Многоканальный генератор высоковольтных импульсов

Многоканальный генератор высоковольтных импульсов

Иллюстрации

Показать все

Реферат

 

(II> 738115

Союз Советских

Социалистических

Республик

О П

ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (61) Дополнительное к авт. свид-ву (22) Заявлено 1 1.07.77 (2! ) 2506464/18-21 с присоединением заявки РЙ (23) Приоритет (5i)M. Кл.

Н 03 К 3/53

Госудерстеенный комитет

СССР до делам изобретений н открытий

ОпУбликовано 30.05,80. Бюллетень .%20 (53) УДК621,373, .52(088.8) Дата опубликования описания 02.06.80 (72) Авторы изобретения

В . Ф. Бухаров и А. И. Герасимов (71) Заявитель (54) МНОГОКАНАЛЬНЫЙ ГЕНЕРАТОР ВЫСОКОВОЛЬТНЫХ, ИМПУЛЬСОВ

Йзобретение относится к высоковольтной импульсной технике и может быть использовано для управления синхронным выключением многих раздельных разрядников при проведении высоковольтных им°

5 пульсных исследований.

Известен многоканальный генератор высоковольтных импульсов, содержащий накопитель из отрезков кабеля, расположенных радиально и присоединенных центральными проводниками и дисковому электроду механически управляемого разрядника, к другому аналогичному электроду разрядника также присоединены отрезки кабеля, передающие высоковольтный импульс к по- 15 требителям при прокалывании острием пленки, изолирующей электроды разрядни-, к (11.

Недостатками известного устройства является низкая точность момента вре- Эз манного срабатывания генератора относительно пускового импульса и ограничение дисковыми электродами разрядника длительности фронта высоковольтного импуль2

=a, a также большая громоздкость из-за малой плотности электрической энергии, запасаемой в кабелях-накопителях, и низкая надежность к неуправляемому пробою кабелей.

Наиболее близким к предлагаемому по технической сущности является многоканальный генератор высоковольтных им-. пульсов, содержащий последовательно включенные низкоимпедансный накопитель на основе конденсаторов с высоким значением диэлектрической проницаемости и электрически управляемый по принципу возмущения поля коммутатор, соединительную лидию, газойаполненйый разрядник обостритель с коаксиальными электродами и пе- редающую линию из параллельно включенных волноводов f2). Разрядник-обостри- . тель выполнен с волновым сопротивлением, равным на всей его длине волновому сопротивленйю соединительной и передающей линии-, кабели которых расположены в один ряд по цилиндрической поверхности, совпадающей с кольцевым разряд4@йВИфВФ !: Ф«." «: з«й. «» @.и«вам ««к =-.*».. - . мд:- ««рею««« «да«««

738 11 ным пром жутком разрядника-обострителя, и присоединены оплетками и центральными йровбдйиками соответственно к внешнему трубчатому" и к коаксиажному ему- вне реннему цилиндрической формы электродам разрядника-обострителя.

Такой многоканальный генератор имеет более высокую точность срабатывания и более короткий фронт импульса, габариты накопителя меньше, а надежность выше. 10

Недостатками известного генератора

° являются разновременность поступления импульса напряжения в волноводы передающей линии, что связано с формированием случайно расположенного в зазоре разряд- 15 ного обострителя разрядного сильноточного канала; ограничение числа волновод передающей линии волновым сопротивлением разрядника-обострителя; увеличенная длительность фронта импульса из-за большо- 20 го импульсного тока через канал в разрядник-обостритель; пониженная стабильность работы генератора от запуска к запуску из-за высокой эрозии поверхностей электродов разрядника-с бострителя и из-за трудности начальной установки и поддер жания одинакового зазора кольцевого раз" " рядного промежутка; сложность конструк- ции генератора из-за большой плошади электродов разрядника-обострителя, запол- З0

Ф ненного газом под давлением выше 10 Па (10 ат), что требует выполнения корпуса . разрядника-обострителя; выдерж ивающего большие статические и динамические нагрузки от ударных волн в газе при разряде. Кроме того, форма и фронт импуль- са в даййом передающем волноводе нестабильны от включения к включению генера- тора из-за разной удалеянсФти волйовода от места канала разряда в кольцевом раэ- 40 рядном промежутке, 11ель изобретений"= умей»шенк разно временности передачи импульса в волново ды,— увеличение числа- волноводов, сокращение длительности переднего. фронта им 45 пульса, повышение стабильности работы генератора и упрощение его конструкции.

