листа толщиной 0.5-1 мм. Элементы соединяются со шпильками с помощью гаек, а с шинами соединяются с помощью накидных фланцев.

Пленочная изоляция расположена между внешними электродами и камерой и выполнена в виде двух многослойных листов, соединенных внахлест с пленочной изоляцией источника. Ширина изоляции превышает ширину внешних электродов для обеспечения необходимой электрической прочности. Изоляция выполнена из полиэтиленовой пленки, общая толщина каждого листа составляет 2-3 мм.

Омические делители обеспечивают деление высокого напряжения между зазорами разрядника в режиме зарядки конденсаторной батареи. Общее количество делителей - 8 штук. Каждый из делителей состоит из двух секций, состоящих из двух последовательно соединенных сопротивлений типа КЭВ-5 (5 Вт, 230 МОм). Секции резисторов установлены между основными и поджигающими электродами разрядника.

Разделительные конденсаторы состоят из двух последовательно соединенных конденсаторов с емкостью 10 нФ и напряжением 40 кВ.

Смотровое окно 15 (фиг.3) предназначено для фотографирования каналов разряда. Окно выполнено в виде диска из органического стекла, которое прижимается к торцу камеры накидным фланцем. Между диском и поверхностью камеры установлена резиновая прокладка.

Предохранительное окно 16 предназначено для предохранения от разрушения диэлектрической камеры при нештатной одноканальной коммутации энергии конденсаторной батареи. Окно состоит из переходного фланца, мембраны, прижимного фланца и заостренной шпильки. Мембрана выполняется из лавсановой пленки. Толщина мембраны и выступ заостренной шпильки относительно плоскости прижимного фланца подбирается опытным путем. С двух сторон переходного фланца установлены уплотнительные резиновые прокладки.

В качестве рабочей среды в разряднике может использоваться азот, смесь азота с аргоном, смесь азота с элегазом, сухой (синтетический) воздух при давлении до 5 атм.

В состав схемы включения разрядника (фиг.5) входят накопительный емкостной модуль 18, ограничительное (нагрузочное) сопротивление 19, индуктивность модуля и ошиновки 20, делитель напряжения 21, балластное сопротивление 22, заземлитель 23, многоканальный рельсовый разрядник, схематично изображенный в виде основных электродов 24 и 25, секционированного управляющего электрода 26 (для примера показаны три секции). Емкостной модуль соединен с основными электродами плоскими шинами с пленочной изоляцией (шины не показаны). Острая кромка каждой из секций управляющего электрода 26 профилирована пазами квадратной формы. Острая кромка каждой из секций управляющего электрода второго исполнения 27 профилирована пазами полукруглой формы. При этом шаг между пазами равен двойной ширине пазов, а расстояние между образующимися кромками равно величине зазора между управляющим и основными электродами. Импульс управляющего напряжения 28 на каждую из секций управляющего электрода подается по кабелю 29 через согласующее сопротивление 30, разделительный конденсатор 31 и конструктивную индуктивность ввода секции 32. Напряжение и ток пускового импульса регистрируются соответственно делителем напряжения 33 и шунтом 34. Между основными и управляющим электродами установлено восемь секций делителя напряжения 35. Величина емкости разделительного конденсатора 31 значительно превышает величину суммарной емкости секции относительно основных электродов 35.

Для выбора минимальной толщины стенки разрядной камеры, изготовленной из капролона, и толщины стеклопластикового бандажа проводились расчеты напряженно-деформированного состояния конструкции методом конечных элементов. Камера подвергалась внутреннему воздействию статического давления 5 атм, что соответствовало максимальному рабочему давлению газовой среды, и динамической нагрузке амплитудой 50 атм с экспоненциальным спадом в течение 100 мкс, что соответствовало равномерному энерговыделению и релаксации 50 кДж в объеме камеры.

На фиг.6 для примера представлена конечно-элементная модель расчета сектора камеры без бандажа на воздействие статической нагрузки. Распределения x- и y-компонент механического напряжения приведены на фиг.7 и 8 соответственно. В самом тонком месте камеры (10 мм) запас прочности на растяжение составляет ~20. При воздействии динамической нагрузки с учетом вклада трех первых частот собственных колебаний этот запас снижается до 3,6. Введение 3-мм бандажа увеличивает запас прочности до 15 для x-компоненты и до 8 для y-компоненты. В самом бандаже наиболее опасна x-компонента, запас прочности при растяжении составляет 5.4, хотя в статике этот запас почти на порядок выше.

