Сильноточная импульсная установка для исследования плазменных прерывателей тока
Область техники: Полезная модель относится к сильноточной импульсной технике и может быть использована в электрофизических установках для получения мощных электромагнитных импульсов с длительностью импульса несколько десятков наносекунд, рентгеновского излучения и т.д. Сущность полезной модели: по сравнению с известной установкой (прототипом), состоящей из электрически связанных между собой модульного первичного источника энергии, модуль которого представляет собой секционированный емкостной накопитель, коммутируемого посредством систем синхронизации и коммутации, а также индуктивного накопителя, состоящего из ветвей передающих линий, связывающих каждый модуль первичного источника энергии через суммирующий коллектор с узлом плазменного прерывателя тока, новым в предлагаемой установке является то, что в качестве емкостного накопителя в модуле первичного источника энергии использован многосекционный генератор импульсных токов, а в индуктивном накопителе установки передающими линиями служат многоэлементные кабельные линии, снабженные в каждой ветви промежуточными маслонаполненными кабельными коллекторами и сходящиеся в суммирующем маслонаполненном кабельном коллекторе. В предлагаемой установке плазмообразующая система может быть выполнена на основе газоплазменных коаксиальных инжекторов. Технический результат: Технический результат состоит в упрощении индуктивного накопителя установки за счет замены типа первичного накопителя энергии, повышении надежности ее работы, а также упрощении плазмообразующей системы.
Полезная модель относится к сильно точной импульсной технике и может быть использована в электрофизических установках для получения мощных электромагнитных импульсов с длительностью импульса несколько десятков наносекунд, рентгеновского излучения и т.д.
Известен аналог - сильноточная импульсная установка, содержащая импульсный генератор тока, основанный на магнитной кумуляции, включающий в качестве первичного источника энергии взрывомагнитный генератор с системами энергообеспечения и подрыва [патент РФ на полезную модель №31896, опубликован БИПМ №24, 27.08.03]. В этом генераторе первичный магнитный поток, созданный в токовом контуре, сжимается с помощью взрыва. Уменьшение индуктивности контура при сохранении магнитного потока приводит к многократному увеличению тока в контуре. Этот тип токового генератора дает возможность формировать мультимегаамперные токи в нагрузке, в частности, в плазменном прерывателе тока (ППТ). Недостаток этого типа генераторов заключается в разрушаемости как самого генератора, так и нагрузки.
Наиболее близким к заявляемой полезной модели является сильноточная импульсная установка для исследования ППТ, выбранная за прототип [Бугаев С.П., Волков А.М., Ким А.А., Киселев В.Н., Ковальчук Б.М., Ковшаров Н.Ф., Кокшенев В.А., Курмаев Н.Е., Логинов С.В., Месяц Г.А., Фурсов В.И., Хузеев А.П. ГИТ 16: мегаджоульный импульсный генератор с плазменным ключом для нагрузок типа Z-пинча. Изв. вузов. Физика. 1997. №12, с.38-66]. Прототип представляет собой установку, содержащую 12-модульный секционированный первичный емкостной накопитель, коммутируемый посредством системы синхронизации и коммутации, индуктивный накопитель и узел ППТ. Каждый модуль состоит из первичного емкостного накопителя, являющегося генератором импульсов напряжения (ГИН), представляющего собой конструкцию, состоящую из девяти параллельных секций, собранных по схеме 12-каскадного генератора Маркса. За каждым модулем следует индуктивный накопитель, содержащий передающую вакуумную коаксиальную линию. Передающие вакуумные линии от двенадцати модулей сходятся на центральном узле, представляющем собой основной вакуумный коллектор, связанный с узлом ППТ. Основной вакуумный коллектор имеет диаметр 1,5 м. Плазмообразующая система использует инжекторы типа flashboard.