Поставленная цель достигается тем, что в многбканальном генераторе высоко вольтных импульсов напряжения, содержа- 50 " " шем последовательно включеннйе накопитель с управляемым коммутатбром, " соединительную линию, газонаполненный разрядник-обостритель с коаксиальными алектродамй" и передакйпую линию из параллель- 5

"йс вййю юейййх волйовбцо»в, электроды разрядника-обострителя выполнены в виде двух согласованных по волновому сопро5 ф тивлению коаксиальных конических переходов, обрашейных вершинами друг к другу, внешние электроды которых соединены непбсредственно, а между торцами внутренних электродов в месте их наименьшего диаметра образован, как минимум, один кольцевой разрядный промежуток, причем между электродами разрядного промежутка обострителя размещен твердый диэлектрик, а один ипи оба электрода имеют выступы, равномерно расположенные по окружности промежутка, при этом разрядник-обостритель снабжен устройством для перемещения диэлектрика на длину, превышающую азимутальную протяженность одиI ночного выступа.

Многоканальный генератор при таком его выполнении уменьшает разновременность поступления импульса высокого напряжения на входы всех волноводов передающей линии от включения к включению генератора, ибо диаметр кольцевого разрядного промежутка меньше диаметра окружности, по которой размещаются волноводы передающей линии, например, отрезки кабелей„ а также увеличивает число этих волноводов из-.as возможности увеличения диаметров конусных оснований внутреннего и внешнего электродов перехода в месте присоединения к ним передающих импульсы волноводов. Увеличение диаметров достигнуто тем, что оба конусных перехода для оптимальности работы генератора согласованы по волновому сопротивлению между собой, а также с соединительной и передающей линиями, На участке от промежутка до места подключения волноводов закон изменения волнового сопротивления по длине перехода может быть любым, что достигается соответствующим . изменением отношения диаметров электродов перехода; в частности, диаметры оснований электродов выходного перехода в месте подключения волноводов передающей линии могут быть больше, диаметров оснований аналогичных электродов входного перехода, что и позволяет увеличить .число передающих волноводов. Выполнение входного перехода с увеличивающимся по направлению от конца до кольцевого раз- . рядного промежутка волновым сопротивлением приводиr к повышению амплитуды

Йапряжения импульса при сохранении его мощности, что способствует уменьшению длительности фронта импульса эа обострителем, уменьшению эрозии поверхностей электродов и запыленности изоляторов, что, в свою очередь, стабилизирует время за738115

5 дающей линией 5. В качестве накопителя

1 может использоваться батарея из конденсаторов, одиночная или двойная линия с распределенными параметрами, индуктивный накопитель, а в качестве коммута- . тора 2 — многоканальный или несколько параллельно соединенных газонаполненных

;разрядников, управляемых по принципу возмуш» ени п6ля. Соединительная линия

3 может быть выполнена в виде парал.лельно включенных отрезков кабелей .или в виде участка одиночной коаксиальной ниэкоимпедансной лини, а передающая линия 5 - иэ размещенных по окружности на внешнем периметре электродов разряд-. ника-обострителя (PO) отрезков радиочастотных кабелей, Разрядник-обостритель выполнен в виде двух конусных коаксиальных переходов (КП)-входного н выходного- - соответствейно за концом coegйнйтельной линии 3 и перед началом переда- ющей линии 5, Переходы обращены верши»

