Способ переключения электрического тока в сильноточных электрических цепях и устройство для его осуществления

Способ переключения электрического тока в сильноточных электрических цепях и устройство для его осуществления

Реферат

Изобретение относится к сильноточной импульсной технике и может быть использовано в электрофизических установках для получения мощных электромагнитных импульсов.

Известен способ подключения (замыкания) электрической цепи [П.Н.Дащук, С.Л.Зайенц, В.С.Комельков и др. «Техника больших импульсных токов и магнитных полей». АТОМИЗДАТ, 1970, стр.178], который осуществляется за счет формирования токового канала в межэлектродном промежутке замыкающего устройства. Возникновение токового канала вызвано инициирующим импульсом, генерируемым вспомогательным источником. Недостаток способа состоит в том, что он не реализует переключения электрического тока в цепи.

Известна конструкция разрядника с поджигом тригатронного типа [П.Н.Дащук, С.Л.Зайенц, В.С.Комельков и др. «Техника больших импульсных токов и магнитных полей». АТОМИЗДАТ, 1970, стр.237], содержащего расположенную в корпусе, связанную с источником энергии и пусковым генератором систему из двух основных электродов, образующих межэлектродный промежуток, и управляющего электрода. Недостатком такой конструкции является невозможность осуществления переключения тока.

Известен способ переключения электрического тока в сильноточных электрических цепях [П.Н.Дащук, С.Л.Зайенц, В.С.Комельков и др. «Техника больших импульсных токов и магнитных полей». АТОМИЗДАТ, 1970, стр.187]. Данный способ заключается в создании двух токовых каналов, один из которых служит для подключения первичной цепи, второй - для реализации переключения электрического тока во вторичную. Недостатком способа является необходимость формирования помимо токового канала, подключающего первичную цепь, второго токового канала для осуществления переключения электрического тока во вторичную электрическую цепь. Таким образом, реализуется принудительное переключение электрического тока в электрической цепи посредством дополнительно сформированного токового канала при обязательном условии устойчивого существования токового канала, подключающего первичную цепь. Способ не является технологичным.

Наиболее близким к предлагаемому устройству является устройство для переключения тока (разрядник Мазера и Уильямса) [П.Н.Дащук, С.Л.Зайенц, В.С.Комельков и др. «Техника больших импульсных токов и магнитных полей». АТОМИЗДАТ, 1970, стр.169], состоящее из двух одинаковых, последовательно соединенных в первичной цепи секций. Каждая секция представляет собой размещенную в корпусе систему из трех изолированных друг от друга электродов - двух основных и одного управляющего, подключенных к источнику питания (ИП) и связанных с пусковым генератором. Секции подсоединены раздельно к общей вакуумной системе. Работа данного устройства происходит следующим образом: систему подключают к ИП, при подаче высоковольтного импульса от пускового генератора (ПГ) на управляющий электрод одной из секций между основными электродами образуется токовый канал, коммутирующий первичную электрическую цепь; в определенный момент времени подается следующий высоковольтный импульс от пускового генератора на управляющий электрод другой секции, что приводит к возникновению между основными электродами второй секции, второго токового канала, осуществляющего функцию переключения электрического тока во вторичную цепь. То есть первая секция реализует функцию коммутации (подключения) первичной токовой цепи, а вторая секция - функцию переключения тока во вторичную цепь (система переключения тока во вторичную цепь). Недостатком данной конструкции является наличие посекционной коммутации, что значительно усложняет систему запуска данного устройства и соответственно его конструкцию, а также необходимость применения технологически сложной системы обеспечения вакуума. Помимо этого, зависимость срабатывания устройства от двух пусковых генераторов и наличия двух независимых друг от друга систем электродов увеличивает нестабильность работы устройства и его функционирования. В дополнение к этому реализация функции переключения в данном устройстве требует наличия сформированного при коммутации первичной цепи токового канала в течение всего времени работы устройства, т.е. первичная цепь в принципе не отключается, поскольку секции устройства соединены последовательно.

Задачей предлагаемого решения является оптимизация процесса переключения электрического тока в сильноточных электрических цепях.