Недостатком этой установки является большое выходное напряжение первичного емкостного накопителя - порядка 600...840 кВ, что обусловливает необходимость использования в индуктивном накопителе вакуумных передающих линий, обеспечивающих требуемую электропрочность системы. Это делает сильноточную установку сложной, что связано с необходимостью вакуумирования частей установки.
Задача заключается в совершенствовании установки с точки зрения ее упрощения и удобства эксплуатации. Технический результат состоит в упрощении индуктивного накопителя установки за счет замены типа первичного источника энергии, повышении надежности ее работы, а также упрощении плазмообразующей системы.
Технический результат достигается тем, что по сравнению с известной установкой (прототипом), состоящей из электрически связанных между собой модульного первичного источника энергии, модуль которого представляет собой секционированный емкостной накопитель, коммутируемого посредством систем синхронизации и коммутации, а также индуктивного накопителя, состоящего из ветвей передающих линий, связывающих каждый модуль первичного источника энергии через суммирующий коллектор с узлом плазменного прерывателя тока, новым в предлагаемой установке является то, что в качестве емкостного накопителя в модуле первичного источника энергии использован многосекционный генератор импульсных токов, а в индуктивном накопителе установки передающими линиями служат многоэлементные кабельные линии, снабженные в каждой ветви промежуточными маслонаполненными кабельными коллекторами и сходящиеся в суммирующем маслонаполненном кабельном коллекторе. Кроме того, в предлагаемой установке плазмообразующая система может быть выполнена на основе газоплазменных коаксиальных инжекторов.
Упрощение установки достигается следующим образом. Замена в модуле первичного накопителя энергии типа секционированного емкостного накопителя с генератора импульсов напряжения (ГИН), имеющего место в прототипе, на предлагаемый в заявляемой установке многосекционный генератор импульсных токов (ГИТ) позволяет обеспечить снижение на порядок выходного напряжения модулей, что связано с различием суммирования напряжений и токов в схемах, основанных на ГИН и ГИТ. Электрическая схема, основанная на ГИН, обеспечивает суммирование напряжения секций на выходе первичного емкостного накопителя, в отличие от него схема на ГИТ обеспечивает суммирование токов секций на выходе первичного накопителя с сохранением выходного напряжения накопителя равным зарядному напряжению секции. Происходящее в заявляемом случае снижение выходного напряжения модулей (емкостных накопителей) до уровня электропрочности высоковольтных кабелей
промышленного изготовления делает возможным использование многоэлементных кабельных передающих линий и маслонаполненных кабельных коллекторов (промежуточных, установленных в ветвях передающих линий, и суммирующего, объединяющего передающие линии перед узлом ППТ) с предлагаемой схемой соединения на всех этапах передачи энергии от первичного источника энергии до узла ППТ. Это исключает необходимость использования громоздких вакуумных передающих линий и вакуумных коллекторов, имеющих место в прототипе. В связи с использованием кабельных передающих линий, устройство которых гораздо проще, чем устройство вакуумных передающих линий, повышается надежность работы установки и существенно упрощается ее конструкция. Кроме того, использование газоплазменных коаксиальных инжекторов [В.В.Боровков, К.И.Алмазова, Е.П.Волков, В.Г.Корнилов, С.Ю.Корнилов, В.Д.Селемир, Д.А.Толшмяков, А.А.Хижняков, В.И.Челпанов. Исследование газонаполняемого инжектора плазменного прерывателя тока. Журнал технической физики, 2003, том 73, вып.4, с.38-41] в плазмообразующей системе в заявляемой установке позволяет обеспечить достижение рабочего тока ППТ на уровне, в частности, единиц мегаампер при использовании нескольких инжекторов. Выбор типа инжекторов упрощает устройство плазмообразующей системы по сравнению с обычно используемыми в мегаамперных ППТ конструктивно более сложными плазмообразующими системами типа flashboard. Преимущество газоплазменных инжекторов связано с тем, что они позволяют обеспечить плотность плазмы в межэлектродном зазоре ППТ на уровне единиц 10 16 с-3 ,что более чем на порядок превышает плотность плазмы в ППТ прототипа.
