научная статья по теме ТРИГАТРОНЫ НА 400 кВ ДЛЯ МОЩНЫХ НИЗКОИНДУКТИВНЫХ ГЕНЕРАТОРОВ ИМПУЛЬСОВ Физика

Текст научной статьи на тему «ТРИГАТРОНЫ НА 400 кВ ДЛЯ МОЩНЫХ НИЗКОИНДУКТИВНЫХ ГЕНЕРАТОРОВ ИМПУЛЬСОВ»

ПРИБОРЫ И ТЕХНИКА ЭКСПЕРИМЕНТА, 2008, № 1, с. 78-86

_ ЭЛЕКТРОНИКА _

- И РАДИОТЕХНИКА -

УДК 621.316.933.1

ТРИГАТРОНЫ НА 400 кВ ДЛЯ МОЩНЫХ НИЗКОИНДУКТИВНЫХ

ГЕНЕРАТОРОВ ИМПУЛЬСОВ

© 2008 г. Н. И. Бойко, Л. С. Евдошенко, А. И. Зароченцев, В. М. Иванов, В. Г. Артшх

Научно-исследовательский и проектно-конструкторский институт "Молния" Национального технического университета "Харьковский политехнический институт"

Украина, 61013, Харьков, ул. Шевченко, 47 Поступила в редакцию 02.02.2007 г. После доработки 23.05.2007 г.

Разработаны и испытаны четырехканальные тригатроны на напряжение до 400 кВ и ток через один канал до 280 кА. Управляющий электрод размещен соосно в отверстии высоковольтного основного электрода положительной полярности, что обеспечивает разброс времени задержки срабатывания Дгз < 1 нс при заполнении разрядника элегазом (SF6). Электрическая прочность боковой поверхности корпуса увеличена без использования диэлектрических жидкостей. Трубчатые металлические экраны в рабочем объеме тригатронов повысили ресурс работы коммутаторов. При параллельной работе Д^ тригатронов составлял также <1 нс. Экспериментально показано, что этот разброс резко возрастал, когда зазор между основными электродами превышал 11-12 мм.

PACS: 84.30.Jc, 84.70.+p, 51.50.+v, 52.80.-s, 52.80.Mg

ВВЕДЕНИЕ

Сложными задачами, которые приходится решать при создании коммутаторов для мощных высоковольтных низкоиндуктивных генераторов с исходно запасаемой энергией больше 100 кДж, являются:

- получение разброса времени задержки срабатывания нескольких коммутаторов генератора менее десятых долей наносекунды;

- достижение ресурса работы коммутаторов >108 импульсов при коммутируемых мощностях через одиночный коммутатор ~100 ГВт, а для всех коммутаторов генератора ~1 ТВт;

- удобство конструкции коммутаторов при их обслуживании, ремонте и замене, предполагающее отсутствие изолирующих жидкостей в основной изоляции генератора, окружающей коммутаторы.

В наибольшей степени этим требованиям в настоящее время удовлетворяют искровые разрядники [1-4].

Целью данной работы было создание и экспериментальная проверка характеристик разрядни-ков-тригатронов, удовлетворяющих перечисленным требованиям, но имеющих конструктивные и схемно-пусковые отличия.

1. ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ СХЕМА ЗАПУСКА И КОНСТРУКЦИЯ ТРИГАТРОНОВ

Разрядники-тригатроны, описанные в данной работе, могут быть использованы в различных

высоковольтных устройствах. Исходно эти тригатроны предназначались для коммутации энергии в генераторе по схеме Фитча, секция которого описана в работе [2]. Генератор Фитча имел центрально-симметричную конструкцию, в центре которой располагалась нагрузка. В радиально расположенных модулях генератора для минимизации индуктивности разрядной цепи четырехка-нальные тригатроны размещались по окружности вокруг генератора (по одному на каждый модуль).

Электрическая схема управления тригатрона-ми представлена на рис. 1.