Технический результат способа заключается в упрощении возможности его технической реализации (повышении технологичности) за счет исключения ряда операций.

Технический результат способа достигается тем, что в отличие от известного способа переключения электрического тока в сильноточных электрических цепях, состоящего в подключении первичной токовой цепи путем формирования токового канала при ее коммутации и переключении электрического тока во вторичную токовую цепь, в предлагаемом способе переключение электрического тока во вторичную токовую цепь осуществляют в результате движения токового канала, созданного при коммутации первичной цепи.

То есть достижение технического результата обеспечено тем, что по сравнению с более сложным способом-прототипом, состоящим в формировании токового канала для подключения первичной токовой цепи и переключении электрического тока во вторичную токовую цепь с помощью дополнительного коммутатора, в котором формируется дополнительный токовый канал, в предлагаемом способе осуществлено исключение ряда операций за счет того, что переключение электрического тока во вторичную цепь осуществляют в результате движения единственного токового канала, созданного при коммутации первичной цепи.

Сущность способа поясняется следующим образом. Сложность осуществления способа-прототипа связана с использованием наряду с токовым каналом, необходимым для подключения первичной токовой цепи, дополнительного (второго) токового канала для осуществления процесса переключения электрического тока во вторичную токовую цепь, что требует дополнительного (второго) запускающего импульса. В заявляемом способе предложено создать условия, способствующие движению токового канала, и использовать процесс движения сформированного при коммутации первичной цепи токового канала для динамического переключения тока в электрических цепях. Применение в предлагаемом способе единого запускающего (задающего) импульса для формирования единого токового канала, способного обеспечить подключение первичной токовой цепи и в результате движения под действием создаваемых магнитных сил осуществить переключение тока из первичной токовой цепи во вторичную, позволяет значительно упростить условия коммутации, а следовательно, сделать способ более технологичным.

То есть возможность использования единого движущегося токового канала, совмещающего функции подключения и переключения токовых цепей, исключает по сравнению с прототипом такую операцию способа, как формирование второго токового канала, выполняющего функцию переключения, что характерно для прототипа. Это делает заявляемый способ более технологичным.

В заявке предложено одно из возможных устройств, реализующих заявленный способ переключения электрического тока в электрической цепи.

Технический результат устройства для осуществления способа заключается в упрощении конструкции за счет упрощения системы электродов и системы запуска данного устройства. Это обеспечивает удобство эксплуатации заявляемого устройства. Кроме того, повышается уровень его надежности и возникает возможность регулирования времени переключения.

Технический результат устройства достигается тем, что в отличие от известного устройства для переключения тока в сильноточных электрических цепях, содержащего расположенную в герметичном корпусе систему, обеспечивающую подключение первичной цепи, состоящую из двух основных электродов, разделенных межэлектродным промежутком, и связанного с пусковым генератором управляющего электрода, при этом один из основных электродов соединен с потенциальным выводом источника питания, а второй электрод через цепь нагрузки, являющуюся первичной токовой цепью, соединен с заземленным выводом источника питания, а также систему переключения тока во вторичную цепь, в предложенном устройстве система переключения тока во вторичную цепь образована посредством введения в вышеназванную систему электродов дополнительного электрода, расположенного с зазором относительно основных электродов в области выхода из образованного основными электродами межэлектродного промежутка токового канала, формируемого для коммутации первичной цепи, и электрически соединенного через вторичную цепь с заземленным выводом источника питания.

Упрощение конструкции заявляемого устройства по сравнению с прототипом обеспечивается за счет того, что существенно упрощена система запуска устройства и система электродов.

Устройство-прототип для переключения тока в электрической цепи содержит две секции с двумя независимыми системами электродов, управляющие из которых электрически соединены с пусковым генератором. Пусковой генератор задает два независимых высоковольтных импульса, служащих для формирования двух токовых каналов, что существенно усложняет систему запуска устройства и его электродную систему. При этом подключение первичной цепи реализовано с помощью первой секции, а функцию подключения вторичной цепи реализует вторая секция, образующая систему переключения тока во вторичную цепь.