» нами один к другому; их внешние конусные электроды 6 соединены между собой непосредственно; между торцами внутренних электродов 7 в месте их наименьшего диаметра образован кольцевой газонаполненный () l ат) разрядный промежуток 8 с изолирующим корпусом 9. Корпус представляет собой как бы распорную шайбу между внутренним и внешним электродами высоковольтной линии; его целесообразно выполнять HS электрически и механически прочного материала, в частности из капролона, В случае заполнения объема между электродами 6 и 7 изоляцией с величиной диэлектрической постоянной, близкой к величине диэлектрической постоянной материала корпуса, волновое сопротивление конусных переходов в их наиболее узком месте не испытывает скачка. Электроды

6 и 7 входного коаксиального перехода спрофилированы так, что волновое сопротивление образуемой ими линии увеличивается по мере приближения к кольцевому разрядному промежутку, для чего в каждом последующем поперечном сечении отношение З (д диаметров- соответственно наружного В и внутреннего ц электро- дов увеличивается. Для передачи через переходы юлпульса с наименьшими отражеI киями и искажениями оптимальным является изменение по их длинам одновременно диаметров Ч> и д обоих электродов

6 и 7; по атой же причине длина перехода должна быть больше максимального диаметра 9 внешнего проводника. Максидержки пробоя кольцевого разрядного промежу гка от включения к включению гене, pampa и повышает ресурс работы генера. тора. Увеличение толщины изоляции между внешними и внутренними электродами о5острителя против места создания коль-цевого разрядного промежутка в сочетании с уменьшением диаметра кольцевого разрядного промежутка упрощает конструкцию

/ и размещение здесь изолирующего корпуса газонаполненного разрядного промежутка; давление газа в обостряющих промежутках составляет, как правило, свыше

10 ат, в результате чего на электроды, кольцевого разрядного промежутка и связанные с ними элементы и узлы действует большое статическое усилие, достигающее при диаметре кольцевого разрядного промежутка 200 мм величины около

3000 кг. С уменьшением диаметра кольцевого разрядного промежутка снижаются требования к механической прочности элементов кольцевого разрядного промежутка; в частности его изолирующего корпуса, r g$ что упрощает конструкцию разрядника-обо стрителя и повышает надежность его работы. Уменьшение диаметра кольцевого разрядного промежутка упрощает юстировку внутренних электродов и обеспечивает равномерность.кольцевого разрядного промежутка по всему его периметру, что также по-! вышает стабильность пробивных характеристик кольцевого разрядного промежутка с ростом числа запусков генератора.

Для дополнительного сокращения длительности фронта импульса в кольцевом разрядном промежутке (КРП ) размещен твер дый диэлектрик, а длина зазора в ряде мест, равномерно расположенных по окружности кольцевого разрядного промежутка, умень- 4© щена эа счет выступов на одном или обо- ихэлектродах, образующих КРП.Сокращение длины промежутка и увеличение потому пробивной напряженности алектрического поля в нем за счет изоляции электродов твердым диалектриком, например, пленкой из полиэтилена, спссобствует увеличению крутизны роста тока в канале при пробое диалектрика и поэтому уменьшению длительности фронта импульса в ПЛ.

На.фиг. 1 изображена схема многоканального генератора; на фиг. 2 - вариант. выполнения его разрядника-обострителя.

Накопитель 1 электрической анергии (фиг. 1) соединен посредством управляе-; мого коммутатора 2 с соединительной линией 3, которая через газонаполненный разрядник-обостритель 4 связана с переI

»- » »»»».»» .».. »»»» »»и»- » »=..»..»»». »»уи »»же»»»» .«.»"-»..:»»» »»»»»»»»»»»»»»»Ф:

738115 мальный диаметр р выходного коаксиального перехода больше максимального диаметра Э входного коаксиального перехода, что позволяет присоединить к разрядФ нику-обострителю большее число передающих волноводов, чем число таких же волноводов соединительной линни. Е ля умень» шения волновых сопротивлений переходов целесообразно заполнять объем между их электродами изолирующей средой с высо- 10 кими частотными характеристиками и с большим значением относительной диэлектрической постоянной E в частности, деионизованной водой с E = 81; вода при длительности импульса в не"колько десят- !5 ков имеет электрическую пробивную напряженность не выше 1 NB/ñì. При необходимости уменьшить давление газа в коль цевом разрядном промежутке и (или) сократить длительность фронта импульса мо-20 гут быть размещены последовательно один за другим два и более кольцевых разряд-. ных промежутка.