Первичная энергия для запуска тригатронов модулей генератора Фитча запасается в емкости вспомогательного конденсатора Сш ~ 300 пФ. Он вместе с шаровым разрядником Рш и резисторами

и образует цепь предварительного запуска тригатронов Рм, которая подсоединена к одному из них. Конденсатор Сш заряжается при перепо-люсовке соответствующих емкостей С ступеней генератора Фитча после срабатывания в них коммутаторов Рст и нарастании при этом напряжения на тригатронах модулей генератора.

При нарастании напряжения на тригатроне с цепочкой предварительного запуска соответственно нарастает напряжение и на шаровом разряднике Рш до его пробивного значения. В разряднике Рш шары-электроды имели 070 мм, а расстояние между ними - не более 25 мм. Корпус-рамка Рш из оргстекла создавал сферическую область радиусом 210 мм без металлических предметов (кроме стальных стержней, подводящих

напряжение к шарам). Были соблюдены условия для минимизации разброса в напряжениях пробоя Рш [5], а также проведена градуировка Рш при помощи поверенного киловольтметра. Известно [5], что шаровые разрядники при фиксированном расстоянии между шарами-электродами имеют разброс по пробивному напряжению не более 3% от срабатывания к срабатыванию. Поэтому момент срабатывания шарового разрядника Рш достаточно точно привязан к моменту достижения на тригатронах Рм напряжения, близкого к напряжению их самопробоя. После срабатывания на самопробое Рш конденсатор Сш разряжается через резистор Янш, импульс напряжения с которого подается на запуск вспомогательного тригатрона Рб.

Для управления тригатронами Рм модулей генератора по схеме Фитча были разработаны и опробованы три схемы (рис. 1): в двух узел управления размещен в высоковольтном положительном основном электроде (с использованием импульсного трансформатора на ферритовых кольцах или катушки индуктивности - см. соответственно рис. 1а, 16); в третьей узел управления размещен в низковольтном заземленном основном электроде (рис. 1в).

При использовании схемы с импульсным трансформатором (рис. 1а) после срабатывания управляемого разрядника Рб предварительно заряженные конденсаторы Сп разряжаются на формирующие резисторы Яр и первичные обмотки импульсных трансформаторов ИТ (основная цепь запуска тригатронов). Импульсное напряжение со вторичной обмотки трансформатора подается в четырехканальные тригатроны на их управляющие узлы. Полярность импульса управления совпадает с полярностью (положительной) высоковольтного электрода тригатрона. В результате сложения на управляющем электроде происходит увеличение положительного потенциала относительно противостоящего основного низковольтного электрода, что приводит к искажению электрического поля в основном зазоре, и тригатрон пробивается. Импульсный трансформатор намотан на ферритовых кольцах. Коэффициент трансформации £ = 1-2.5. Обмотки трансформатора выполнены кабелем, например, РК50-9-12 без оплетки. В первичной обмотке 2-4 витка, во вто-

ричной - 2-10 витков; основной вариант - по 4 витка в каждой обмотке. Трансформатор размещался в диэлектрическом корпусе и заливался парафином без воздушных полостей. Основным недостатком использования схемы с импульсным трансформатором является то, что трансформатор должен рассчитываться и изготавливаться на полное рабочее напряжение генератора.

В схеме рис. 16 импульсный трансформатор между точками ав и бг заменяется индуктивностью. В этой схеме узел шарового разрядника изменен, что позволяет изменить полярность импульса управления в разряднике Рб на положительную в соответствии с изменением полярности заряда на отрицательную на основном высоковольтном электроде Рб. При росте напряжения на выходе модуля оно распределяется между элементами Ьдр), Ярм и Ь. Индуктивности Ьдр) и Ь выбраны такими, чтобы в течение времени нарастания 7-11 мкс до срабатывания Рм практически все напряжение модуля прикладывалось к разрядному резистору Ярм. Полупериод колебаний в ступени модуля, содержащей разрядник Рст, составляет =11 мкс, однако момент срабатывания основного разрядника Рм модуля после начала переполю-совки, определяемый величиной зазора в разряднике Рш, выбирался нами не превышающим 11 мкс в указанном диапазоне 7-11 мкс. После срабатывания Рб в течение ~10-40 нс на индуктивности Ь появляется импульсное напряжение, которое суммируется с напряжением на Ярм и подается на управляющие электроды тригатронов Рм. Вследствие этого происходит искажение поля в основном зазоре тригатрона и его пробой, как и в схеме с импульсным трансформатором.

