Устройство для имитации токов молнии

 

Изобретение относится к импульсной технике и предназначено для воспроизведения мощных импульсных токов молнии в различных энергетических системах, проведения исследований физических закономерностей, проявляющихся при протекании токов больших амплитуд. Изобретение направлено на приближение условий испытаний к реальным путем создания разрядного тока в объекте в виде серии отдельных импульсов. Это достигается тем, что к испытываемому объекту параллельно подсоединяется N-ное количество (по числу создаваемых импульсов) модулей с емкостными накопителями и управляемыми коммутаторами, синхронная работа которых обеспечивается за счет последовательно соединенных пульта управления, многоканального блока задержки и блока запуска, причем для исключения несинхронного срабатывания модулей между разрядниками установлены светонепроницаемые перегородки, а для снижения эрозии электродов коммутаторы выполнены многоканальными. Два модуля выполнены по схеме Аркадьева-Маркса, в одном из которых вместо нагрузочного сопротивления использована взрывающаяся проволочка. 1 табл. 5 ил.

Изобретение относится к импульсной технике и предназначено для воспроизведения мощных импульсных токов молнии и коммутационных помех в различных энергетических системах с целью исследований их воздействия на радиоэлектронную аппаратуру при испытаниях техники.

Известно устройство для имитации токов молнии [1], содержащее соединенные последовательно емкостной накопитель, одна обкладка которого подключена к заземлителю, а к другой подключен коммутатор и исследуемый объект, а между коммутатором и исследуемым объектом включена последовательная цепь, состоящая из дросселя, формирующей линии и разрядника, причем формирующая линия выполнена в виде пучка проводов, имеющих переменный радиус.

Недостатком устройства является невозможность формирования импульсов тока с амплитудой порядка сотни килоампер из-за весьма большого активного и реактивного сопротивления устройства, соединяющего емкостной накопитель и исследуемый объект.

Наиболее близким к заявляемому техническому решению является установка для имитации канала молнии [4]. Она содержит два одинаковых генератора импульсов, каждый из которых состоит из двух последовательно включенных секций, заряжаемых напряжением противоположных полярностей, регулируемых катушек индуктивности, демпфирующих резисторов с устройством закоротки, шунтирующих специальных устройств [2] , четырех вспомогательных батарей конденсаторов, вентилей, дополнительной индуктивности, разрядного промежутка и объекта испытаний.

Установка позволяет имитировать импульс тока молнии, состоящий из двух импульсов, т.е. воспроизводить импульс тока начального удара с максимальной амплитудой до 200 кА и импульс тока повторного удара с максимальной амплитудой до 100 кА [3].

Недостатком данного устройства является невозможность получения импульсов разрядного тока в виде серии отдельных импульсов. Кроме того, для этого устройства характерно относительно высокое (до 200 кВ) напряжение, что усложняет его эксплуатацию при проведении испытаний.

Изобретение направлено на приближение условий испытаний к реальным путем формирования импульсов разрядного тока в виде серии отдельных импульсов при более низком рабочем напряжении.

Это достигается тем, что число модулей, подключенных параллельно объекту испытаний, выбрано соответственно числу имитирующих серий импульсов. Два модуля выполнены по схеме умножения Аркадьева-Маркса, а остальные - просто емкостные накопители с выходным напряжением, равным зарядному. В конструкцию первого модуля заложен принцип: выходное напряжение должно быть в 3 - 4 раза больше зарядного за счет схемы умножения и взрывающихся проволочек. Для исключения несинхронного срабатывания между разрядниками модулей установлены светонепроницаемые перегородки. Для увеличения амплитуды тока и снижения эрозии поверхностей электродов коммутаторы выполнены многоканальными. Устойчивая работа устройства обеспечена системой синхронизации запуска коммутаторов, выполненной в виде последовательно соединенных пульта управления, многоканального блока задержки, каждая выходная цепь которого соединена с соответствующим блоком запуска.

