ПРИБОРЫ И ТЕХНИКА ЭКСПЕРИМЕНТА, 2007, № 3, с. 81-87
_ ЭЛЕКТРОНИКА _
- И РАДИОТЕХНИКА -
УДК 621.38735
МАЛОГАБАРИТНЫЙ СИЛЬНОТОЧНЫЙ ВАКУУМНЫЙ УПРАВЛЯЕМЫЙ РАЗРЯДНИК
© 2007 г. Д. Ф. Алферов, А. К. Дулатов*, Б. Д. Лемешко*, В. А. Сидоров
ГУП "Всероссийский электротехнический институт им. В.И. Ленина" (ВЭИ) Россия, 111250, Москва, Красноказарменная ул., 12 * ФГУП "ВНИИ автоматики им. Н.Л. Духова" Россия, 127055, Москва, ул. Сущевская, 22 Поступила в редакцию 30.10.2006 г.
Приведены результаты исследования коммутационных характеристик малогабаритных управляемых вакуумных разрядников РВУ-27С со стержневой электродной системой и РВУ-27П с дисковой электродной системой. Исследования проводились при коммутации импульсных токов с амплитудой до 200 кА со скоростью нарастания тока до 2 • 10 А/с.
PACS: 52.75.Kq, 52.80.Vp
ВВЕДЕНИЕ
Сильноточные управляемые вакуумные разрядники (р.в.у.) широко применяются в различных высоковольтных мощных импульсных источниках питания. Р.в.у. представляют собой без-накальные трехэлектродные герметизированные приборы с давлением остаточных газов, не превышающим 10-4 Па. Включение разрядника осуществляется подачей пускового импульса напряжения на управляющий электрод.
В отличие от газонаполненных разрядников, р.в.у. способен надежно включаться в широком диапазоне рабочих напряжений (0.1-50 кВ) и длительно (миллисекунды) пропускать импульсный ток (0.1-300 кА). Во включенном состоянии падение напряжения на р.в.у. составляет 50-100 В, что определяет сравнительно низкий уровень рассеиваемой в разряднике энергии при коммутации больших токов.
Вакуумные коммутирующие устройства сравнимы по электрической прочности с газовыми разрядниками высокого давления, однако они обладают более высокой скоростью ее восстановления.
По сравнению с тиристорами р.в.у. обладают значительно большей мощностью на один элемент, в несколько раз дешевле, способны выдерживать значительные перегрузки по току и напряжению, не требуют дополнительных мер защиты.
В ВЭИ разработано несколько типов р.в.у. отпаянной конструкции со стержневой системой электродов, предназначенных для работы в различных диапазонах токов и напряжений, и освоено их мелкосерийное производство [1]. Мощные р.в.у. (РВУ-43 и РВУ-47 с характерными размера-
ми: внешним диаметром 125-155 мм и высотой Н = 200 мм) предназначены для коммутации энергоемких емкостных накопителей энергии в электрофизических установках, а также для электроразрядных и магнитно-импульсных технологий [2, 3]. Они используются преимущественно в сильноточных режимах (50-300 кА) с длительностью импульса от десятков микросекунд до единиц миллисекунд при рабочем напряжении до 30 кВ. Время включения разрядников составляет >1 мкс.
Для коммутации сравнительно коротких импульсов тока (от единиц до десятков микросекунд) с количеством электричества в импульсе до нескольких кулон были разработаны относительно малогабаритные разрядники: РВУ-73С (050 мм, Н = 80 мм) на напряжение до 15 кВ [1] и РВУ-27 (0102 мм, Н = 120 мм) на напряжение до 20 кВ. Малогабаритные разрядники обладают сравнительно небольшой (десятки наногенри) собственной индуктивностью, что необходимо для создания мощных генераторов импульсных токов, в частности источников питания нейтронных генераторов, основанных на явлении плазменного фокуса [4]. Для многих применений важно повысить электрическую прочность малогабаритных р.в.у. до 25 кВ и уменьшить время включения до <500 не с разбросом <50 нс.
В данной работе приводятся результаты исследования коммутационных характеристик двух малогабаритных разрядников РВУ-27С со стержневой электродной системой и РВУ-27П с дисковой электродной системой. Исследования проводились при коммутации импульсных токов с амплитудой до 200 кА со скоростью нарастания тока до 2 • 1011 А/с.
(а) d
(б)
Рис. 1. Схема электродной системы р.в.у.: а -РВУ-27С, б - РВУ-27П.
УСЛОВИЯ ЭКСПЕРИМЕНТА И МЕТОДИКА ИЗМЕРЕНИЙ
Объектом исследований являлись малогабаритные управляемые вакуумные разрядники РВУ-27С и РВУ-27П (рис. 1). Электродная система разрядников, выполненная из композиции СиСг (50/50), размещалась в металлокерамическом корпусе диаметром 102 и высотой 90 мм. Узел запуска располагался в центре одного из электродов.
Электродная система разрядника РВУ-27С выполнена в виде шести стержневых электродов чередующейся полярности, размещенных по окружности с внешним диаметром 30 мм (рис. 1а). Междустержневой зазор между соседними стержнями противоположной полярности ё = 7 мм, а расстояние между торцом стержня и основанием противоположного электрода И = 10 мм. Аналогичная электродная система с другими характерными размерами используется в сильноточных разрядниках РВУ-43, РВУ-47 и в РВУ-73С. В такой системе горение сильноточного импульсного разряда происходит в основном в междустержневых зазорах, что уменьшает токовую нагрузку на узел запуска и обеспечивает сравнительно небольшое падение напряжения на разряднике.
