RU2247453C1 - Multichannel rail discharge switch - Google Patents
Multichannel rail discharge switch Download PDFInfo
- Publication number
- RU2247453C1 RU2247453C1 RU2003119055/09A RU2003119055A RU2247453C1 RU 2247453 C1 RU2247453 C1 RU 2247453C1 RU 2003119055/09 A RU2003119055/09 A RU 2003119055/09A RU 2003119055 A RU2003119055 A RU 2003119055A RU 2247453 C1 RU2247453 C1 RU 2247453C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- electrodes
- arrester
- chamber
- control electrode
- voltage
- Prior art date
Links
Images
Landscapes
- Testing Relating To Insulation (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к высоковольтной сильноточной импульсной технике и может быть использовано для коммутации емкостных малоиндуктивных накопителей энергии на различные электрофизические нагрузки.The invention relates to high-voltage high-current pulse technology and can be used for switching capacitive low-inductance energy storage devices for various electrophysical loads.
Для многоканальной коммутации емкостных малоиндуктивных накопителей энергии чаще всего используются каскадные разрядники с искажением электрического поля [1. Кучинский Г.С., Шкуропат П.И., Шнеерсон Г.А. /Генераторы больших импульсных токов. - В кн.: Физика и техника мощных импульсных систем/ Под ред. Е.П. Велихова. М.: Энергоатомиздат, 1986, с.150-153.]. Как правило, такие накопители имеют плоскую ошиновку, к которой удобно подключать каскадные газовые разрядники рельсового типа. Разрядники содержат установленные параллельно друг другу основные электроды цилиндрической или полуцилиндрической формы и размещенный между ними вдоль эквипотенциальной поверхности управляющий электрод в виде линейки с острой кромкой. Длина электродной системы разрядников достигает 2 метров. Применение управляющих импульсов с амплитудой, превышающей в 2-3 раза напряжение между основными электродами при скорости нарастания >1013 В/с, вызывает последовательный пробой обоих межэлектродных зазоров практически без статистического запаздывания и позволяет формировать разряд в виде большого числа параллельных токовых каналов, распределенных вдоль электродов. Это дает возможность использовать подобные линейные разрядники для включения малоиндуктивных емкостных накопителей с напряжением заряда от нескольких единиц до нескольких сотен кВ при разрядных токах от нескольких сотен кА до нескольких МА.For multi-channel switching of capacitive low-inductance energy storage devices, cascade arresters with electric field distortion are most often used [1. Kuchinsky G.S., Shkuropat P.I., Schneerson G.A. Generators of high pulsed currents. - In the book: Physics and Technology of Powerful Pulse Systems / Ed. E.P. Velikhova. M .: Energoatomizdat, 1986, p.150-153.]. As a rule, such drives have a flat bus, to which it is convenient to connect cascade gas arresters of rail type. The arresters contain parallel to each other the main electrodes of a cylindrical or semi-cylindrical shape and a control electrode placed between them along an equipotential surface in the form of a ruler with a sharp edge. The length of the electrode system of arresters reaches 2 meters. The use of control pulses with an amplitude exceeding 2–3 times the voltage between the main electrodes at a slew rate> 10 13 V / s causes a sequential breakdown of both interelectrode gaps with practically no statistical delay and allows one to form a discharge in the form of a large number of parallel current channels distributed along electrodes. This makes it possible to use such linear spark gaps to turn on low-inductive capacitive storage devices with charge voltages from several units to several hundred kV at discharge currents from several hundred kA to several MA.