На фиг. 1 представлена упрощенная электрическая схема устройства-имитатора; на фиг. 2 - электрическая схема его блока задержки; на фиг. 3 - эквивалентная электрическая схема первого модуля со взрывающейся проволочкой; на фиг. 4 - осциллограмма импульса тока, формируемая устройством-прототипом; на фиг. 5 - осциллограмма импульса, выдаваемая предлагаемым устройством.

На фиг. 1 обозначены пульт управления 1, блок задержки 2, блок запуска 3.1; 3.2; ... 3.N, многоканальные управляемые коммутаторы 4.1; 4,2; ... 4.N; взрывающаяся проволочка 5; сопротивление нагрузки 6.1; 6.2; ... 6.N; модули 7,1; 7.2; ... 7.N с накопительными конденсаторами 8; зарядные элементы 9.1; 9.2; ... 9.N; объект испытаний 10; коаксиальный измерительный шунт 11; осциллограф 12; измерительная камера 13; источник питания 14; светонепроницаемые диэлектрические перегородки 15.1, 15.2 ... 15.N; интегральные таймеры 16.1; 16.2; ... 16. N (фиг.2); резисторы 17; 18.1; 18.2; ... 18.N; 19.1; 19.2; ... 19.N; 20.1; 20.2 ... 20.N; 25.1; 25.2;... 25.N; конденсаторы 21.1; 21.2; ... 21.N; 22.1; 22.1; ... 22.N; 23.2; 23.2; ... 23.N; 24.1 ... 24.N; диоды 26.1; 26.N; времязадающая цепь 19.1; 22.1; дифференцирующая цепь 24.1; 25.1; 26.1.

Устройство состоит из N параллельно соединенных модулей 7.1; 7.2; ... 7. N, каждый из которых содержит накопительные конденсаторы 8. Модули подсоединены к объекту испытаний 10 через нагрузочные резисторы 6.1; 6.2; ... 6.N. Накопительные конденсаторы заряжаются от источника питания 14. Синхронная работа модулей осуществляется с помощью пульта управления 1, блока задержки 2 и блоков запуска 3.1; 3.2; ... 3.N. Амплитуда тока на выходе измеряется коаксиальным шунтом 11 и осциллографом 12, расположенным в измерительной камере 13. Накопительные конденсаторы 8 заряжаются от источника питания 14.

Для формирования импульсов разрядного тока в виде серии отдельных импульсов (см. фиг. 5) в устройстве заложен принцип поочередного разряда модулей 7.1; 7.2; ... 7.N на испытываемый объект 10. Если использовать устройство-прототип [4], то будет сформирован импульс (см. фиг. 4), состоящий только из импульсов тока начального удара (компонента А) и тока промежуточного удара (компонента Д). Чтобы сформировать импульс тока с максимальной амплитудой 200 кА в устройстве использован индуктивный накопитель, два модуля выполнены по схеме Аркадьева-Маркса, а между выходом первого модуля и испытываемым объектом установлена взрываемая проволочка.

Для передачи максимальной энергии из емкостного накопителя в индуктивность необходимо осуществить взрыв проводника в максимуме тока. Сечение проводника в этом случае определяется соотношением где U_о, кВ - напряжение на выходе емкостного накопителя; R_н, Ом - сопротивление нагрузки; L_к , мкг - индуктивность разрядного контура.

Индуктивность разрядного контура определяется из выражения L_к =L_г+L_п+L_ош, где L_г - индуктивность емкостного накопителя; L_п - индуктивность взрываемого проводника;
L_ош - индуктивность ошиновки и испытываемого объекта;
Проводники подбираются так, чтобы разогрев коммутируемым током приводил к их взрыву в тот момент, когда практически вся энергия конденсатора передана в индуктивность. Взрыв сопровождается резким увеличением сопротивления и коротким импульсом высокого напряжения.

