ЧАСТОТНЫЕ РАЗРЯДНИКИ С ВОДОРОДНЫМ НАПОЛНЕНИЕМ (ОБЗОР)
А. И. Герасимов
Российский федеральный ядерный центр - Всероссийский НИИ экспериментальной физики
(ФГУП «РФЯЦ-ВНИИЭФ») пр. Мира 37, Саров, 607183, Россия Факс: (83130) 45569; e-mail: gerasimov@expd.vniief.ru
Приведен обзор исследований и конструкций частотных неуправляемых и управляемых разрядников с наполнением Н2 под давлением до 7 МПа на рабочее напряжение до 500 кВ и частоту до 10 кГц.
Частотные источники импульсов напряжения и тока с амплитудами соответственно до ~1 МВ и до сотен килоампер со средней мощностью в десятки киловатт и более, а также созданные на их основе ускорители пучков заряженных частиц находят применение, например, для: исследований физики плазмы, управляемого термоядерного синтеза, лазеров, СВЧ-генераторов; стерилизации медикаментов, продуктов и древесины; очистки дымовых отходов; модификации металлов, сплавов и полимеров; обеззараживания промышленных и коммунальных стоков; улучшения лакокрасочных покрытий и т. д.
Электрические и массогабаритные параметры установок зависят в значительной мере от характеристик промежуточных и выходных коммутаторов накопителей электрической энергии на нагрузку. В качестве таких коммутаторов разработаны и используются: магнитные ключи; плазменноэрозионные и полупроводниковые прерыватели тока в сочетании с индуктивными накопителями энергии; варианты разрядников.
Разрядники наиболее просты по конструкции, работают при напряжениях до сотен кВ и более. При наполнении их воздухом, N2, 02, Аг, SF6 под давлением р >0,1 МПа и работе близко к постоянному напряжению иь неуправляемого пробоя (самопробоя) типичное время восстановления электропрочности промежутков 1о ~10 мс и соответственно рабочая частота /~ 100 Гц в непрерывных или частотно-пачечных режимах. При продувке с большой скоростью сжатым газом искрового промежутка для выноса за его пределы плазмы канала разряда и для охлаждения электродов в интервалы времени между пробоями достигает / ~ 1 кГц. Но продувка усложняет устройство коммутатора. Значительным является и импеданс канала разряда, а соответственно и потери энергии и эрозия электродов.
Современной потребностью науки и практики является повышение средней мощности частотных установок, и потому полученной частоты работы разрядников недостаточно.
Улучшение характеристик разрядников наметилось с 1970-х годов, когда их стали наполнять Н2 до р < 7 МПа. Водород имеет легкую молекулу, высокую ее скорость и большую тепловую диффузию по сравнению с этими же характеристиками для указанных выше газов и их смесей. Поэтому канал разряда расширяется быстрее и плазма скорее выносится за пределы электродов. Даже без продувки газа при работе на самопробое это обеспечивает восстановление электропрочности промежутка за меньшее на порядок время ~ 1 мс). Высокое р позволяет уменьшить длину промежутка и увеличить среднюю напряженность поля Е в зазоре. А это в сочетании с быстрым расширением канала снижает его импеданс и потому уменьшает потери энергии, эрозию электродов и запыление поверхностей изоляторов, быстрее охлаждает плазму канала из-за большего контакта ее объема с поверхностями электродов. Высокое значение Е в зазоре ускоряет развитие разряда и уменьшает статистический разброс задержки времени пробоя. Использование управляющего электрода в коммутаторе и работа при напряжении и, меньшем иь (например, при и = 0,5иь), снижает 1о еще на порядок (~100 мкс). При импульсном приложении напряжения к промежутку с его перенапряжением тоже возможно достижение /~ 10 кГц. Некоторым недостатком таких разрядников является необходимость создавать для них герметичные надежные конструкции на р = = 10 МПа, а также опасность работы с из-за возможности образовывать водородом гремучую смесь при аварии или утечки в воздух.
Тем не менее, значительные надежды на повышение средней мощности частотных электрических устройств связаны с наполненными Н2 разрядниками без продувки газа. Непрерывный прогресс в создании способов безопасного хранения водорода, контроля его состояния и дозированного отбора из хранилищ позволяет оптимально смотреть на будущее.
Опубликованных материалов по разработкам конструкций и исследованиям разрядников с наполнением Н2 сравнительно мало, и они содержатся в разных журналах и трудах конференций. В связи же с перечисленными достоинствами этих коммутаторов представлялось целесообразным обобщить известные данные по их
International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology ISJAEE №7(39) (2006) |T<|
Международный научный журнал «Альтернативная энергетика и экология» АЭЭ № 7(39) (2006) 5 '
Водородная энергетика и транспорт
конструкциям, характеристикам и применениям. Поэтому здесь дан обзор этих сведений.