Известен многоканальный газовый разрядник, содержащий установленные параллельно друг другу в диэлектрической камере основные электроды полуцилиндрической формы и установленный на одинаковом расстоянии между ними управляющий электрод с поперечным сечением клинообразной формы [2. Neil G.R., Post R.S. Multichannel high-energy reilgap switch. - Rev. Sci. Instrum., Vol.49, No 3, March 1978, p.401-403]. Подвод тока от внешней электрической цепи к основным электродам осуществляется с помощью плоских близко расположенных шин, что позволяет выполнить разрядный контур малоиндуктивным. При длине электродов 35,6 см и наполнении камеры атмосферным воздухом разрядник позволял коммутировать емкостной накопитель с энергозапасом до 27 кДж при напряжении заряда до 40 кВ и при этом пропускать токи амплитудой до 500 кА. Применение управляющих импульсов со скоростью нарастания 5.1012 В/с обеспечивало формирование параллельных разрядных каналов (максимум до 6 каналов). При снижении рабочего напряжения на 30% относительно напряжения самопробоя задержка срабатывания увеличивалась до 50 нс при практически постоянном разбросе 15 нс, при этом число каналов уменьшалось до 2-4. Индуктивность разрядника составляла 18 нГн.Known multi-channel gas spark gap, containing installed in parallel with each other in a dielectric chamber, the main electrodes of a semi-cylindrical shape and installed at the same distance between them, a control electrode with a wedge-shaped cross section [2. Neil GR, Post RS Multichannel high-energy reilgap switch. - Rev. Sci. Instrum., Vol. 49, No. 3, March 1978, p. 401-403]. The current is supplied from the external electric circuit to the main electrodes by means of flat closely spaced busbars, which makes it possible to perform a discharge circuit with low inductance. With an electrode length of 35.6 cm and filling the chamber with atmospheric air, the spark gap made it possible to switch a capacitive storage with an energy reserve of up to 27 kJ at a charge voltage of up to 40 kV and at the same time pass currents with an amplitude of up to 500 kA. The use of control pulses with a slew rate of 5.10 12 V / s ensured the formation of parallel discharge channels (up to a maximum of 6 channels). When the operating voltage was reduced by 30% relative to the self-breakdown voltage, the response delay increased to 50 ns with an almost constant spread of 15 ns, while the number of channels decreased to 2-4. The arrester inductance was 18 nH.
Основным недостатком разрядника является то, что управляющий электрод установлен в камере с открытой в рабочую полость линией раздела диэлектрик-металл, что неизбежно приведет к появлению высокой тангенциальной составляющей напряженности электрического поля и снижению электрической прочности разрядника. Это особенно скажется при создании подобного разрядника на более высокое рабочее напряжение, превышающее 40 кВ. Кроме этого, граница раздела диэлектрик-металл в районе контакта держателя основного электрода с диэлектрической камерой не оптимизирована, что приводит к возникновению высокого значения тангенциальной составляющей напряженности электрического поля и также ограничивает рабочее напряжение разрядника.The main disadvantage of the arrester is that the control electrode is installed in the chamber with the dielectric-metal interface open to the working cavity, which will inevitably lead to the appearance of a high tangential component of the electric field strength and a decrease in the electric strength of the arrester. This will especially affect the creation of such a spark gap at a higher operating voltage exceeding 40 kV. In addition, the dielectric-metal interface in the contact area of the main electrode holder with the dielectric chamber is not optimized, which leads to a high value of the tangential component of the electric field strength and also limits the operating voltage of the spark gap.
Недостатком описанного разрядника является также то, что его диэлектрическая разрядная камера имеет в сечении прямоугольную форму и выполнена из двух частей, соединенных между собой длинными шпильками. В результате разряда между электродами шпильки воспринимают значительные ударные нагрузки, которые могут привести к разрушению изоляционного корпуса разрядника, особенно в аварийном режиме одноканального самосрабатывания. Кроме того, прямоугольное сечение создает напряженные точки во внутренних углах камеры, что вызывает снижение ее механической прочности. Усиление обеих частей камеры, отлитых из эпоксидной смолы, внедрением стеклоткани не является достаточно эффективным, поскольку стеклотканевые слои не образуют замкнутого бандажа. Поэтому такой подход к созданию рабочих камер для разрядников мегаамперного и сверхмегаамперного уровня не является подходящим.A disadvantage of the described arrester is also that its dielectric discharge chamber has a rectangular shape in cross section and is made of two parts interconnected by long studs. As a result of the discharge between the electrodes, the studs take significant shock loads, which can lead to the destruction of the insulator housing of the arrester, especially in the emergency mode of single-channel self-operation. In addition, the rectangular section creates stress points in the inner corners of the chamber, which causes a decrease in its mechanical strength. The reinforcement of both parts of the chamber, cast from epoxy resin, the introduction of fiberglass is not sufficiently effective, since the fiberglass layers do not form a closed bandage. Therefore, this approach to creating working chambers for mega-ampere and super-mega-ampere arresters is not suitable.