До того, пока проволочка не взорвалась, в модуле запасена энергия , при разряде на нее генератора Аркадьева-Маркса возникает импульс тока
,
где
C - емкость в ударе емкостного накопителя.

Если L_к ведет себя как линия с сосредоточенными параметрами, то при взрыве проволочки на нагрузке Z_н > R_п, где R_п сопротивление проволочки, появится импульс с амплитудой

где
e - основание натурального логарифма;
b - постоянный коэффициент для взрывающейся проволочки;
I - ток, проходящий через объект,
и характерным масштабом длительности

Роль нагрузки в первом модуле играет сама взрывающаяся проволочка.

Если в качестве нагрузки использовать индуктивность испытываемого объекта, то при L_н < L_к в нагрузке появится импульс тока с крутизной нарастания в раз больше по сравнению с той, которая была бы без взрывающейся проволочки. Амплитуда импульса в несколько раз превосходит ударное напряжение конденсаторного источника. Длительность импульса примерно в 20 раз меньше полупериода контура L_кC и может плавно регулироваться изменением длины и количества параллельно взрывающихся проводников (при сохранении их суммарного сечения).

Для формирования второго импульса между вторым модулем и испытываемым объектом установлено сопротивление нагрузки, величина которой примерно в 1,5 раза больше, чем активное сопротивление взрываемой проволочки первого модуля, а емкость в ударе второго модуля меньше первого. Это позволило при одном и том же напряжении на выходе получить импульс с амплитудой в 2,5 раза меньше, т.е. 80 кА. При этом импульс тока повторного удара задержан с помощью блока задержки на время, которое необходимо для того, чтобы амплитуда первого импульса спала до нуля.

Последующие модули выполнены по однокаскадной схеме. Емкость в ударе каждого из модулей уменьшается, в сопротивление нагрузки увеличивается и определяется соотношением RC= 30, где R - сопротивление нагрузки модуля; C - емкость накопительного конденсатора.

Управление коммутаторами модулей осуществляется с помощью системы синхронизации, которая выполнена из последовательно соединенных пульта управления, многоканального блока задержки, каждая выходная цепь которого соединена с входом соответствующего блока запуска. Для исключения несанкционированного срабатывания коммутаторов модулей они изолированы друг от друга светонепроницаемыми диэлектрическими перегородками. Для уменьшения эрозии электродов и уменьшения индуктивности в устройстве использованы многоканальные коммутаторы. Параметры тока регистрировались с помощью коаксиального шунта и запоминающего осциллографа.

Устройство работает следующим образом.

После зарядки накопительных конденсаторов модулей 7.1, 7.2, ... 7.N от источника питания 14 через зарядные резисторы 9.1, 9.2, ... 9.N с пульта управления 1 подается запускающий импульс на вход первого таймера 16.1, который начинает формировать выходной импульс. Конденсатор 22.1 заряжается до тех пор, пока напряжение на его обкладках будет ниже, чем на первом пороговом входе. В момент, когда напряжение на конденсаторе сравняется с напряжением на пороговом входе, таймер 16.1 срабатывает и конденсатор 22.1 быстро разряжается.

Запускающий импульс поступает на вход блока запуска 3.1, где его амплитуда возрастает до значений, необходимых для срабатывания коммутаторов 4.1, 4.2. С приходом первого импульса запуска на коммутатор 4.1 происходит разряд модуля 7.1 на нагрузку, образованную взрывающимся проводником 5 и объектом испытаний 10. После взрыва проводника 5 вся энергия, запасенная модулем 7.1, через образованный канал переходит в объект испытаний 10 в виде импульса тока. Через установленный промежуток времени происходит выдача запускающего импульса через дифференцирующую цепь 2 4.1, 2 5.1, 2 6.1 на блок запуска 3.2 и коммутаторы 4.2 модуля 7.2 Через нагрузочные сопротивления 6.1 формируют на испытываемом объекте 10 второй импульс тока. Аналогичным образом происходит срабатывание остальных таймеров блока задержки и блоков запуска и формирование на испытываемом объекте импульса тока, состоящего из серии отдельных импульсов, следующих друг за другом.