Проведен расчет электростатических полей в многоканальном рельсовом разряднике для разных режимов. В статическом режиме (фиг.9) напряженность электрического поля на рабочих поверхностях высоковольтного и низковольтного электродов достигает 56 кВ/см, на острие управляющего электрода 47 кВ/см. Применение магнитного компенсатора и управляющего электрода с цилиндрическим утолщением позволяет снизить максимальные значения тангенциальной компоненты напряженности электрического поля в статическом режиме до приемлемого уровня. Так, максимальная величина тангенциальной составляющей напряженности электрического поля на границе изолятор-газ составляет 13 кВ/см, на границе изолятор-воздух 15 кВ/см.

В управляемом режиме (фиг.10) при подаче на управляющий электрод импульса напряжения отрицательной полярности с амплитудой (-160) кВ напряженность электрического поля на поверхности высоковольтного электрода составляет 220 кВ/см, на поверхности низковольтного электрода 112 кВ/см, а на острие управляющего электрода 698 кВ/см. Таким образом, напряженность электрического поля на кромке управляющего электрода возрастает более чем в 10 раз, что позволяет получать большое количество эмиссионных центров. В перенапряженном верхнем зазоре средняя напряженность достигает 210 кВ/см при коэффициенте перенапряжения 4.2, что способствует развитию большого количества электронных лавин с управляющего электрода и формированию стримеров.

Отметим высокие значения тангенциальных составляющих напряженности поля на границах диэлектрик-газ и диэлектрик-воздух, возникающих на правой половине разрядника в режиме управления (55 и 70 кВ/см соответственно). Однако такая опасная ситуация существует лишь короткое время до пробоя верхнего промежутка.

После пробоя и замыкания верхнего промежутка (фиг.11) максимальная величина тангенциальной составляющей электрического поля на границе изолятор-газ составляет 26 кВ/см, на границе изолятор-воздух 30 кВ/см, что существенно выше статических величин, но ниже величин в режиме управления. Напряженность электрического поля на острие управляющего электрода 245 кВ/см. Средняя напряженность электрического поля в нижнем промежутке (100 кВ/см) и напряженность на кромке управляющего электрода ниже соответствующих величин в предыдущем режиме. Но электронная и фотоионизация газа, происшедшая в предыдущем режиме, создает достаточные условия для эффективного пробоя нижнего промежутка.

Испытания экспериментального образца предлагаемого изобретения показали достаточную механическую (статическую и динамическую) прочность корпуса разрядника. При общем количестве разрядов более 1000 как в управляемом многоканальном режиме, так и в режиме самопробоев при заряде емкостного накопителя до 100 кВ, что обеспечивало токи амплитудой до 1000 кА, не было ни одного случая даже частичного разрушения корпуса. В то же время разрядник продемонстрировал высокую управляемость. На фиг.12 приведены зависимости задержки срабатывания разрядника τ от зарядного напряжения накопителя U_o при различных давлениях газа: 1-5,5 атм, 2-4,5 атм, 3-3 атм, 4-1,5 атм, 5-1 атм (фиг.9а - чистый азот, фиг.9б - смесь азота с аргоном 20%Ar+80%N₂ - кривые 2-4 и 60%Аr+40%N₂ - кривая 5). Диапазон изменения рабочего напряжения 5-80 кВ можно пройти путем нескольких переустановок давления, при этом задержка срабатывания не выходит за допустимую величину 100 нс [4. Burtsev V.A., Babalin A.I., Bol’shakov E.P., Dubianskiy V.A., Getman D.V., Kozlov V.P., Sedov A.V., Chernobrovin V.I., Pecherskiy O.P. Commutating equipment of the low-inductance high-voltage capacitive storage module. Digest of technical papers on Pulsed Power Plasma Science Conference PPPS-2001 (June 17-22, 2001, Las Vegas, Nevada, USA), v.1, pp.1750-1753].

Фотографирование поджигающих разрядных каналов через торцевое окно под небольшим углом к оси камеры при незаряженном емкостном накопителе показало, что на каждую секцию приходится как минимум один хорошо развитый канал (фиг.13а). При этом основной разряд показывает высокую однородность свечения (фиг.13б), а анализ эрозионных следов на основных электродах (фиг.13в) подтверждает работу практически каждого уголкового острия на управляющем электроде (расстояние между соседними эрозионными следами соответствует расстоянию между остриями - 10 мм). Высокую степень развязки разрядных каналов демонстрирует фиг.14: отсутствие некоторых поджигающих каналов по каким-либо причинам, в том числе из-за аварийных электрических пробоев, не нарушает работу остальных каналов (фиг.14а), структура основного разряда определяется работающими поджигающими каналами, и никакого перераспределения плотности тока вдоль электродов не происходит (фиг.14б).