На фигуре изображена схема сильноточной импульсной установки, содержащей систему синхронизации и коммутации, в которой 1 - генератор, задающий временную последовательность пусковых импульсов, поступающих на пусковые генераторы 2, коммутирующие соответствующие первичные емкостные накопители энергии; 3 - модули первичного емкостного накопителя энергии (ГИТ); 4 - многоэлементная кабельная передающая линия; 5 - промежуточный маслонаполненный кабельный коллектор индуктивного накопителя, установленный в ветви передающей линии, соответствующей определенному модулю первичного источника энергии (генератору импульсного тока); 6 - минимизированная по числу кабелей кабельная линия, объединенная в 7; 7 - суммирующий маслонаполненный кабельный коллектор; 8 - импульсный газовый клапан плазменного инжектора; 9 - плазменный инжектор; 10 - узел ППТ; 11 - конденсаторная батарея плазменного инжектора; 12 - конденсаторная батарея газового клапана.
Многоэлементные кабельные линии 4, 6 и масляные коллекторы (промежуточные и суммирующий) 5, 7 образуют индуктивный накопитель заявляемой установки.
В примере реализации полезной модели каждый модуль 3 (рис.1) четырехмодульного первичного емкостного накопителя представляет собой ГИТ, собранный на промышленных конденсаторах типа ИК-100-0.4 по 2 конденсатора в секции. Секции помещены в металлические баки, наполненные трансформаторным маслом. Роль коммутирующего устройства 2 выполняют газонаполненные разрядники тригатронного типа, аналогичные использовавшимся в работе [Авилов Э.А., Воинов Б.А., Юрьев А.Л. Газонаполненные металлокерамические разрядники высокого давления. ПТЭ 2000, №2, с.78-81]. Соответствующие каждому модулю индуктивные накопители представляют собой многоэлементные кабельные передающие линии 4 (ветви передающих линий, связывающие каждый модуль с узлом ППТ), собранные на основе промышленных кабелей типа КВИ-100, в ветвях передающих линий установлены промежуточные маслонаполненные кабельные коллекторы 5. Кабельные линии с минимизированным количеством кабелей 6, аналогичных кабелям в передающих линиях 4, связывают промежуточные коллекторы 5 с суммирующим маслонаполненным кабельным коллектором 7, установленным в металлическом корпусе, за которым следует узел ППТ. Образующие плазменную систему в узле ППТ газоплазменные коаксиальные инжекторы с импульсными газовыми клапанами аналогичны использовавшимся в работе [В.В.Боровков, К.И.Алмазова, Е.П.Волков, В.Г.Корнилов, С.Ю.Корнилов, В.Д.Селемир, Д.А.Толшмяков, А.А.Хижняков, В.И.Челпанов. Исследование газонаполняемого инжектора плазменного прерывателя тока. Журнал технической физики, 2003, том 73, вып.4, с. 38-41]. Конденсаторные батареи плазменных инжекторов и газовых клапанов собраны на основе промышленных конденсаторов. Задающий генератор 1 - генератор импульсов, пусковые генераторы 2 - высоковольтные генераторы пусковых сигналов.
