ПРИБОРЫ И ТЕХНИКА ЭКСПЕРИМЕНТА, 2014, № 2, с. 35-42
^ ЭЛЕКТРОНИКА
И РАДИОТЕХНИКА
УДК 621.316.933+537.527
УСОВЕРШЕНСТВОВАННЫЙ РАЗРЯДНИК ДЛЯ ГЕНЕРАТОРОВ ИМПУЛЬСНОГО НАПРЯЖЕНИЯ УСТАНОВКИ "СТЕНД-300"
© 2014 г. Е. Г. Крастелев, Ю. Г. Калинин*, А. С. Черненко*
Объединенный институт высоких температур РАН Россия, 125412, Москва, ул. Ижорская, 13, строение 2 E-mail: ekrastelev@yandex.ru *Национальный исследовательский центр "Курчатовский институт" Россия, 123182, Москва, пл. Академика Курчатова, 1 Поступила в редакцию 07.06.2013 г.
Разработан усовершенствованный вариант конструкции газовых искровых разрядников на напряжение до 200 кВ (биполярная зарядка до ±100 кВ) и коммутируемый ток до 100 кА для генераторов импульсного напряжения установки "Стенд-300" НИЦ "Курчатовский институт". В новой конструкции сохранена базовая для существующих разрядников Р-200 геометрия искрового промежутка — два тороидальных электрода с расположенным между ними управляющим электродом в виде тонкого диска с отверстием (схема с "искажением поля"). Изменения внесены в конструкцию изоляционного корпуса для достижения более однородного распределения напряжения, уменьшения нормальной составляющей электрического поля на поверхности и упрощения конструкции разрядника в целом. Измеренные характеристики разрядника хорошо согласуются с расчетными для выбранной геометрии искровых промежутков.
DOI: 10.7868/S0032816214010273
ВВЕДЕНИЕ
Установка "Стенд-300" (далее С-300) НИЦ "Курчатовский институт" импульсной мощностью 10 ТВт включает в себя восемь 20-каскадных генераторов импульсного напряжения (ти.н.) суммарной энергоемкостью 890 кДж при номинальном зарядном напряжении ±85 кВ [1]. В качестве коммутирующих элементов г.и.н. используются 160 (по 20 в каждом г.и.н.) трехэлектродных искровых газовых разрядников с "искажением поля" на максимальное напряжение до 200 кВ, аналогичных разрядникам Р-200 установки "Ангара-5" [2].
Искровой промежуток разрядников Р-200 образован двумя основными электродами с тороидальной рабочей поверхностью и расположенным посередине между ними третьим (управляющим) электродом в виде тонкого диска с отверстием. Изоляционный корпус выполнен из капролона в виде двух чашек сложной чечевицеобразной формы. Основные электроды закреплены в основании чашек, которые с помощью двух внешних колец и дополнительных элементов герметично стянуты с расположенным между ними держателем среднего дискового электрода. Описание конструкции разрядника Р-200 и основные его характеристики, полученные на этапе разработки, даны в работе [3].
Опыт многолетней эксплуатации установки С-300 выявил необходимость усовершенствования разрядников с целью повышения надежности их работы и упрощения конструкции для сокра-
щения расходов, связанных с изготовлением и заменой повреждаемых в процессе эксплуатации элементов разрядников.
Наиболее сложным и трудоемким в изготовлении узлом разрядника Р-200 является изоляционный корпус с элементами крепления и уплотнения среднего электрода. Выбор формы чашек корпуса и конструкция стягивающих их элементов на этапе проектирования во многом определялись соображениями механической прочности, основанными на предполагаемой возможности работы разрядника при высоких (>10 атм) давлениях газа. Практика эксплуатации разрядников Р-200 как на установке "Ангара-5", так и на стенде С-300 показала, что рабочие давления не превышают 4—5 атм. Это значительно упростило задачу обеспечения прочности конструкции разрядника и позволило использовать более простые по форме и дешевые в изготовлении элементы корпуса с улучшенным по сравнению с Р-200 распределением электрического поля.
Расчеты показали, что распределение электрического поля по поверхности изолятора разрядников Р-200 заметно отличается от однородного. Кроме того, на внутренней поверхности изолятора имеется значительная нормальная составляющая поля, обусловленная наличием больших стягивающих колец по обеим сторонам держателя среднего электрода, "нависающих" над основными электродами и искровым промежутком.
35
3*
Наличие нормальной составляющей поля в этой зоне нежелательно с точки зрения возможной электрической десорбции твердых частиц с поверхности изолятора, в частности конденсированных на ней продуктов эрозии электродов, которые могут попадать в межэлектродный промежуток и инициировать неконтролируемый пробой при напряжениях, меньших рабочего. Косвенным подтверждением такого предположения служит опробованный на практике способ уменьшения вероятности самопробоев путем нанесения на поверхность изолятора тонкого слоя масла, которое, по-видимому, играет роль ловушки для твердых частиц.