Наиболее близким к изобретению техническим решением является многоканальный рельсовый разрядник (Atlas Railgap Switch), содержащий размещенные в герметичной диэлектрической камере основные электроды полуцилиндрической формы и установленный между ними управляющий электрод с заостренной кромкой [3. W.A.Reass, D.W.Bowman, R.F.Gribble, J.R.Griego, C.Thompson, and W.M.Parsons and R.A.Cooper and D.C.Casper. Capacitor and rail-gap development for the atlas machine marx modules - 10th IEEE Intern. Pulsed Power Conf. Albuquerque, New Mexico, USA, July 3-6, 1995, p.522-527]. При напряжении зарядки конденсаторов 120 кВ разрядник пропускал номинальный ток до 420 кА. Предельно допустимый ток разрядника составляет 720 кА. Индуктивность разрядника составляет 25 нГн.Closest to the invention, the technical solution is a multi-channel rail arrester (Atlas Railgap Switch), containing the main electrodes of a semicylindrical shape placed in a sealed dielectric chamber and a control electrode with a pointed edge mounted between them [3. W.A. Reass, D.W. Bowman, R.F. Gribble, J.R. Griego, C.Thompson, and W.M. Parsons and R.A. Cooper and D.C. Casper. Capacitor and rail-gap development for the atlas machine marx modules - 10th IEEE Intern. Pulsed Power Conf. Albuquerque, New Mexico, USA, July 3-6, 1995, p. 522-527]. At a charging voltage of 120 kV capacitors, the arrester passed a rated current of up to 420 kA. The maximum permissible current of the arrester is 720 kA. The inductance of the arrester is 25 nH.
Основным недостатком прототипа, так же как и аналога, является то, что его диэлектрическая разрядная камера имеет в сечении прямоугольную форму и выполнена из двух частей, соединенных между собой шпильками. Диэлектрическая камера выполнена из полиуретана с более высокими, чем у эпоксидного компаунда, допустимыми механическими напряженностями при ударных нагрузках. Однако при прямоугольном исполнении камера имеет значительные размеры, которые обусловлены необходимостью высокой механической прочности при работе разрядника особенно в аварийном режиме одноканального самосрабатывания. Поэтому величина коммутируемого тока ограничена 720 кА.The main disadvantage of the prototype, as well as the analogue, is that its dielectric discharge chamber has a rectangular shape in cross section and is made of two parts interconnected by pins. The dielectric chamber is made of polyurethane with higher than the epoxy compound allowable mechanical stresses under shock loads. However, with a rectangular design, the chamber has significant dimensions, which are due to the need for high mechanical strength during operation of the arrester, especially in the emergency mode of single-channel self-operation. Therefore, the switched current is limited to 720 kA.
Поскольку управляющий электрод разрядника-прототипа выполнен в виде сплошной металлической пластины, заостренной со стороны разрядного промежутка, с локальной подачей высоковольтного импульса через ввод, вставленный в торце основания камеры, то это вызывало трудности формирования многоканального разряда. Это особенно сказывается в режимах с давлением рабочей среды, существенно большим величины, соответствующей статическому самопробою при данном рабочем напряжении. Наоборот, выбор давления, близкого к критической величине, приводило к увеличению вероятности самопробоя межэлектродных зазоров и снижению срока службы камеры и электродов. В результате такая важная эксплутационная характеристика разрядника, как его управляемость, была неудовлетворительной. Под управляемостью понимается возможность контролируемой многоканальной работы разрядника с заданными предельными величинами задержки срабатывания τ и ее разброса σ при выбранном давлении рабочей среды в возможно большем диапазоне изменения рабочего напряжения. Высокая управляемость разрядника позволяет оператору установки в процессе ее посменной эксплуатации варьировать рабочее напряжение в широком диапазоне с минимальным числом изменений рабочего давления.Since the control electrode of the prototype arrester is made in the form of a continuous metal plate, pointed from the side of the discharge gap, with a local supply of a high-voltage pulse through an input inserted at the end of the chamber base, this caused difficulties in the formation of a multi-channel discharge. This is especially true in modes with a pressure of the working medium that is significantly larger than the value corresponding to static self-test at a given operating voltage. On the contrary, the choice of pressure close to the critical value led to an increase in the probability of self-breakdown of interelectrode gaps and a decrease in the service life of the chamber and electrodes. As a result, such an important operational characteristic of the arrester as its controllability was unsatisfactory. By controllability is meant the possibility of controlled multichannel operation of the arrester with predetermined limiting values of the operation delay τ and its spread σ at a selected pressure of the working medium in the largest possible range of variation of the operating voltage. High controllability of the spark gap allows the installation operator to vary the operating voltage in a wide range with a minimum number of changes in operating pressure during its shift operation.