Предлагаемая замена в модуле типа емкостного накопителя (ГИН на ГИТ) позволила перейти к кабельным передающим линиям и смене типа коллектора (маслонаполненные) благодаря снижению выходного напряжения модулей, реализованному, в частности, в заявляемой установке с зарядкой модулей до напряжения 80...95 кВ по сравнению с прототипом, где выходное напряжение модулей 600...840 кВ. Использование промежуточного маслонаполненного кабельного коллектора 5 позволяет минимизировать число кабелей кабельной линии 6, следствием чего является упрощение узла суммирующего маслонаполненного коллектора 7. В примере конкретного исполнения кабельные линии 4 содержат 56 кабелей от каждого из четырех модулей, т.е. всего за
модулями (ГИТ) организовано 224 кабеля. Кабельная передающая линия 6 с минимизированным числом кабелей на участке между маслонаполненньм коллектором 5 и суммирующим маслонаполненньм коллектором 7 содержит уже 7 кабелей от маслонаполненных коллекторов 5, т.е. содержит всего 28 кабелей длиной 1,5 м. Очевидно существенное упрощение индуктивного накопителя установки. Используемые газоплазменные инжекторы позволяют обеспечить плотность плазмы в межэлектродном зазоре узла ППТ 10 на уровне единиц 101 см-3, что более, чем на порядок превышает плотность плазмы в ППТ прототипа при относительной конструктивной простоте. В реализованной установке использовано б инжекторов, заменяющих конструктивно более сложный инжектор прототипа - типа flashboard. Таким образом, предлагаемая замена в модуле типа емкостного накопителя (ГИН на ГИТ) в установках с одинаковым числом модулей позволила перейти к кабельным передающим линиям вместо вакуумных и смене типа коллектора на маслонаполненные, благодаря снижению выходного напряжения модулей, реализованному, в частности, в заявляемой установке с зарядкой модулей до напряжения 80...95 кВ по сравнению с прототипом, где выходное напряжение модулей 600...840 кВ.
Работа устройства начинается с зарядки емкостных накопителей. Пуск задающего генератора 1 осуществляет последовательный по заданной программе запуск генераторов 2, последние осуществляют коммутацию батареи клапанов 12, плазменного инжектора 11 и секций модулей емкостного накопителя 3 ППТ. Срабатывание клапанной батареи приводит к импульсному напуску газа внутрь газоплазменных инжекторов 9. Включение инжекторной батареи вызывает разряд в области газоплазменных инжекторов и инжекцию плазмы в межэлектродный зазор узла ППТ 10. Коммутация разрядников ГИТ приводит к появлению тока в контуре кабельных линий и плазменного прерывателя тока. При достижении током критического уровня, определяемого геометрией и плазменными параметрами ППТ, фазу накопления тока сменяет фаза разрыва тока. При этом наблюдается резкий рост сопротивления плазменного токового канала, генерируется ЭДС самоиндукции, генерируемый электромагнитный импульс передается в нагрузку, в частности в ППТ,
Таким образом, может быть проведено исследование работы ППТ при мощных импульсных токах на базе предлагаемой установки, конструктивно упрощенной по сравнению с прототипом за счет смены типа первичного модульного накопителя энергии (модуль - многосекционный ГИТ ), повлекшей за собой возможность при формировании индуктивного накопителя установки заменить сложную вакуумную систему передающих
линий с соответствующими ей вакуумными коллекторами на кабельные передающие линии с маслонаполненными кабельными коллекторами.
1. Сильноточная импульсная установка для исследования плазменных прерывателей тока, состоящая из электрически связанных между собой модульного первичного источника энергии, модуль которого представляет собой секционированный емкостной накопитель, коммутируемого посредством систем синхронизации и коммутации, а также индуктивного накопителя, состоящего из ветвей передающих линий, связывающих каждый модуль первичного источника энергии через суммирующий коллектор с узлом плазменного прерывателя тока, отличающаяся тем, что в качестве секционированного емкостного накопителя, входящего в модуль первичного источника энергии, использован многосекционный генератор импульсных токов, а в индуктивном накопителе установки передающими линиями служат многоэлементные кабельные линии, снабженные в каждой ветви промежуточными маслонаполненными кабельными коллекторами и объединенные в суммирующем маслонаполненном кабельном коллекторе.
2. Установка по п.1, отличающаяся тем, что в узле плазменного прерывателя тока плазмообразующая система выполнена на основе газоплазменных коаксиальных инжекторов.