Электродная система разрядника РВУ-27П состоит из двух дисковых электродов с внешним диаметром 20 мм, разделенных зазором ё = 10 мм (рис. 16).
Рис. 2. Схема импульсного сильноточного стенда.
В такой системе минимальное расстояние от узла запуска до поверхности противоположного электрода меньше, чем у разрядника со стержневой электродной системой, что должно обеспечить более быстрое заполнение плазмой межэлектродного промежутка. В РВУ-27П площадь рабочей поверхности основных электродов заметно меньше, чем в разряднике РВУ-27С, что позволяет надеяться на увеличение электрической прочности внутренней изоляции р.в.у.
Исследования коммутационных характеристик разрядников были проведены на двух различных импульсных сильноточных стендах. Принципиальная схема стендов представлена на рис. 2. Стенды состоят из зарядного устройства на максимальное напряжение до 25 кВ, разрядного ЬС-контура (Ь -индуктивность подводящих проводов, С = Сзар) и блока запуска. Блок запуска содержал емкость Сзап или искусственную двухзвенную формирующую линию, управляемый разрядник Р и сопротивление Я1. Узел запуска р.в.у. шунтировался сопротивлением Лзап >> Я1. Включение р.в.у. осуществлялось подачей управляющего импульса на разрядник Р в блоке запуска, который выдает импульс напряжения и на управляющий электрод р.в.у. В результате пробоя по поверхности диэлектрической вставки узла запуска между управляющим электродом и катодом р.в.у. возникал искровой инициирующий разряд, ток которого регулировался изменением напряжения и и сопротивления
На стенде № 1 параметры разрядного контура определялись емкостью конденсатора Сзар = 5 мкФ и индуктивностью подводящих проводов Ь = 1.4 мкГн. Для инициирования разряда в р.в.у. использовалась схема, содержащая искусственную двухзвенную формирующую линию. В качестве разрядника Р использовался тиратрон ТГИ-1000/25. Амплитуда тока запускающего импульса составляла ~800 А при и = 10 кВ, длительность импульса тока запуска - 3.5 мкс.
На стенде № 2 разрядный контур имел конденсатор емкостью Сзар = 9 мкФ или 14.5 мкФ, индук-
я
я
зар зап
зар
d
h
t, МКС
Рис. 3. Осциллограммы токов запуска (а) и разряда
(б) при Ut = 10 кВ на стенде < 1.
тивность контура составляла L ~ 0.14-0.19 мкГн. Схема запуска, содержащая колебательный контур с емкостью 3.3-6.6 нФ и ограничительное сопротивление R1 = 3 Ом, подключалась к узлу запуска р.в.у. с помощью управляемого разрядника РУ-62. При Ut = 10 кВ амплитуда тока запускающего импульса была равна 600 А, а длительность первой полуволны 130 нс.
Регистрация тока в узле запуска р.в.у. и тока в разрядном контуре проводилась поясами Рогов-ского соответственно ПР1 и ПР2 на осциллографе Tektronix TDS3000B с последующей обработкой на персональном компьютере.
РЕЗУЛЬТАТЫ ИСПЫТАНИЙ
Исследования коммутационных характеристик РВУ-27 проводились при различных параметрах разрядного тока: амплитуде тока Im и максимальной скорости его нарастания (dI/dt)m. B каждом цикле испытаний было измерено среднее время включения разрядника td и его разброс в зависимости от параметров тока запуска. Время включения определялось как интервал времени от начала протекания тока запуска It до момента времени, когда скорость роста разрядного тока (dI/dt) достигает максимального значения [5]. За это время сопротивление вакуумного промежутка р.в.у. изменяется от ~1011 Ом до величины, сравнимой с волновым сопротивлением разряд-
td, нс
Рис. 4. Зависимость среднего времени включения
РВУ-27П от тока запуска на стенде < 1.
ного контура ~10 мОм. Все измерения проводились в режиме, когда узел запуска располагался на катоде р.в.у. При заданных параметрах разрядного тока и тока запуска проводилось не менее 15 измерений.
Испытания на стенде № 1. Были исследованы коммутационные характеристики разрядника РВУ-27П при зарядном напряжении 20 кВ. Максимальная амплитуда тока 1т ~ 40 кА, период колебаний Т = 16.6 мкс, максимальная скорость нарастания тока (dI/dt)m ~ 1010 А/с.
В этом режиме была измерена зависимость времени включения р.в.у от амплитуды тока запуска в диапазоне I = 100-800 А. Характерные осциллограммы первой полуволны разрядного тока I и тока запуска I при напряжении запуска и = 10 кВ представлены на рис. 3. Здесь ток запуска имел форму, близкую к трапецеидальной, амплитуду 800 А и длительность фронта ~0.8 мкс. Максимальная скорость нарастания тока запуска составляла ~109 А/с. На начальной стадии разряда в р.в.у. увеличение тока происходит практически монотонно во всем диапазоне изменений амплитуды тока запуска. Монотонность изменения тока наблюдалась в течение всего импульса тока, что свидетельствует об устойчивом развитии разряда в вакуумном промежутке р.в.у. в исследуемом режиме.
Время включения td, усредненное по 15 измерениям, уменьшается при увеличении I от 100 А до 800 А (рис. 4). Уменьшение td удовлетворительно описывается экспоненциальным спадом. В диапазоне токов I = 600-800 А величина td меняется слабо. Поэтому этот диапазон тока запус-
Вероятность F
0.995 0.98 0.95 0.9
0.8 0.7 0.6 0.5 0.4 0.3 0.2
10-1
0.05 0.04 0.03
0.02
10-2к
200 240 280 320 400 500 600 700800 1000
нс
Рис. 5
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.