СОЕДИНИТЕЛЬНЫЙ МОДУЛЬ Российский патент 2016 года по МПК H01J25/00 

Настоящее изобретение относится к области электротехники, а конкретно к устройству электропитания многолучевых клистронов горизонтального исполнения, например: Toshiba Electron Devices (Е3736Н), Thales Electron Devices (TH 1802), Communications and Power Industries (VKL 8301B).

Стоит отметить, что данные клистроны специально разработаны для Европейского XFEL проекта и имеют фланцевое соединение типа KF (Kwik-Flange) со стороны катода. Однако подключение их к импульсному трансформатору оказалось крайне затруднительным в условиях туннеля в силу причин:

- Большой вес клистрона с транспортной платформой (около 3.5 тонн) делает его практически малоподвижным. Что сильно осложняет соединение клистронов с импульсными трансформаторами.

- В XFEL туннеле введены ограничения на работы с минеральными маслами и запрещено применение синтетических жидких диэлектриков. Согласно спецификации катодные объемы клистронов должны быть заполнены жидким диэлектриком на основе минерального масла.

На основании этих причин было предложено подключение клистронов к импульсным трансформаторам через специальный узел - Соединительный модуль (в дальнейшем СМ) и высоковольтное кабельное соединение. Соединительный модуль состоит из корпуса, на одной стороне которого выполнено фланцевое соединение типа KF (Kwik-Flange), а с другой стороны установлен высоковольтный разъем типа Pfisterer 3/S. Внутри корпуса Соединительный модуль содержит разделительный трансформатор коаксиального типа с разомкнутым магнитопроводом, трансформатор тока, высоковольтный делитель напряжения, водяную систему охлаждения, блок датчиков контроля, узел наполнения и слива масла.

Технический результат состоит в улучшении эксплуатационных характеристик и упрощении конструкции Соединительного модуля.

Из существующего уровня техники известно устройство, состоящее из разделительного трансформатора коаксиального типа с разомкнутым магнитопроводом. / В.Е. Балакин, В.Ф. Каситский, В.В. Кобец и др. Проект системы высоковольтного питания комплекса ВЛЭПП. Труды 12 Всесоюзного совещания по ускорителям заряженных частиц. Дубна. 1992 г., 3-5 октября, стр. 260-263/. Корпус данного устройства с обеих сторон выполнен под фланцевое соединение. Известное устройство неспособно обеспечить гибкость в соединении клистрона к высоковольтному источнику питания, не имеет датчиков для измерения тока и напряжения клистрона, в нем предусмотрена система охлаждения за счет теплоотдачи в окружающую среду, что крайне нежелательно в условиях эксплуатации XFEL туннеля.

Наиболее близким к заявленному техническому решению (прототипом) является устройство, включающее в себя разделительный трансформатор коаксиального типа с разомкнутым магнитопроводом, трансформатор тока, емкостной делитель напряжения, водяную систему охлаждения, датчики уровня и температуры масла, высоковольтный изолятор / V.Vogel, А. Cherepenko, S. Choroba, J. Hartung, P. Bak, A. Korepanov, N. Evmenova. Connection module for the European X-ray FEL 10 MW horizontal multibeam klystron. Proc. IP AC 10, Kyoto, Japan, THPEB043, 2010 г./. Корпус данного устройства имеет с одной стороны фланцевое соединение типа KF, а с другой стороны установлен высоковольтный разъем типа ESSEX R28. Недостатками данного технического решения являются: недостаточное электромагнитное экранирование разделительного трансформатора коаксиального типа с разомкнутым магнитопроводом, малоэффективная конструкция водяной системы охлаждения, устройство избыточно осложнено применением высоковольтного изолятора, низкая надежность используемого кабельного соединения на основе высоковольтного разъема типа ESSEX R28.

Задачей изобретения является устранение указанных выше недостатков за счет изменения конструкции Соединительного модуля.

Эта задача решается тем, что в Соединительном модуле, содержащем корпус, с одной стороны которого имеется фланцевое соединение типа KF, а с другой стороны - высоковольтный разъем, включающем в себя разделительный трансформатор коаксиального типа с разомкнутым магнитопроводом, высоковольтный делитель напряжения, трансформатор тока, водяную систему охлаждения, согласно изобретению, снаружи и с торца первичной обмотки разделительного трансформатора коаксиального типа установлены экраны из немагнитного электропроводящего материала, вторичная обмотка разделительного трансформатора коаксиального типа закреплена на торец высоковольтного разъема, а на трубки водяной системы охлаждения добавлены дополнительные пластины.