В схеме управления по рис. 1в после срабатывания Рб на управляющие электроды, расположенные в низковольтных электродах тригатронов, приходят импульсы управления отрицательной полярности, а высоковольтные электроды тригатронов, как и в схемах по рис. 1а, 16, имеют положительную полярность.

Синхронность срабатывания тригатронов Рм зависит как от схемы управления тригатронами, так и от их конструкции. Схемы, представленные на рис. 1а, 16, позволили (при соответствующей конструкции тригатронов) достичь стабильного

Рис. 1. Схемы управления (поджига) основных тригатронов Рм модулей генератора Фитча: а - с импульсным трансформатором ИТ со стороны высоковольтного электрода; б - с индуктивностью Ь со стороны высоковольтного электрода, в - со стороны низковольтного электрода. Сш = 300 пФ (120 кВ), Сп = 0.1 мкФ, С = 0.6 мкФ; Яш = 15 кОм, Язар = 164 кОм, Янш = 1 кОм, Яр = 4 кОм, Ярм = 300-1000 Ом (3-10 последовательно соединенных ТВ0-60-100 Ом); Яс, Ян и Яв - согласующее сопротивление, сопротивления низковольтного и высоковольтного плеч резистивного делителя напряжения соответственно (Яс - ТВО-0.25-50 Ом, Ян - 3 параллельно соединенных ТВО-0.125-3 Ом, Яв - 20 шт. или 20 пар (2 в параллель) последовательно соединенных ТВО-5-470 Ом); р = 50 Ом - волновое сопротивление коаксиального кабеля; 2Н - импеданс индуктивной нагрузки модуля; ИТ - импульсный трансформатор на ферритовых кольцах (£тр = 1-2.5); Ь, Ьк, Ьдр - индуктивности соответственно высоковольтная на ферритовых кольцах, электрода поджига, разделительного дросселя; разрядники: Рб - вспомогательный тригатронный, Рш - шаровой, Рм - основной модуля, Рст - обеспечивающий переполюсовку емкости С ступени генератора Фитча; Ьст - индуктивность подключения Рст в разрядном контуре ступени в генераторе Фитча; ЭО - электронный осциллограф; М^^ - модули.

R

(a)

нш l

Яс

\ Ьвг»эо

M

ИТ

a в

ш

b^lUJLfiyi

а

изар

+70 kb

P

LCT f P

+(350-400) kb

(б)

эо

Lcт ^ I

P il

зар

-70 kb

1 £L> эО

^зар 1

M

R

(В)

изар

+70 kb

■ь—I эО

rtzzh

С.

PR

LLLL

RP RP

l __)____р___м_Л____р

l

зар т Pf

I

LCT f P

/YY>J

I

P

м

R

z

H

н

P

ci

P

сл

R

P

R

м

P

R

z

H

P

R

R

P

Рис. 2. Конструкция четырехканального тригатрона: а - в составе модуля генератора по схеме Фитча (1 - четырехка-нальный тригатрон; 2 - главная изоляция генератора Фитча из полиэтиленовой пленки толщиной 100 мкм (общая толщина главной изоляции 45 мм), обеспечивающая низкоиндуктивное сочленение тригатрона с остальной разрядной цепью в модуле генератора Фитча; 3 - прямой токопровод; 4 - обратный токопровод; 5 - пазы в

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.

Показать целиком