Многоканальный рельсовый разрядник работает следующим образом. Накопительный емкостной модуль 18 заряжается от высоковольтного источника постоянного напряжения положительной полярности до U_o. Балластное сопротивление 22 ограничивает зарядный ток емкостного модуля, его величина выбирается в зависимости от мощности высоковольтного источника. Величина зарядного напряжения контролируется с помощью делителя напряжения 21. Напряжение прикладывается к электродам многоканального рельсового разрядника, один электрод 24 которого заземлен. Для равномерного распределения напряжения между зазорами разрядника используются восемь секций делителя напряжения 35. После зарядки емкостного модуля до необходимого напряжения от восьмиканального генератора подается импульс управляющего напряжения отрицательной полярности 28 по кабелю 29. Количество кабелей соответствует количеству секций управляющего электрода 26. Длина кабеля составляет не менее 10 м, что при двойном пробеге волны напряжения равно длительности поджигающего импульса напряжения. Импульс управляющего напряжения через согласующее сопротивление 30, разделительный конденсатор 31 и конструктивную индуктивность ввода секции 32 поступает на управляющий электрод разрядника. Разделительный конденсатор в режиме зарядки емкостного модуля отделяет пусковую цепь от многоканального разрядника. Суммарная величина разделительного конденсатора более чем в 100 раз превышает величину суммарной емкости секции относительно основных электродов 35. Согласующее сопротивление 30 обеспечивает защиту кабеля при коммутации разрядника, его величина равна величине волнового сопротивления кабеля.

При поступлении импульса управляющего напряжения на управляющий электрод разрядника его амплитуда удваивается. Максимальная амплитуда управляющего напряжения в режиме бегущей волны составляла (-100) кВ. В экспериментах оптимальным режимом была определена амплитуда (-80) кВ, при этом фронт импульса составлял 10 нс, а длительность импульса на полувысоте составляла 100 нс. В зазорах многоканального разрядника резко искажается электрическое поле. Напряженность электрического поля на поверхности высоковольтного электрода составляет 220 кВ/см, на поверхности низковольтного электрода 112 кВ/см, а на острие управляющего электрода 698 кВ/см. Таким образом, напряженность электрического поля на кромке управляющего электрода возрастает более чем в 10 раз, что позволяет получать большое количество эмиссионных центров. Поскольку секции управляющего электрода отделены друг от друга, то эмиссионные центры возникают на каждой секции. Кроме этого, острия секций управляющего электрода имеют пазы, на острых кромках которых резко усиливается напряженность электрического поля, что также приводит к появлению эмиссионных центров. В перенапряженном верхнем зазоре средняя напряженность достигает 210 кВ/см при коэффициенте перенапряжения 4.2, что способствует развитию большого количества электронных лавин с управляющего электрода и формированию стримеров. Происходит пробой и замыкание верхнего зазора многоканального разрядника. На острие управляющего электрода возникает напряженность электрического поля 245 кВ/см. Средняя напряженность электрического поля в нижнем промежутке (100 кВ/см), и напряженность на кромке управляющего электрода ниже соответствующих величин в предыдущем режиме. Но электронная и фотоионизация газа, происшедшая в предыдущем режиме, создает достаточные условия для эффективного пробоя нижнего промежутка.

Амплитуда тока в разряднике определяется параметрами разрядного контура, состоящего из накопительного модуля 18, ограничительного (нагрузочного) сопротивления 19, индуктивности модуля и ошиновки 20 и собственной индуктивности разрядника. При заряде емкостного накопителя емкостью 20 мкФ до напряжения 100 кВ, амплитуда тока в разрядном контуре достигала 1000 кА. Длительность периода колебаний составляла 5 мкс. Декремент колебаний определялся величиной ограничительного (нагрузочного) сопротивления 19.

Фотографирование процессов в разряднике проводилось через смотровое окно под небольшим углом к продольной оси. Предохранительное окно обеспечивало защиту от разрушения диэлектрической камеры в случае самопробоя разрядника. Проток газа через разрядник происходил через два штуцера, которые установлены по краям камеры.

Высокий уровень предлагаемого технического решения определяется тем, что по сравнению с аналогичными многоканальными рельсовыми разрядниками достигнута цель увеличения механической и электрической прочности диэлектрической камеры и уменьшения индуктивности разрядника за счет применения эллиптической формы внешней поверхности камеры. Высокая многоканальность разряда и его управляемость достигается разделением управляющего электрода на несколько секций, на каждую из которых подается импульс управляющего напряжения по отдельному каналу, а также наличием пазов на острой кромке управляющих электродов.