В ходе специально проведенных модельных экспериментов с разрядниками с цилиндрическим изолятором и съемными кольцами, моделирующими стягивающие кольца разрядника Р-200, неконтролируемые пробои были зарегистрированы при установке колец на держателе среднего электрода. Без них самопробои не наблюдались. Ограниченное количество экспериментов и единичные зафиксированные случаи самопробоев при пониженных напряжениях не позволяют однозначно интерпретировать причину их появления, хотя и служат дополнительным подтверждением сказанного выше. К сожалению, в литературе отсутствуют какие-либо количественные данные о влиянии нормальной составляющей поля на внутренней поверхности изоляционного корпуса на стабильность работы разрядника. Тем не менее, эти факторы учитывались при разработке новой конструкции изолятора.
СХЕМА И КОНСТРУКЦИЯ РАЗРЯДНИКА
Выбор геометрии разрядника. На основании результатов расчетов и модельных экспериментов конфигурация искрового промежутка усовершенствованной конструкции разрядника была выбрана аналогичной промежутку разрядника Р-200 — с основными электродами тороидальной формы и наиболее простой цилиндрической формой изолятора.
В качестве альтернативного рассматривался вариант разрядника с основными электродами со сферической рабочей (обращенной в разрядный промежуток) поверхностью. Разрядники с электродами такой формы используются в конструкциях различных г.и.н. [4]. В частности, в г.и.н. многомодульных установок лаборатории Sandia (США) установлены разрядники модели Т-508А с основными электродами в виде полусфер радиусом ~25 мм и средним электродом в виде тонкого диска с отверстием такого же диаметра [5].
Расчеты и выполненные модельные эксперименты показали, что по сравнению с ними разрядники с тороидальными электродами имеют ряд преимуществ. Во-первых, в системе с тороидаль-
ными электродами при оптимальном диаметре отверстия среднего электрода эффект "искажения поля" выражен более сильно. Это проявляется в более широком диапазоне управляемости разрядника, т.е. возможности управляемого включения при меньшем напряжении или меньшей амплитуде импульса управления (поджига) при фиксированном зарядном напряжении. Во-вторых, за счет значительно большей площади рабочей части поверхности (зоны разрядов) тороидальных электродов обеспечивается больший ресурс работы разрядника. Перечисленные достоинства, а также возможность использования элементов существующих разрядников Р-200 определили окончательный выбор схемы разрядника с тороидальными электродами.
К недостаткам разрядников с тороидальными электродами следует отнести неизбежное увеличение поперечных размеров и, следовательно, увеличение силовых нагрузок на изоляционный корпус и стягивающие шпильки при одинаковом рабочем давлении.
Расчеты распределения электрического поля в разряднике показали, что при использовании основных электродов разрядника Р-200 с внешним диаметром 80 мм близкое к равномерному распределение напряжения по изоляционному корпусу достигается при его внутреннем диаметре ~150 мм.
На рис. 1 представлена расчетная картина эквипотенциальных линий для исходного состояния разрядника (рис. 1а) и в режиме коммутации (рис. 1б) после пробоя одного искрового промежутка (или подачи импульса управления с амплитудой, равной зарядному напряжению). Изоляционный корпус состоит из двух секций с внутренним диаметром 150 мм и длиной 70 мм каждая. Геометрия электродов аналогична разряднику Р-200: внешний диаметр тороидальных электродов 80 мм, внутренний — 40 мм. Зазор между основными электродами выбран равным 2d = 20 мм.
В исходном состоянии (во время зарядки г.и.н.) к основным электродам приложены напряжения + и и — и относительно среднего электрода, находящегося под нулевым потенциалом. Картина распределения поля симметрична относительно медианной плоскости разрядника. Распределения напряжения, а также продольной и нормальной составляющих напряженности электрического поля по внутренней поверхности изолятора в этом состоянии показаны на рис. 2. Графики приведены для одной (правой на рис. 1) половины разрядника при напряжении на электродах и = ±100 кВ.
Анализ рис. 2 показывает, что напряжение распределено по изолятору практически равномерно, а продольная составляющая поля слабо меняется по длине изолятора, от 13 до 17 кВ/см. Для сравнения отметим, что для тех же условий в ис-
УСОВЕРШЕНСТВОВАННЫЙ РАЗРЯДНИК ДЛЯ ГЕНЕРАТОРОВ
37
(а)
(б)
8
2 6 О
10
8 6 4 2
-8 -6 -4 -2 0 2 4 6 Z, см
-8 -6 -4 -2 0 2 4 6 Z, см
Рис. 1. Расчетная картина распределения электрического поля в разряднике: а - в исходном состоянии (во время зарядки), б - после пробоя одного (левого) промежутка. Эквипотенциали построены с шагом 0.05 и, где и - напряжение на одной половине разрядника; Я и Z - соответственно радиальная и осевая координаты.
и, кВ 100
80
60
40
20
0
(а)
Е, кВ/см 16
12
8
4
0
(б)
0
8
Z, см
8
Z, см
Рис. 2. Распределения: а - напряжения, б - тангенциальной (Ец) и нормальной (Е±) составляющих напряженности поля по внутренней поверхности изолятора с внутренним диаметром 150 мм. и = ±100 кВ.
ходной конструкции Р-200 величина продольной составляющей на внутренней поверхности изоляционного корпуса изменяется от 5 до 22 кВ/см.
Нормальная составляющая поля максимальна вблизи средней части секции изолятора, удаленной от искрового промежутка, и для заданного напряжения и = ±100 кВ не превышает 8 кВ/см. Расчеты показывают, что
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.