МНОГОКАНАЛЬНЫЙ СИЛЬНОТОЧНЫЙ КОММУТАТОР С ПОВЕРХНОСТНЫМ РАЗРЯДОМ Российский патент 2023 года по МПК H01T2/02 H01T4/16 

Изобретение относится к электрофизике и сильноточной импульсной технике и может применяться при создании кило- и мегаамперных генераторов импульсных токов различного назначения, например, для получения импульсных давлений.

Известен управляемый разрядник, описанный в авторском свидетельстве СССР №527786 от 16.02.1973 г., МПК Н01Т 5/00, опубл. 05.09.1976 г., содержащий токоподводящие шины, два основных электрода и один управляющий, расположенный между основными, диэлектрик и канал инициирующего импульса, например, кабель, подключенный одним полюсом к управляющему электроду, отличающийся тем, что, с целью уменьшения его индуктивности, расширения диапазона управляемости и увеличения пропускной способности по току, электроды разрядника размещены на одной стороне диэлектрика с толщиной, меньшей, чем минимальные расстояния между основными электродами, а другая сторона диэлектрика снабжена токопроводом, электрически соединенным с одним из основных электродов и другим полюсом канала инициирующего импульса.

К недостаткам следует отнести нестабильное число формирующихся каналов, приводящее к нестабильности выходных характеристик, относительно высокие индуктивность и активное сопротивление из-за повышенного расстояния между основными электродами.

Также известен управляемый разрядник, описанный в авторском свидетельстве СССР №1246852 от 20.01.1984 г., МПК Н01Т 2/02, опубл. 20.02.1995 г., содержащий два параллельно расположенных протяженных основных электрода и параллельно расположенный между ними протяженный управляющий электрод, которые выполнены в виде ряда дискретных токопроводящих элементов, равномерно распределенных по длине электродов и электрически соединенных между собой, и установлены на одной стороне твердого диэлектрика с толщиной, меньшей расстояния между основными электродами, на другой стороне которого установлен обратный токопровод, подключенный к одному из полюсов канала инициирующего импульса, другой полюс которого подключен к указанному управляющему электроду, отличающийся тем, что, с целью повышения стабильности инициирования многоканального скользящего разряда по поверхности диэлектрика, дискретные токопроводящие элементы каждого электрода подпружинены к поверхности указанного твердого диэлектрика с помощью дополнительно введенных прижимных устройств. Данное техническое решение выбрано в качестве прототипа.

К недостаткам известного устройства следует отнести выполнение протяженных основных электродов в виде дискретных токопроводящих элементов, подпружиненых к поверхности диэлектрика прижимными устройствами, что существенно усложняет изготовление основных электродов и разрядника в целом, повышает локальную эрозию основных электродов, что снижает ресурс работы разрядника, усложняет и повышает стоимость его обслуживания, повышает стоимость одной мегаамперной коммутации.

Задачей изобретения является расширение функциональных возможностей устройства, а именно повышение ресурса работы, надежности и стабильности формирования заданного числа токовых каналов, увеличение рабочего напряжения (увеличение напряжения самопробоя), а также уменьшение индуктивности и активного сопротивления многоканального сильноточного коммутатора с поверхностным разрядом.

Технический результат заключается в обеспечении равномерного распределения тока по параллельным плазменным каналам, расположенным с заданным шагом, повышении надежности за счет увеличения электрической прочности, снижения эрозии электродов и обеспечении стабильного инициирования многоканального скользящего разряда по поверхности диэлектрика.

Это достигается тем, что в многоканальном сильноточном коммутаторе с поверхностным разрядом, содержащем два параллельно расположенных протяженных основных электрода и параллельно расположенный между ними протяженный управляющий электрод, установленные на одной стороне твердого диэлектрика с толщиной, меньшей расстояния между основными электродами, на другой стороне которого установлен обратный токопровод, подключенный к одному из полюсов канала инициирующего импульса, другой полюс которого подключен к указанному управляющему электроду, при этом каждый электрод прижат к поверхности указанного твердого диэлектрика прижимными устройствами, согласно изобретению, основные протяженные электроды выполнены сплошными и равномерно распределены по длине управляющего электрода и в зоне контакта с твердым диэлектриком выполнены ступенчатой формы и утоплены по линии соприкосновения с образованием для поверхности, перпендикулярной поверхности твердого диэлектрика, плавно-сопряженного перехода в поверхность, параллельную поверхности твердого диэлектрика с образованием большего межэлектродного промежутка вблизи поверхности твердого диэлектрика, протяженный управляющий электрод выполнен с зубцами, расположенными с фиксированным шагом h, с n_з количеством зубцов, выбранным из соотношения 3≤I_т/n_з≤30, где I_т - амплитуда коммутируемого импульса тока в кА, расположен несимметрично относительно основных протяженных электродов и прижат к поверхности твердого диэлектрика прижимными устройствами.