В организации-заявителе было создано устройство для имитации серии импульсов тока молнии.

Конструктивно установка оформлена следующим образом. Емкостные накопители (модули) собраны на конденсаторах ИС5-200-У2 и ИК50-6. Первый модуль собран по двухкаскадной схеме Аркадьева-Маркса из двух секций по 12 конденсаторов в каждой секции (3 шт. последовательность и 4 шт. параллельно). Зарядное напряжение составляло 15 кВ, а напряжение на выходе - 30 кВ. Емкость в ударе первого модуля 20 мкФ. Взрывающийся проводник - медная проволочка длиной 100 мм и диаметром 0,12 мм. Индуктивность разрядного контура составляла 4,7 мкГн, активное сопротивление взрывающейся проволочки и нагрузки R_п + R_н = 0,25 Ом. Импульс тока составил 200 кА при длительности на полувысоте 55 мкс. Емкость в ударе второго модуля 90 мкФ (две секции по 9 шт. ИС5-200 в каждой), напряжение на выходе 30 кВ и сопротивление нагрузки 0,33 Ом. Импульс тока 80 кА при длительности на полувысоте 30 мкс. Третий, четвертый и пятый модули выполнены по однокаскадной схеме с емкостью в ударе 60, 40, 20 мкФ и сопротивлением нагрузки 0,5, 0,75 1,5 Ом соответственно. Импульсы тока 30, 20 и 10 кА соответственно (см. таблицу).

При отработке параметров установки было выявлено, что с увеличением количества взрывающихся проводников при постоянном сечении наблюдается возрастание амплитуды импульса тока и уменьшение его фронта. Установлено также, что длительность фронта определяется соотношением

где
k - коэффициент пропорциональности,
т.е. при L_к=4,7 мкГн, R_н=0,25 Ом, к=0,2...0,3 t_ф=5 мкс.

Подброс тока в первом модуле составил 2,7 раза.

Осциллограмма импульса тока из серии пяти импульсов приведена на фиг. 5. Измерения импульсов проводились коаксиальным шунтом. Низкоомные сопротивления нагрузки изготавливались намоткой нихромовой проволоки диаметром 0,2 мм. Результаты регистрировались на запоминающем социллографе С8-13. В устройстве принят ряд мер для уменьшения электромагнитных наводок. Кабели проведены в экранах. Осциллограф имеет автономное питание.

Основные характеристики устройства приведены в таблице. При постоянных параметрах элементов импульсы обладают достаточной стабильностью. Разброс характеристик импульсов тока от импульса к импульсу не превышает 20%.

Таким образом, предложенная конструкция устройства обеспечивает приближение условий испытаний к реальным путем формирования импульсов тока в виде серии отдельных импульсов при более низких напряжениях. Обеспечивается возможность размещения этого устройства в передвижном варианте, например в кузове-автофургоне, и тем самым проводятся испытания крупногабаритных и стационарных объектов.

Формула изобретения

Устройство для имитации токов молнии, содержащее источник питания, зарядные и нагрузочные резисторы, блоки запуска, пульт управления и набор N модулей, каждый из которых состоит из накопительных конденсаторов и управляемых коммутаторов, причем входы модулей подсоединены через зарядные резисторы к источнику питания, а их выходы - параллельно к объекту испытаний через соответствующий нагрузочный резистор, отличающееся тем, что в него дополнительно введен N-канальный блок задержки, вход которого соединен с пультом управления, первый и последующие выходы подсоединены к входу соответствующего блока запуска каждого модуля, нагрузочный резистор первого модуля выполнен в виде взрывающегося проводника, а произведение величин нагрузочного резистора (R) и разрядной емкости (C) каждого модуля удовлетворяет соотношению RC 30э

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6