На фиг. 2 показано размещение между электродами кольцевого разрядного про- 25 межутка твердого диэлектрика 10, например круга, из полиэтилена. При этом мес« та пробоев в КРП локализованы, для чего электрод 7 входного коаксиального перехода имеет . в кольцевом зазоре четыре ЗО выступа 11, равномерно расположенные по длине окружности кольцевого разрядного промежутка (на разрезе А-А показа-. на для упрощения только торцовая часть электрода 7). Оба электрода приближены З один к другому на расстояние, определяемое толщиной твердого диэлектрика. диэлектрик 10 (круг) присоединен к стержню 12, например, из изоляционного материала; стержень. герметично уплотнен в 40 электроде выходного коаксиального перехода (делители уплотнения, например, чередующиеся прокладки из резины и метал ла, на фиг. 2 не показаны). Диэлектрик

10 посредством стержня 12 поворачива- 45 ют после каждого включения генератора. на .определенный угол для расположения против выступов 1 1 непробитых участков из оляц ии.

Принцип действия генератора состоит в следующем (фиг, 1 ) .

Срабатывает коммутатор 2, накопитель 1, разряжаясь через импеданс линии

3, создает в ней волну напряжения, которая по достижении входного коаксиального перехода (КП) распространяется по не,му до"кольцевого разрядного промежутка . (КРП) и пробивает его. Так как входной коаксиальный переход имеет на входе в.1новое сопротивление Р > меньше, чем волновое сопротивление pBbl> Hà его выходе у кольцевого разрядного промежутка, то при распространении волны по этому коаксиальному переходу происходит увеличение амплитуды импульса в К раз при сохранении мощности импульса

K= Явь»/Рв» (1

Это означает, что в К раз уменьшается ток через искровой канал в кольцевом разрядном промежутке,. а это в совокупности с увеличением напряженности поля уменьшает длительность фронта импульса за обострителем, ибо время коммутации связано с током,Д и начальной напряженностью электрического поля зависимостью.

Р

0 lo РР)

Е (2) где Р— давление газа в кольцевом разрядном промежутке. Уменьшение разрядного тока снижает эрозию электродов и запыленность изоляторов, что стабилизирует время задержки пробоя кольцевого разрядного промежутка и повышает ресурс работы .генератора. Из-за увеличения волнового сопротивления по длине входного коаксиального перехода увеличивается толщина изоляции -между наружными и внутренними электродами конусных переходов против места создания кольцевого разрядного промежутка, что упрощает конструкцию и размещение здесь изолирующего корпуса разрядного обостряющего промежутка. После пробоя кольцевого радрядного промежутка импульс напряжения с укороченным фронтом распространяется по

i выходному коаксиальному переходу и переходит с него в каналы линии 5. A так как диаметр кольцевого разрядного промежутка меньше диаметра этой окружности, например, в 5 раз, то в 5 раз уменьшается II0 сравнению с известным и равновременность передачи импульса напряжения во все волноводы. Уменьшение диаметра кольцевого разрядного промежутка снижает механические напряжения в элементах разрядного промежутка, например, в корпусе

9, что упрощает конструкцию разрядникеобострителя и повышает надежность рабо« ты генератора. Уменьшение диаметра делает менее сложной юстировку внутренних электродов с целью достижения равномерности кольцевого разрядного промежутка по всему его периметру, что также ловы738115