Кроме того, с целью обеспечения надежной фиксации, в качестве прижимных устройств использованы прижимной груз и/или прижимные накладки.

Кроме того, с целью повышения надежности формирования заданного количества плазменных каналов (в особенности при низком рабочем напряжении), протяженный управляющий электрод выполнен с зубцами треугольной формы.

Кроме того, с целью повышения ресурса дискретных элементов протяженного управляющего электрода, он выполнен с зубцами прямоугольной формы или трапецеидальной формы.

Кроме того, с целью повышения ресурса основной изоляции, в качестве твердого диэлектрика использован комбинированный диэлектрик «стеклотекстолит-слоистый полиэтилен».

Проведенный заявителем анализ уровня техники, включающий поиск по патентным и научно-техническим источникам информации и выявление источников, содержащих сведения об аналогах заявленного изобретения, позволил установить, что заявителем не обнаружен аналог, характеризующийся признаками, идентичными всем существенным признакам заявленного изобретения, а определение из перечня выявленных аналогов прототипа, как наиболее близкого по совокупности признаков аналога, позволил выявить совокупность существенных по отношению к усматриваемому заявителем техническому результату отличительных признаков в заявленном объекте, изложенных в формуле изобретения.

Следовательно, заявленное изобретение соответствует требованию «новизна» по действующему законодательству.

Для проверки соответствия заявленного изобретения условию изобретательского уровня заявитель провел дополнительный поиск известных решений с целью выявления признаков, совпадающих с отличительными от прототипа признаками заявленного изобретения, результаты которого показывают, что заявленное изобретение не следует для специалиста явным образом из известного технического уровня техники.

Следовательно, заявленное изобретение соответствует требованию «изобретательский уровень».

Предлагаемое изобретение проиллюстрировано чертежами:

на фиг. 1 представлен общий вид устройства;

на фиг. 2 схематически показано поперечное сечение разрядного контура с многоканальным коммутатором;

на фиг. 3 показано схематическое изображение протяженного управляющего (инициирующего) электрода с треугольными зубцами;

на фиг. 4 показано схематическое изображение (вид сверху) прижимных устройств, используемых в многоканальном коммутаторе.

На чертежах введены следующие обозначения:

1 - конденсаторная батарея;

2 - высоковольтный основной протяженный электрод;

3 - протяженный управляющий (инициирующий) электрод;

4 - низковольтный основной протяженный электрод (коллектор);

5 - источник инициирующего импульса;

6 - твердый диэлектрик;

7 - изоляция;

8 - обратный токопровод;

9, 10 - прижимные устройства (прижимные грузы 9 и прижимные пластины 10).

