ПРИБОРЫ И ТЕХНИКА ЭКСПЕРИМЕНТА, 2013, № 3, с. 44-46
ЭЛЕКТРОНИКА И РАДИОТЕХНИКА
УДК 621.316.06
ГИГАВАТТНЫЙ ГЕНЕРАТОР С РАЗРЯДОМ ИНДУКТИВНОГО НАКОПИТЕЛЯ ЭНЕРГИИ
© 2013 г. А. Г. Жерлицын, Г. Г. Канаев
Физико-технический институт Национального исследовательского Томского политехнического университета Россия, 634050, Томск, просп. Ленина, 2а E-mail: zherl@tpu.ru Поступила в редакцию 28.04.2012 г.
Представлена конструкция сильноточного наносекундного генератора с разрядом индуктивного накопителя энергии на активную нагрузку 15 Ом и приведены результаты испытаний. Проведена оптимизация параметров размыкателя, выполненного в виде электровзрывного прерывателя тока. При напряжении на емкостном накопителе энергии 50 кВ на нагрузке получено напряжение амплитудой 500 кВ, длительностью импульса на полувысоте 250 нс с импульсной мощностью до 20 ГВт.
DOI: 10.7868/S0032816213030154
ВВЕДЕНИЕ
Для создания компактных источников энергии с импульсной мощностью в десятки гигаватт наиболее перспективным является применение индуктивных накопителей энергии [1, 2] с быстродействующими высоковольтными выключателями (размыкателями) больших токов. В настоящее время из всех видов размыкателей (металлических, взрывных, электровзрывных, плазмоэрозионных, полупроводниковых и т.п.) наиболее широкое применение нашли электровзрывные прерыватели (э.в.п.) тока. Они просты в конструктивном исполнении, надежны, обладают стабильностью (повторяемостью параметров), достаточно высоким быстродействием (10-8—10-7 с) и представляют наибольший интерес в устройствах с индуктивными накопителями энергии.
Поэтому в рассматриваемом сильноточном на-носекундном генераторе с разрядом индуктивного накопителя в качестве размыкателя был использован э.в.п. Генератор выполнен по классической схеме (рис. 1).
В состав генератора входят первичный накопитель энергии С (емкостный накопитель энергии или взрывомагнитный генератор), индуктивный накопитель, коммутаторы (разрядники) К1 и К2, э.в.п. (Я,) и нагрузка Ян. В проводящем состоянии размыкателя Я, индуктивный накопитель Ь заряжается током 10 от накопителя С. При размыкании Я, на последнем возникает импульс напряжения, во много раз превышающий напряжение на накопителе С, которое прикладывается в нагрузке Ян.
В настоящее время для оценки параметров э.в.п. (материал проводника, его геометрические размеры, количество проводников) используются различные модели взрыва проводника, среди которых наиболее разработана и экспериментально проверена магнитогидродинамическая модель (м.г.д.) [3]. М.г.д.-методы расчетов используются как для прогнозирования работы электрических схем, так и для изучения физических явлений, сопровождающих электровзрыв. Вместе с тем, м.г.д.-расче-ты достаточно громоздки.
Теория подобия и моделирования [4, 5] дает возможности при минимальной информации о механизме явления взрыва с достаточной для конструирования точностью оптимизировать схему по выбранному параметру и прогнозировать основные ее характеристики, такие как амплитуда и длительность импульсов тока и напряжения, энергия, переданная в нагрузку, время взрыва и др. Поэтому нами в разработке генератора для оценки параметров э.в.п. была использована теория подобия.
К2,
СФ
о
Рис. 1. Электрическая схема генератора. С — емкостный накопитель энергии; Я, — размыкатель (электровзрывной прерыватель тока); Ян — нагрузка; К1, К2 — разрядники.
0
ГИГАВАТТНЫЙ ГЕНЕРАТОР
45
Рис. 2. Конструкция генератора. 1 — индуктивный накопитель энергии; 2 — размыкатель (электровзрывной прерыватель тока); 3 — активная нагрузка; 4 — изолятор; 5 — емкостный накопитель энергии (ГИН); ДН — делитель напряжения; Р\ — разрядники; ПРI, ПР2 — пояса Роговского.
Ниже описана конструкция сильноточного наносекундного генератора с разрядом индуктивного накопителя на активную нагрузку, представлены результаты испытаний генератора и его основные характеристики.
КОНСТРУКЦИЯ ГЕНЕРАТОРА
Конструкция генератора приведена на рис. 2.