;1 шает стабильность пробивных характеристик кольцевого разрядного промежутка с . ростом числа запусков генератора. Выполнение выходного IIepexoga с конусными электродами, закон изменения вблнового сопротивления по длине которого может быть любым, а диаметр электродов на вы» ходе больше диаметра электродов входного коаксиального перехода, позволяет уве личить число передающих волноводов. При 1О этом удобным оказывается изменение ам-, плитуды импульса напряжения в волново- дах заменой выходного коаксиального перехода другим, с иным законом изменения волнового сопротивления по его длине и 15 на конце коаксиального перехода, Размещение твердого диэлектрика между электродами кольцевого разрядного промежутка и уменьшение йри этом длины промежутка позволяет дситситнительно умень 20 шать длительность фронта импульса в волноводах. Известно, что пленочные диэлектрики типа полиэтилена, полиэтилен-терефталата и др. имеют на импульсах длительностью в десятки наносекунд импульсную 25 электрическую прочность свыше 4 МВ/см, в то время как пробивная напряженность газонаполненных промежутков примерно на порядок ниже. А так как согласно формулы (2) время коммутации сокращает- 30 ся с ростом Q, то укорачивается и длительность фронта импульса напряжения эа обострителем, При типичных амплитудах импульсов напряжения 50-100 кВ возможно сокращение длины кольцевого раз- 35 рядного промежутка до 0,1-0,2 мм, На фиг. 2 мюкду электродами кольцевого зазоре размещен круг из полиэтиленовой или лавсановой пленки, в места возмож ных пробоев изоляции локализованы эв 40 счет выступов 11. После включения генератора и пробоя пленки, круг перед очередным запуском генератора поворачивают при помощи стержня 12 на угол, длина дуги которого больше азимутвльной про- 45 тяженности выступа 11. Сокращение дли- ны разрядного канала в кольцевом разрядном промежутке и увеличение напряженности электрического поля в нем позволяют уменьшить длительность фронта высо- 50 ковольтного импульса. При этом временная нестабильность пробоя пленки от им пульса к импульсу не превышает доли(йли единицы наносекунд. Кроме описанного ( возможны другие варианты перемещения 55 твердого диэлектрика, в частности, протягивание пленки.

Ю

Такие многоканальные генераторы особенно перспективны для использования их в составе установок, в которых необходимо синхронно управлять включением нескольких сотен или тысяч разрядников, на прюйер, в многоэлементных ускорителях сильноточных пучков электронов на ради альных линиях !О « (Формуле изобретения.

1. Многоканальный генератор высоко.вольтных импульсов, содержащий последовательно включенные накопитель с управляемым" коммутатором, соединительную линию, газонвполненный раэряднйк-обострител1; с=коаксйальными электродами и передаюц ю лини1о из параллельно включенных вопноводбв, о т л и 4 а ю шийся тем, что, с целью уменьшенйя разновременйости передачи импульса в волноводы, увеличения числа волноводов, сокращения длительности переднего фронта импульса, повышения стабильности работы генерато( ра и упрощения его конструкции, электро- ды разрядника-обострителя выполнены в виде двух согласованных по волновому сопротивлению коаксиальных конических переходов, обращенных вершинами друг к другу, внешние электроды которых соединены непосредственно, а между торцами внутренних электродов, в месте их наи.меньшего диаметра, образован, как мини- мум, один кольцевой разрядный промежуток.

2. Генератор по п. 1, о т л и ч а ю— шийся тем, что между электродами разрядного проМежутка обострителя размещен твердый диэлектрик, а один или оба электрода имеют выступы, равномерно расположенные по окружйости промежутка, причем разрядник-обостритель снабщен устройством для перемещения диэлектрика на длину, превышающую азимутальную протяженность одиночного выступа, Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

1. Зотов E, B. и др. Многоканальный генератор высоковольтных импульсов.

ПТЭ, 1976, М 2, с; 91.

2. Павловский А. И, и др. Генератор высоковольтных импульсов с многокабельной разводкой. ПТЭ, 1976, М 3, с. 134.

738115

Составитель М. Назаров

Редактор И. Нанкина Техред M. Петко Корректор Г. Решетник

Заказ 2574/10 Тираж 995 Подписное

11НИИПИ Государственного комитета СССР но делам изобретений и открытий

113035, Москве, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5 1>и,шеи П11П "Патент", г. Ужгород, ул. Проектная, 4