В многоканальном сильноточном коммутаторе с поверхностным разрядом (фиг. 1) искровой промежуток образован двумя основными электродами высоковольтным основным протяженным 2 и низковольтным основным протяженным электродом (коллектор) 4, между которыми расположен третий, управляющий (инициирующий) электрод 3, электрически соединены между собой и установлены на одной стороне твердого диэлектрика 6 с толщиной, меньшей расстояния между основным протяженным электродом 2 и протяженным управляющим (инициирующим) электродом 3, на другой стороне твердого диэлектрика 6 расположена изоляция 7, в контакте с которой установлен обратный токопровод 8, подключенный к одному из полюсов канала источника инициирующего импульса 5, другой полюс которого подключен к протяженному управляющему (инициирующему) электроду 3. При этом основные протяженные электроды 2 и 4 прижаты к поверхности указанного твердого диэлектрика 6 прижимными устройствами 9, например прижимными грузами. Основные протяженные электроды высоковольтный 2 и низковольтный 4 выполнены сплошными и равномерно распределены по длине протяженного управляющего инициирующего электрода 3 и в зоне контакта с твердым диэлектриком 6 и выполнены, по меньшей мере один из них, ступенчатой формы (см. фиг. 1 и 2), и утоплен по линии соприкосновения с образованием для поверхности, перпендикулярной поверхности твердого диэлектрика 6, плавно-сопряженного перехода в поверхность параллельную поверхности твердого диэлектрика 6 с образованием большего межэлектродного промежутка вблизи поверхности твердого диэлектрика 6. Низковольтный основной протяженный электрод 4 может быть выполнен сплошным (без ступенчатой формы и без утопления) по линии соприкосновения с образованием для поверхности, перпендикулярной поверхности твердого диэлектрика, плавно-сопряженного перехода в поверхность, параллельную поверхности твердого диэлектрика 6 без образования большего межэлектродного промежутка вблизи поверхности твердого диэлектрика 6. Протяженный управляющий электрод 3 выполнен с зубцами, например, треугольной формы, расположенными с фиксированным шагом h мм, с n количеством зубцов, выбранным из соотношения 3≤I_т/n_з≤30, где I_т - амплитуда коммутируемого импульса тока в кА. Протяженный управляющий электрод 3 расположен несимметрично относительно основных протяженных электродов 2 и 4 и прижат к поверхности твердого диэлектрика 6 прижимным устройством 10, например, прижимными накладками. Твердый диэлектрик 6 выполнен сплошным из стеклотекстолита; основная изоляция 7 выполнена сплошной из стеклотекстолита или комбинированной - из слоистого полиэтилена. В качестве источника инициирующего импульса 5 использован кабельный импульсный трансформатор. Конденсаторная батарея 1 (источник питания) подключена к высоковольтному электроду 2 и обратному токопроводу 8. Соотношение 3≤I_т/n_з≤30, где I_т ∈ [1; 1200] кА (или 1 кА≤I_т≤1200 кА) - амплитуда коммутируемого импульса тока, выбрано на основе проведенных исследований и справедливо для токов кило- и мегаамперного диапазона суб-, микросекундной и субмилисекундной длительностей.

Работа предлагаемого устройства осуществляется следующим образом. Основные протяженные электроды высоковольтный 2 и низковольтный 4 подключаются к коммутируемой цепи. В заданный момент времени на протяженный управляющий электрод 3 подают высоковольтный импульс с полярностью, противоположной полярности основного протяженного высоковольтного электрода 2; формируют многоканальный разряд по поверхности твердого диэлектрика 6, и происходит коммутация электрической цепи (разрядного контура).

Примером конкретного выполнения может являться многоканальный коммутатор с поверхностным разрядом, содержащий основной протяженный высоковольтный электрод 2 и низковольтный 4, протяженный управляющий электрод 3 выполнен с зубцами треугольной формы, расположенными с фиксированным шагом h=15 мм, с n_з=30 количеством зубцов, расположен несимметрично относительно основных протяженных электродов 2 и 4 и прижат к поверхности твердого диэлектрика 6 прижимным устройством 10, например, прижимными накладками (при этом основные протяженные электроды 2 и 4 прижаты прижимными грузами 9). Низковольтный протяженный электрод 4 выполнен в контакте с твердым диэлектриком без образования большего межэлектродного промежутка вблизи поверхности твердого диэлектрика. Твердый диэлектрик 6 выполнен в виде комбинации «стеклотекстолит - слоистый полиэтилен». В качестве источника инициирующего импульса 5 использован кабельный импульсный трансформатор. Протяженный управляющий электрод 3 инициировал ~30 каналов на поверхности твердого диэлектрика 6.

Предлагаемое техническое решение позволяет осуществлять многоканальную замыкающую коммутацию высоковольтных электрических цепей с кило- и мегаамперными токами суб-, микросекундной и субмилисекундной длительностей.

Заявляемое устройство обеспечивает высокую стабильность формирования заданного числа токовых каналов и выходных характеристик, низкую индуктивность (~ единиц нГн) и активное сопротивление (~ единиц мОм) разрядника; простоту обслуживания; высокую надежность и ресурс работы (малая эрозия электродов и диэлектрика); низкую стоимость одной коммутации мега амперного тока.