В предлагаемом изобретении решаются задачи увеличения механической и электрической прочности конструкции малоиндуктивного линейного разрядника с искажением поля для обеспечения его работы при статическом напряжении до 100 кВ и разрядных токах амплитудой до 1 МА, а также достижения высокой многоканальности разряда и повышения его управляемости.The present invention solves the problem of increasing the mechanical and electrical strength of the construction of a low-inductance linear arrester with field distortion to ensure its operation at a static voltage of up to 100 kV and discharge currents with an amplitude of up to 1 MA, as well as achieving high multi-channel discharge and increasing its controllability.
Сущность изобретения заключается в том, что в многоканальном рельсовом разряднике, содержащем установленные параллельно друг другу в герметичной диэлектрической камере основные электроды полуцилиндрической формы и размещенный между ними управляющий электрод с заостренной кромкой, обращенной в сторону рабочей полости, с целью увеличения механической и электрической прочности камеры, что необходимо при работе при высоких статических напряжениях и разрядных токах, а также уменьшения индуктивности разрядника, диэлектрическая камера выполнена в виде единой неразборной в поперечном направлении конструкции, имеющей внутри рабочую полость, образованную основным сквозным цилиндрическим отверстием, по одной оси которого расположены основные электроды, и смещенными по другой оси с одной стороны закрытым цилиндрическим отверстием и сквозным отверстием с другой стороны. Закрытое отверстие служит для выравнивания длин внутреннего поверхностного пробоя между основными электродами и для монтажа управляющего электрода с выводными шпильками. Второе сквозное отверстие служит для установки магнитного компенсатора, служащего также в качестве шпильки для стягивания торцевых фланцев камеры.The essence of the invention lies in the fact that in a multi-channel rail arrester containing semi-cylindrical main electrodes mounted parallel to each other in a sealed dielectric chamber and a control electrode placed between them with a pointed edge facing the working cavity, in order to increase the mechanical and electrical strength of the chamber, what is necessary when working at high static voltages and discharge currents, as well as reducing the inductance of the arrester, the dielectric chamber in It is made in the form of a single non-separable transverse structure with a working cavity inside, formed by a main through cylindrical hole, on which one axis the main electrodes are located, and a closed cylindrical hole and through hole on the other side displaced on the other axis from one side. A closed hole serves to align the lengths of the internal surface breakdown between the main electrodes and for mounting the control electrode with the output studs. The second through hole serves to install a magnetic compensator, which also serves as a stud for tightening the end flanges of the chamber.
Внешняя поверхность камеры имеет эллиптическую форму, позволяющую увеличить длину наружного поверхностного пробоя между выводными шпильками основных электродов по сравнению с длиной внутреннего поверхностного пробоя с учетом разницы внешнего атмосферного давления и внутреннего повышенного давления рабочего газа. Эллиптическая форма внешней поверхности камеры с оптимизированным соотношением размеров осей дает возможность применить внешний замкнутый бандаж, усиливающий статическую и динамическую прочность камеры и выполненный путем перекрестной намотки стеклотканевой ленты с пропиткой эпоксидным компаундом. Использование внешнего бандажа, представляющего с точки зрения механики тонкую эллиптическую оболочку, позволяет выбирать материал самой камеры не столько из соображения обеспечения высоких механических свойств, в том числе ударной вязкости, сколько высокой дугостойкости, исключающей образование углеродных дорожек в неуправляемых разрядах.The outer surface of the chamber has an elliptical shape, which allows to increase the length of the external surface breakdown between the output studs of the main electrodes compared to the length of the internal surface breakdown, taking into account the difference in external atmospheric pressure and internal increased working gas pressure. The elliptical shape of the outer surface of the chamber with an optimized ratio of axis sizes makes it possible to use an external closed band that enhances the static and dynamic strength of the chamber and is made by cross-winding fiberglass tape impregnated with an epoxy compound. The use of an external bandage, which is a thin elliptical shell from the point of view of mechanics, makes it possible to choose the material of the chamber itself not so much for ensuring high mechanical properties, including impact strength, as for high arc resistance, which excludes the formation of carbon tracks in uncontrolled discharges.