В предлагаемом устройстве использована единая система электродов, состоящая из двух основных, связывающих источник энергии с первичной цепью, образующих систему, обеспечивающую подключение первичной цепи, и введенного в нее дополнительного электрода, расположенного и подключенного к вторичной цепи с образованием системы переключения тока во вторичную цепь заявленным образом, а именно: расположенного с зазором относительно основных электродов в области выхода из основного межэлектродного промежутка токового канала, формируемого для коммутации первичной цепи, и электрически соединенным через вторичную цепь низкой индуктивности с заземленным выводом источника питания. То есть функцию второй секции прототипа выполняет созданная заявляемым образом система переключения тока во вторичную цепь путем введения дополнительного электрода и соответствующая организация его подключения. Пусковой генератор с помощью одного запускающего импульса формирует между основными электродами один токовый канал, которого достаточно для выполнения переключения тока во вторичную цепь, благодаря его естественному движению (между электродами) под действием магнитных сил. В результате этого движения при закорачивании движущимся токовым каналом зазора между основными электродами и дополнительным к источнику энергии подключается вторичная цепь. Таким образом, заявляемое устройство не требует организации второго самостоятельного токового канала по сравнению с прототипом.

Область размещения дополнительного электрода относительно основных определяется из условия обеспечения выхода на него движущегося токового канала.

Время, через которое в данном устройстве происходит переключение тока из первичной цепи во вторичную, определяется совокупностью различных параметров: геометрией электродной системы в целом, а именно: размерами основных электродов, зазором между основными и дополнительным электродами, составом и давлением рабочей среды, заполняющей камеру.

Изменяя геометрию электродной системы и давление газа, можно регулировать время переключения тока из первичной цепи во вторичную.

Упрощение устройства по сравнению с прототипом также связано с отсутствием системы вакуумирования.

Кроме того, в предложенной конструкции снята зависимость срабатывания устройства от двух различных систем электродов, что повышает надежность работы устройства и увеличивает его стабильность. Электродная система может быть выполнена, например, коаксиальной, что не исключает возможности организации заявляемой системы электродов в любой иной геометрии, удовлетворяющей заявленным требованиям.

На чертеже схематично изображено устройство для переключения тока.

Устройство представляет собой расположенную в корпусе 9 систему электродов 1-4, образующих разрядник-кроубар и подключенных к первичной и вторичной токовым цепям общей электрической цепи.

Потенциальный вывод источника питания (ИП) 6 соединен с основным электродом 1, размещенным в диэлектрическом корпусе 9 разрядника - кроубара. Второй основной электрод 2 через нагрузку (Rн) соединен с заземленным выводом источника питания 6, т.е. первичная цепь образована: потенциальный вывод источника питания → основной электрод 1 → газовый зазор, в котором формируется коммутирующий токовый канал 8 между основными электродами 1 и 2 → основной электрод 2 → нагрузка 7 (Rн) → заземленный вывод источника питания. При формировании токового канала между основными электродами в первичной цепи протекает ток I₁. В области выхода движущего токового канала из промежутка между электродами 1 и 2 на некотором расстоянии от торца электрода 1 размещен дополнительный электрод 3, который с помощью участка малоиндуктивной цепи (Lзак) соединен с заземленным выводом источника питания. Т.е. вторичная цепь, по которой после переключения течет ток I₂, образована: потенциальный вывод источника питания → основной электрод 1 → токовый канал 8, закоротивший в результате движения зазор между электродами 1 и 3 → дополнительный электрод 3 → участок малоиндуктивной цепи (Lзак) → заземленный вывод источника. Управляющий электрод 4 расположен с зазором относительно основных электродов 1 и 2 и обеспечивает формирование токового канала между электродами 1 и 2 при подаче на него высоковольтного импульса от пускового генератора (ПГ) 5.

Устройство работает следующим образом. После подключения устройства к источнику питания 6, к первичной и вторичной электрическим цепям, пусковому генератору 5 источник питания заряжается до высокого напряжения. В заданный момент времени от пускового генератора на управляющий электрод 4 подается высоковольтный импульс. В результате инициирования формируется токовый канал 8 в межэлектродном зазоре основных электродов 1 и 2, замыкается первичная цепь, и по ней протекает ток I₁. Токовый канал 8 под действием электромагнитных сил перемещается в межэлектродном зазоре электродов 1 и 2 в направлении дополнительного электрода 3. Через некоторое время, определяемое длиной зазора между электродами 1 и 2, движущийся токовый канал достигает торца электрода 1 и замыкает зазор между электродами 1 и 3, что приводит к подключению вторичной цепи к источнику питания, т.е. происходит переключение тока из первичной цепи во вторичную.