Для заявленного изобретения в том виде, как оно охарактеризовано в формуле изобретения, подтверждена возможность его осуществления с помощью вышеописанных конструктивных решений, а именно получен многоканальный сильноточный коммутатор с поверхностным разрядом с улучшенными характеристиками.

Следовательно, заявленное изобретение соответствует условию «промышленная применимость».

Изобретение относится к электрофизике и сильноточной импульсной технике и может применяться при создании кило- и мегаамперных генераторов импульсных токов различного назначения, например, для получения импульсных давлений. Технический результат - обеспечение равномерного распределения тока по параллельным плазменным каналам, расположенным с заданным шагом, повышение надежности за счет увеличения электрической прочности. В многоканальном сильноточном коммутаторе с поверхностным разрядом искровой промежуток образован двумя основными электродами высоковольтным основным протяженным 2 и низковольтным основным протяженным электродом 4, между которыми расположен третий, управляющий электрод 3, электрически соединены между собой и установлены на одной стороне твердого сплошного диэлектрика 6. На другой стороне твердого диэлектрика 6 расположена сплошная изоляция 7, в контакте с которой установлен обратный токопровод 8, подключенный к одному из полюсов канала источника инициирующего импульса 5, другой полюс которого подключен к протяженному управляющему электроду 3. При этом основные протяженные электроды 2 и 4 прижаты к поверхности указанного твердого диэлектрика 6 прижимными устройствами 9 и, по крайней мере, один из них выполнен ступенчатой формы и утоплен по линии соприкосновения с образованием для поверхности, перпендикулярной поверхности твердого диэлектрика, плавно-сопряженного перехода в поверхность, параллельную поверхности твердого диэлектрика с образованием большего межэлектродного промежутка вблизи поверхности твердого диэлектрика. 5 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Многоканальный сильноточный коммутатор с поверхностным разрядом, содержащий два параллельно расположенных протяженных основных электрода и параллельно расположенный между ними протяженный управляющий электрод, установленные на одной стороне твердого диэлектрика с толщиной, меньшей расстояния между основными электродами, на другой стороне которого установлен обратный токопровод, подключенный к одному из полюсов канала инициирующего импульса, другой полюс которого подключен к указанному управляющему электроду, при этом каждый электрод прижат к поверхности указанного твердого диэлектрика прижимными устройствами, отличающийся тем, что основные протяженные электроды выполнены сплошными и равномерно распределены по длине управляющего электрода и в зоне контакта с твердым диэлектриком, по крайней мере один из них, выполнен ступенчатой формы и утоплен по линии соприкосновения с образованием для поверхности, перпендикулярной поверхности твердого диэлектрика, плавно-сопряженного перехода в поверхность, параллельную поверхности твердого диэлектрика с образованием большего межэлектродного промежутка вблизи поверхности твердого диэлектрика, протяженный управляющий электрод выполнен с зубцами, расположенными с фиксированным шагом h, с n_з количеством зубцов, выбранным из соотношения 3≤I_m/n_з≤30, где I_m - амплитуда коммутируемого импульса тока в кА, расположен несимметрично относительно основных протяженных электродов и прижат к поверхности твердого диэлектрика прижимными устройствами.

2. Многоканальный сильноточный коммутатор с поверхностным разрядом по п. 1, отличающийся тем, что в качестве прижимных устройств использованы прижимной груз и/или прижимные накладки.

3. Многоканальный сильноточный коммутатор с поверхностным разрядом по п. 1, отличающийся тем, что управляющий электрод выполнен с зубцами треугольной формы.

4. Многоканальный сильноточный коммутатор с поверхностным разрядом по п. 1, отличающийся тем, что управляющий электрод выполнен с зубцами прямоугольной или трапецеидальной формы.

5. Многоканальный сильноточный коммутатор с поверхностным разрядом по п. 1, отличающийся тем, что твердый диэлектрик выполнен из стеклотекстолита.

6. Многоканальный сильноточный коммутатор с поверхностным разрядом по п. 1, отличающийся тем, что в качестве твердого диэлектрика использован комбинированный диэлектрик «стеклотекстолит-слоистый полиэтилен».