Генератор содержит первичный емкостный накопитель в виде трехкаскадного генератора импульсного напряжения (ГИН) 5 с выходным двух-электродным разрядником P0, индуктивный накопитель энергии (и.н.э.) 1, размыкатель 2 — э.в.п., разделительный разрядник Р1 и активную нагрузку 3. Объемы, занимаемые и.н.э., э.в.п. и нагрузкой, разделены изоляторами 4.
Трехкаскадный воздушный ГИН собран из конденсаторов КПИ-63-3, каждый каскад содержит по три параллельно соединенных конденсатора емкостью 3 мкФ с напряжением заряда 50 кВ. Электроды искровых разрядников ГИН и выходного разрядника P0 — сферические из нержавеющей стали. Запуск первого каскада — тригатрон-ный от внешнего генератора. Емкость ГИН в "ударе" составила 3 мкФ при выходном напряжении 120 кВ.
Индуктивный накопитель энергии выполнен в виде спиральной катушки, изготовленной из медной трубки 018 мм и имеющей 6 витков, намотанных с шагом 40 мм. Измеренная индуктивность катушки составила 3.75 мкГн.
о
(N
В
О О
СП
—H-Hí
о
(N
■U
А / м
).5 мкс
Рис. 3. Типичные осциллограммы тока 18 э.в.п., напряжения на нагрузке ин, тока в нагрузке 1н.
Электровзрывной прерыватель тока представляет собой набор параллельно расположенных медных проводников в полиэтиленовой камере в среде технического азота под давлением. Разделительный разрядник Р1 работал в режиме самопробоя в среде элегаза под давлением.
Нагрузка 3 конструктивно выполнена в виде двух полых диэлектрических цилиндров разного диаметра, расположенных соосно между торцевыми электродами. Образованный таким образом объем между цилиндрами заполнялся водным раствором Л1(К03)3. Сопротивление раствора, измеренное между торцевыми электродами, составляло ~15 Ом. Объемы, занимаемые и.н.э. и нагрузкой, заполнялись техническим трансформаторным маслом.
Регистрация параметров генератора осуществлялась цифровым осциллографом (полоса пропускания 500 МГц). С помощью пояса Роговского ПР1 регистрировался ток в цепи э.в.п., делителем ДН и поясом Роговского ПР2 регистрировались напряжение и ток нагрузки.
РЕЗУЛЬТАТЫ ИСПЫТАНИЙ ГЕНЕРАТОРА
На рис. 3 приведены типичные осциллограммы тока э.в.п. 18, напряжения ин и тока 1н на нагрузке. Максимальные (но не предельные) экспериментальные величины напряжения и тока на нагрузке (~15 Ом) составили: ин = 500 кВ, 1н = 32 кА, длительность импульса на полувысоте 250 нс, выделенная мощность в нагрузке 16 ГВт. Результат получен при следующих условиях: зарядное напряжение ГИН — 42 кВ; параметры э.в.п.: количество проволочек — 40, длина проволочек 950 мм; ам-
46
ЖЕРЛИЦЫН, КАНАЕВ
плитуда тока э.в.п. 42 кА. При увеличении зарядного напряжения ГИН до 50 кВ в нагрузке импульсная мощность достигает 20 ГВт.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Таким образом, простой и недорогой наносе-кундный генератор с индуктивным накопителем и электровзрывным прерывателем тока позволяет получать на активной нагрузке (~15 Ом) импульсы с гигаваттным уровнем мощности. Увеличение зарядного напряжения генератора импульсного напряжения до 50 кВ позволило достигнуть в активной нагрузке импульсной мощности 20 ГВт.
Работа выполнена в рамках государственного задания "Наука" Минобрнауки РФ.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Месяц Г.А. Генерирование мощных наносекунд-ных импульсов. М.: Сов. радио, 1974.
2. Физика и техника мощных импульсных систем: Сб. статей / Под ред. Е.П. Велихова. М.: Энерго-атомиздат, 1987.
3. Бурцев В.А., Калинин Н.В., Лучинский А.В. Электрический взрыв проводников и его применение в электрофизических установках. М.: Энергоатом-издат, 1990.
4. Клайн С.Д. Подобие и приближенные методы. М.: Мир, 1968.
5. Азаркевич Е.М., Котов Ю.А., Седой В.С. // Журн. техн. физики. 1975. Т. 35. № 1. С. 175
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.