Во ФГУП «РФЯЦ-ВНИИЭФ» неуправляемые разрядники-обострители на и < 250 кВ, наполненные Н2 до р < 4 МПа, разрабатываются с начала 1970 гг. и до настоящего времени, как и на их основе переносные источники пучков электронов и рентгеновские аппараты в связи с широким их научным и прикладным применением. В США неуправляемые и управляемые разрядники изучаются и создаются, судя по публика-
циям, с начала 1980 гг. Выполнен значительный комплекс исследований. Это позволило разработать разрядник на и = 50 кВ, 170 кА, 12 кДж, включаемый с / = 10 кГц в пачечном режиме, а также создать и экспериментально исследовать коммутатор на и = 250 кВ и / = 2 кГц. На основе этих работ создана конструкция разрядника на и = 500 кВ. Описаны ряд частотных устройств с использованием наполненных Н2 разрядников.
FREQUENCY SWITCHES WITH HYDROGEN FILLING (REVIEW)
A. I. Gerasimov
All-Russia Scientific Research Institute of Experimental Physics (FSUE "RFNC-VNIIEF")
Mira Ave., 37, Sarov, 607190, Russia Fax: 7(83130) 45569; e-mail: gerasimov@expd.vniief.ru
There is presented a review of investigations and designs of non-controlled and controlled frequency switches with hydrogen filling under the pressure up to 7 MPa and operating voltage up to 500 kV and frequency up to 10 kHz.
Frequency sources of voltage and current pulses with the amplitudes equal correspondingly up to ~1 MV and hundreds of kiloamperes with the average power of tens kilowatt and higher as well as accelerators of beams of charged particles created on their base find application for example to: researches in plasma physics, controlled thermonuclear synthesis, lasers, microwave generators; sterilization of medicaments, products and wood; purification of smoke wastes; modification of metals, alloys and polymers; decontamination of industrial and public run-offs; improvement of var-nish-and-paint coatings etc.
Electric and mass-size parameters of facilities do not considerably depend on the characteristics of interim and output switches accumulating electric energy to the load. For this purpose there are developed and used the following devices: magnetic keys (switches); plasma-erosion and semiconductor interrupters of current combined with inductive accumulators of energy; different switch versions etc.
Switches are most simple as to their design, they operate at voltages up to hundreds kV and even higher. When they are filled with air, N2, O2, Ar, SF6 under the pressure p >0,1 MPa and function close to continuous voltage Ub of the uncontrolled breakdown (self-breakdown) the typical time of electric strength regeneration of the gaps is to~ 10 ms and the operating frequency in continuous or multiple pulse-burst mode is correspondingly equal to f ~ 100 Hz. When the spark gap is blown through at a great speed with high-pressure gas to get the discharge channel plasma out of its bounds and to cool electrodes during the
time intervals between breakdowns the operating frequency achieves the value f ~ 1 kHz. But the blow-through function complicates the switch design. The discharge channel impedance is also considerable, thus, the energy losses and erosion of electrodes are essential correspondingly.
Today the increase of average power of frequency facilities is a demand of science and practice, therefore, the obtained frequency of the switch operation is not enough.
The improvement of switch characteristics became evident in 1970 when they started being filled with H2 up to p < 7 MPa. Hydrogen has a light molecule, its high speed and high thermal diffusion as compared to these very characteristics for the above-specified gases and their mixtures. Thus, the discharge channel widens faster and plasma is brought out of the electrodes quicker. Even with no gas flow-through at self-breakdown operation this provides regeneration of the gap electric strength within the time period one order shorter (to ~ 1 ms). The high value of p makes it possible to decrease the length of the gap and increase the average field strength E in the gap. Being combined with fast broadening of the channel it reduces its impedance and thus, decreases energy losses, erosion of electrodes and dust loading on insulator surfaces, it cools the channel plasma faster because of a large contact of its bulk with electrode surfaces. The high value of E in the gap accelerates the discharge progress and decreases statistical scattering in the delay of the breakdown time. The use of controlled electrode in the switch and the operation at U voltage that is less than Ub (for example, at U =50 % of Ub) reduces to by one order more (~100 ^s). At pulse voltage application to the gap with its overvoltage the value of f ~ 10 kHz can also be achieved. The necessity of creating for them hermetically reliable structures for p = 10 MPa as well as the danger of operation
International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology ISJAEE №7(39) (2006) Международный научный журнал «Альтернативная энергетика и экология» АЭЭ №7(39) (2006)
because of the possibility of forming fire-damp by hydrogen under accident or leakage to air, represent a somewhat disadvantage of such switches.
Nevertheless essential hopes connected with the increase of average power of frequency electric devices are pinned on fille
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.