Отличительными признаками изобретения являются:

- с торца и с наружной стороны первичной обмотки разделительного трансформатора коаксиального типа установлены экраны из немагнитного электропроводящего материала (что снизило уровень электромагнитного излучения разделительного трансформатора);

- вторичная обмотка разделительного трансформатора закреплена к торцу разъема Pfisterer 3/S (что позволило упростить конструкцию Соединительного модуля за счет исключения высоковольтного изолятора);

- на водяные трубки системы охлаждения добавлены дополнительные пластины U образного исполнения (что расширило допустимый температурный диапазон эксплуатации СМ);

- взамен высоковольтного разъема ESSEX R28 применен высоковольтный разъем Pfisterer 3/S (что полностью исключило случаи повреждения кабельного соединения по причине недостаточной электрической прочности разъема ESSEX R28 при импульсном характере работы.

Это повысило надежность работы Соединительного модуля

Сущность изобретения поясняется чертежами, на которых изображено:

На фиг. 1 - общий вид СМ;

На фиг. 2 - способ подключения клистронов горизонтального исполнения ТН 1802 к импульсному трансформатору через СМ;

На фиг. 3 - эквивалентная схема разделительного трансформатора;

На фиг. 4 - исполнение ВДН;

На фиг. 5 - расположение блока датчиков контроля;

На фиг. 6 - зоны измерения температуры в СМ при тепловых испытаниях;

На фиг. 7 - изометрический вид радиатора водяной системы охлаждения.

Конструкция предлагаемого СМ, приведенная на фиг. 1, содержит разделительный трансформатор коаксиального типа с разомкнутым магнитопроводом, на первичную обмотку (1) которого снаружи и со стороны крепления ее к корпусу СМ (3) установлены медные магнитные экраны (10), вторичную обмотку (2), закрепленную на высоковольтный разъем Pfisterer 3/S (4), который в свою очередь установлен на заднюю стенку корпуса СМ, трансформатор тока (5), высоковольтный делитель напряжения (7), верхнее плечо которого выполнено в виде конструктивной емкости, водяную систему охлаждения (6), расположенную в расширительном объеме корпуса СМ, блок датчиков контроля (8) и узел наполнения и слива масла (9).

Соединительный модуль, конструкция и способ применения которого показаны на фиг. 1, 2, работает следующим образом.

Перед транспортировкой в туннель СМ соединяется с клистроном горизонтального исполнения при помощи фланцевого соединения типа KF. Первой операцией на стадии соединения выполняется проводное подсоединение катода и подогревателя клистрона к соответствующим электродам СМ (11). После состыковки объем СМ и катодный объем клистрона заполняется минеральным маслом через узел наполнения и слива масла (9) до расчетного уровня исходя из температуры масла и типа клистрона. Затем объем СМ герметично уплотняется крышкой с блоком датчиков контроля (8). Воздухоосушитель масла (12) заполняется силикагелем.

В туннеле сборка клистрон - СМ и импульсный трансформатор в свободной позиции соединяются высоковольтным кабельным соединением через разъемы Pfisterer 3/S для электропитания катода клистрона (фиг. 2).

Передача мощности подогревателю катода клистрона в СМ выполнена через разделительный трансформатор коаксиального типа с разомкнутым магнитопроводом. Данная конструкция трансформатора оптимальным образом обеспечивает высоковольтную развязку между первичной и вторичной обмотками, но обладает коэффициентом магнитной связи между обмотками k существенно меньше единицы.

где: L1 - индуктивность первичной обмотки, L2 индуктивность вторичной обмотки, М - взаимная индуктивность.

Эффективная передача мощности в таком трансформаторе возможна при помощи двух колебательных контуров, настроенных в резонанс (фиг. 3).

Условия получения максимального КПД данной схемы следующие:

1. Собственные частоты контуров

должны быть равны между собой и частоте генератора ƒ.

2. Нагруженная добротность вторичного контура должна быть равна

где: Q_2H - нагруженная добротность вторичного контура. /Ю.Д. Валяев, И.В. Казарезов, В.И. Кузнецов, В.П. Останин. Малогабаритный высокочастотный разделительный трансформатор для питания устройств, расположенных под высоким потенциалом. Препринт ИЯФ СО АН СССР, 89-160. Новосибирск, 1989 г./.

Магнитные поля рассеивания коаксиального трансформатора с разомкнутым магнитопроводом эффективно экранируются установкой медных экранов (10). Учитывая влияние "скин-эффекта" (в нашем случае ~1.7 мм) при установке медных экранирующих колец толщиной 2 мм снижаем индукцию магнитного поля рассеяния на поверхности корпуса СМ до 1 Гаусс, а на оси трансформатора (в области катодного фланца клистрона) до 0.4 Гаусс.

Трансформатор тока (5) спроектирован как встроенный, без собственной первичной обмотки. Роль первичной обмотки выполняет потенциальный электрод высоковольтного разъема Pfisterer 3/S. Вторичная обмотка намотана на тороидальный магнитопровод.