Изобретение относится к высоковольтной сильноточной импульсной технике и является усовершенствованным многоканальным рельсовым разрядником, содержащим герметичную диэлектрическую камеру с внешней поверхностью эллиптической формы и наложенным на внешнюю поверхность стеклопластиковым бандажом, установленные параллельно друг другу в центральном сквозном отверстии камеры в плоскости ее симметрии по малой оси эллипса основные электроды полуцилиндрической формы и установленный в закрытом отверстии камеры, смещенном в одну сторону от центрального отверстия в плоскости симметрии по большой оси эллипса, управляющий электрод в виде изолированных друг от друга секций в виде пластин, заостренных с одной стороны и соединенных с другой стороны со стержнями цилиндрической формы, имеющих с заостренной стороны пазы квадратной или полукруглой формы с шагом между пазами, равным двойной ширине пазов, и расстоянием между образующимися кромками, равным величине зазора между управляющим и основными электродами, при этом к каждой из секций через проходную уплотненную шпильку подсоединена запускающая электрическая цепь, состоящая из делителя напряжения между электродами, разделительного конденсатора или неуправляемого разрядника, согласующего-демпфирующего резистора и коаксиального кабеля, металлический магнитный компенсатор, установленный в сквозном отверстии диэлектрической камеры с противоположной стороны от управляющих электродов, внешние электроды, выполненные в виде пластин с полуэллиптическими выборками, охватывающими с двух сторон диэлектрическую камеру, при этом между внешними электродами и диэлектрической камерой установлена пленочная изоляция, гибкие токовые контакты, соединяющие внешние электроды и основные электроды, смотровое окно и предохранительный пленочный клапан, установленные на торцевых отверстиях диэлектрической камеры. Изобретение может найти применение для коммутации емкостных малоиндуктивных накопителей энергии на различные электрофизические нагрузки и защиты сильноточных электрических сетей. Технический результат - повышение механической и электрической прочности, достижение высокой многоканальности разряда и повышение его управляемости. 7 з.п. ф-лы, 14 ил.

1. Многоканальный рельсовый разрядник, содержащий установленные параллельно друг другу в герметичной диэлектрической камере основные электроды полуцилиндрической формы и размещенный между ними управляющий электрод с заостренной кромкой, отличающийся тем, что диэлектрическая камера выполнена в виде единой в поперечном сечении конструкции с внешней поверхностью эллиптической формы, имеющей центральное сквозное продольное отверстие, а также сквозное и закрытое продольные отверстия, оси которых смещены в разные стороны от центрального отверстия в плоскости симметрии по большой оси эллипса, при этом основные электроды установлены в центральном отверстии в плоскости симметрии по малой оси эллипса, а управляющий электрод установлен в плоскости симметрии по большой оси эллипса со стороны закрытого отверстия.2. Разрядник по п.1, отличающийся тем, что диэлектрическая камера снабжена внешним бандажом, выполненным путем перекрестной намотки стеклотканевой ленты с пропиткой эпоксидным компаундом.3. Разрядник по п.1, отличающийся тем, что управляющий электрод выполнен в виде изолированных друг от друга секций в виде пластин, заостренных с одной стороны и соединенных с другой стороны со стержнями цилиндрической формы, при этом к каждой из секций через проходную уплотненную шпильку подсоединена запускающая электрическая цепь, состоящая из делителя напряжения между электродами, разделительного конденсатора или неуправляемого разрядника, согласующего-демпфирующего резистора и коаксиального кабеля.4. Разрядник по п.1, отличающийся тем, что острая кромка каждой из секций управляющего электрода профилирована пазами квадратной или полукруглой формы, при этом шаг между пазами равен двойной ширине пазов, а расстояние между образующимися кромками равно величине зазора между управляющим и основными электродами.5. Разрядник по п.1, отличающийся тем, что внешние электроды разрядника выполнены в виде пластин с полуэллиптическими выборками, охватывающими с двух сторон диэлектрическую камеру, при этом между внешними электродами и диэлектрической камерой установлена пленочная изоляция.6. Разрядник по п.1, отличающийся тем, что соединение внешних электродов и основных электродов разрядника выполнено с помощью проходных шпилек и гибких токовых элементов.7. Разрядник по п.1, отличающийся тем, что в сквозном отверстии диэлектрической камеры с противоположной стороны от управляющих электродов установлен металлический магнитный компенсатор.8. Разрядник по п.1, отличающийся тем, что на торцевых отверстиях диэлектрической камеры установлены смотровое окно и предохранительный пленочный клапан.