В примере реализации предлагаемого устройства основные электроды 1 и 2 - цилиндрические, коаксиальны друг другу, электрод 3 - цилиндрический, соосный с электродом 1, зазор между электродами 1 и 2 - 3 мм; зазор между электродами 1 и 3 - 3...5 мм, управляющий электрод 4 - кольцевой, симметричный относительно электрода 1, герметичный диэлектрический корпус 9, внутренняя полость разрядника заполнена газом, например азотом либо смесью газов - азот и элегаз (SF6). Давление газа в разряднике 5...7 атм. Источник питания 6 конденсатор ИК-25-12, напряжение зарядки 25 кВ. При коммутации первичной цепи в ней развивается ток I₁=200 кА. В зависимости от длины «l» зазора между электродами 1 и 2 (l=7...15 мм) время, через которое происходит переключение тока из первичной цепи во вторичную, составляет 4...25 мксек соответственно.

В предлагаемом устройстве способ реализуется следующим образом: в разряднике-кроубаре посредством подачи высоковольтного импульса от пускового генератора на управляющий электрод формируется токовый канал между основными электродами 1 и 2, коммутирующий первичную цепь (подключение первичной токовой цепи) и движущийся под воздействием магнитных сил в сторону дополнительного электрода 3. При замыкании основного 1 и дополнительного 3 электродов данным токовым каналом происходит переключение тока из первичной во вторичную цепь. Способ позволяет организовать переключение более технологично, без организации второго токового канала. В результате предложенного способа переключения получен на нагрузке импульс тока длительностью 25...5 мксек и амплитудой ˜200 кА.

Таким образом, создание в заявляемых способе и устройстве условий, способствующих движению токового канала, сформированного при коммутации первичной цепи для ее подключения, и использование этого движения для обеспечения за счет организации системы электродов переключения тока в цепи позволяет сделать способ более технологичным, а устройство относительно простым и надежным, с возможностью регулировки длительности импульса тока в нагрузке путем подбора длины межэлектродного промежутка между основными электродами. Кроме того, оказывается возможным регулирование времени переключения при изменении давления газа в устройстве и изменении величины зазора между основным и дополнительным электродами.

1. Способ переключения электрического тока в сильноточных электрических цепях, состоящий в подключении первичной токовой цепи путем формирования токового канала при ее коммутации и последующем переключении электрического тока во вторичную токовую цепь, отличающийся тем, что переключение электрического тока во вторичную токовую цепь осуществляют в результате движения токового канала, созданного при коммутации первичной токовой цепи.

2. Устройство для переключения тока в сильноточных электрических цепях, содержащее расположенную в герметичном корпусе систему, обеспечивающую подключение первичной цепи, состоящую из двух основных электродов, разделенных межэлектродным промежутком и связанного с пусковым генератором управляющего электрода, при этом один из основных электродов соединен с потенциальным выводом источника питания, а второй электрод через цепь нагрузки, являющуюся первичной токовой цепью, соединен с заземленным выводом источника питания, а также систему переключения тока во вторичную цепь, отличающееся тем, что система переключения тока во вторичную цепь образована посредством введения в вышеназванную систему электродов дополнительного электрода, расположенного с зазором относительно основных электродов в области выхода из образованного основными электродами межэлектродного промежутка токового канала, формируемого для коммутации первичной цепи, и электрически соединенного через вторичную цепь с заземленным выводом источника питания.

3. Устройство по п.2, отличающееся тем, что корпус заполнен газом или смесью газов под давлением.

4. Устройство по п.2, отличающееся тем, что зазор между основными электродами и дополнительным электродом организован с возможностью регулирования.

5. Устройство по п.2, отличающееся тем, что электроды выполнены произвольной формы и геометрии.