Высоковольтный делитель напряжения (ВДН) спроектирован по принципу емкостного делителя с конструктивной емкостью на стороне высокого напряжения, образованной промежутком (А) между электростатическим экраном, установленным на катоде клистрона и круглой пластиной, закрепленной на вертикальную стенку фланцевого соединения (фиг. 4). Выбор данной конструкции емкости на стороне высокого напряжения обоснован, прежде всего:

- надежностью. Градиент напряженности электрического поля в этой области <35 кВ/см;

- простотой и технологичностью изготовления, что очень важно при серийном производстве.

Блок датчиков контроля расположен на верхней съемной крышке СМ (фиг. 5). Данное местоположение позволяет проводить диагностику и при необходимости произвести замену датчиков просто и доступно. В СМ предусмотрены три типа датчиков, обеспечивающих контроль максимального и минимального допустимого уровня масла; температуры масла и его влажности.

Водяная система охлаждения СМ собрана на основе бесшовной медной трубки с внутренним диаметром 12 мм и общей длиной 3 м, свитой внутри расширительного объема СМ. Для увеличения площади теплосъема на горизонтальные части трубки дополнительно напаяны U-образные пластины из меди толщиной 1 мм. Таким образом, была достигнута общая площадь радиатора 0.43 м² с тепловым сопротивлением $$0.05\frac{К}{Вт}$$ .

Эффективность системы водяного охлаждения экспериментально подтверждается равномерностью картины температурного поля внутри объема СМ и клистрона.

Подача и слив воды в систему охлаждения выполнены через быстроразъемные соединения типа SP 3 производства Nitto-Kohki.

Узел наполнения и слива масла расположен в самой нижней точке СМ, благодаря чему минимизирована возможность образования воздушных пазух при наполнении объема маслом и достигается полный слив масла при откачки. Узел наполнения и слива масла выполнен в виде трех основных частей: фитинга GF-143R (Schwer), углового крана ITO298 (Itap), быстроразъемного фитинга типа DDC-V 25-1 (Elaflex).

Тестовые испытания первого образца СМ, проведенные в DESY (Германия), и последующая их серия из 33 штук для XFEL проекта подтвердили, что заявленная конструкция Соединительного модуля:

- обеспечивает надежную работу и удобное подключение клистронов горизонтального исполнения типа Toshiba Electron Devices (Е3736Н), Thales Electron Devices (TH 1802), Communications and Power Industries (VKL 8301B) через кабельное высоковольтное исполнение к импульсному трансформатору;

- за счет магнитных экранов, установленных снаружи и на торце первичной обмотки разделительного трансформатора, индукция магнитного поля рассеяния трансформатора на поверхности корпуса СМ ниже в 3 раза, на оси трансформатора (в области катодного фланца клистрона) в 2.5 раза, чем у прототипа;

- за счет установки дополнительных пластин U образного исполнения на систему водяного охлаждения тепловое сопротивление радиатора ниже в 4 раза, чем у прототипа;

- исключение технологически сложного изделия - высоковольтного изолятора из заявленной конструкции СМ позволило упростить сборку и удешевить изготовление СМ на 11%.

Изобретение относится к области электротехники, а конкретно к способу электропитания многолучевых клистронов горизонтального исполнения. Соединительный модуль содержит разделительный трансформатор коаксиального типа с незамкнутым магнитопроводом, на первичную обмотку (1) которого снаружи и со стороны крепления ее к корпусу СМ (3) установлены медные магнитные экраны (10), вторичную обмотку (2), закрепленную на высоковольтный разъем (4), который в свою очередь установлен на заднюю стенку корпуса СМ, трансформатор тока (5), высоковольтный делитель напряжения (7), верхнее плечо которого выполнено в виде конструктивной емкости, водяную систему охлаждения (6), расположенную в расширительном объеме корпуса СМ, блок датчиков контроля (8) и узел наполнения и слива масла (9). Технический результат - улучшение эксплуатационных характеристик и упрощение конструкции соединительного модуля. 2 з.п. ф-лы, 2 ил., 11 ил.

1. Соединительный модуль для электропитания клистронов горизонтального исполнения, содержащий корпус из коррозионностойкой стали (сплава) с низкой магнитной проницаемостью, с одной стороны которого имеется фланцевое соединение, а с другой стороны - высоковольтный разъем, причем внутри корпуса расположены высоковольтный делитель напряжения, трансформатор тока, водяная система охлаждения, разделительный трансформатор коаксиального типа с разомкнутым магнитопроводом, отличающийся тем, что снаружи и с торца первичной обмотки разделительного трансформатора коаксиального типа установлены экраны из немагнитного электропроводящего материала.

2. Соединительный модуль по п. 1, отличающийся тем, что вторичная обмотка разделительного коаксиального трансформатора закреплена на высоковольтном разъеме.

3. Соединительный модуль по п. 1, отличающийся тем, что радиатор водяной системы охлаждения, расположенный в верхней части корпуса, имеет тепловое сопротивление не более $$0.05\frac{К}{Вт}$$ .