Монтаж полуцилиндрических основных электродов и управляющего клинообразного электрода с цилиндрическим утолщением на внутренней стороне камеры производится с помощью уплотненных проходных шпилек таким образом, чтобы линии раздела металл-твердый диэлектрик находились в электрической тени электродов. Это позволяет в районе этих линий снизить тангенциальные составляющие электрического поля и уменьшить возможность формирования скользящих искр поверхностного пробоя.The semicylindrical main electrodes and the control wedge-shaped electrode with a cylindrical thickening are mounted on the inner side of the chamber with the help of sealed bushings so that the metal-solid dielectric dividing lines are in the electric shadow of the electrodes. This makes it possible to reduce the tangential components of the electric field in the region of these lines and reduce the possibility of the formation of sliding sparks of surface breakdown.
Для снижения импульсных механических усилий, в том числе наиболее опасных срезающих усилий, действующих на шпильки и обусловленных действием пондеромоторной силы, выталкивающей камеру через посредство электроразрядной плазмы в сторону, противоположную подводу токонесущих шин, а также для уменьшения индуктивности разрядника последний снабжен внешними электродами шириной, равной длине основных электродов. Эти электроды, имеющие полуэллиптические выборки, охватывают с двух сторон разрядную камеру с использованием пленочной изоляции, являющейся продолжением пленочной изоляции плоских токонесущих шин. Гибкие токовые элементы обеспечивают прохождение тока между внешними и внутренними электродами через проходные шпильки с передачей уменьшенного импульса пондеромоторной силы.To reduce impulse mechanical forces, including the most dangerous shear forces acting on the studs and caused by the action of a ponderomotive force, pushing the chamber through an electric discharge plasma in the direction opposite to the current-carrying busbar supply, as well as to reduce the inductance of the spark gap, the latter is equipped with external electrodes of a width equal to length of the main electrodes. These electrodes, which have semi-elliptical samples, cover the discharge chamber on both sides using film insulation, which is a continuation of the film insulation of flat busbars. Flexible current elements provide the passage of current between the external and internal electrodes through the bushing with the transmission of a reduced pulse of ponderomotive force.
Для уменьшения индуктивности разрядника в теле диэлектрической камеры со стороны подвода тока установлен магнитный металлический компенсатор. Кроме того, он служит для уплотнения торцевых фланцев камеры вместе со шпильками, вворачиваемыми в запрессованные бобышки в теле камеры с другой стороны от оси симметрии. Торцевые фланцы снабжены пленочными предохранительными клапанами, которые одновременно являются смотровыми окнами для визуального наблюдения состояния разрядника и фоторегистрации разрядных процессов.To reduce the inductance of the arrester in the body of the dielectric chamber, a magnetic metal compensator is installed on the side of the current supply. In addition, it serves to seal the end flanges of the chamber together with the studs screwed into the pressed bosses in the chamber body on the other side of the axis of symmetry. The end flanges are equipped with film safety valves, which at the same time are inspection windows for visual observation of the status of the arrester and photo-registration of discharge processes.
Сущность изобретения заключается также в том, что с целью достижения высокой многоканальности разряда и повышения его управляемости управляющий электрод выполнен в виде сборки отдельных секций, расположенных с противоположной стороны относительно подвода разрядного тока и имеющих свои выводные шпильки, к которым снаружи крепятся омические делители напряжения и разделительные конденсаторы. К этим конденсаторам подсоединяются коаксиальные кабели линии передачи от многоканального генератора управляющих высоковольтных импульсов через согласующие-демпфирующие резисторы, позволяющие подавлять колебательные процессы в кабелях после пробоя межэлектродных зазоров. Подобное решение конструкции управляющего электрода и его подсоединения к генератору импульсов обеспечивает одновременное поступление волны напряжения по длине управляющего электрода и формирование как минимум числа каналов, равного числу секций.The invention also consists in the fact that in order to achieve a high multi-channel discharge and increase its controllability, the control electrode is made in the form of an assembly of separate sections located on the opposite side relative to the discharge current supply and having their output pins to which ohmic voltage dividers and isolation dividers are attached outside capacitors. These capacitors are connected to the coaxial cables of the transmission line from the multi-channel generator of control high-voltage pulses through matching damping resistors, which allow to suppress oscillatory processes in the cables after the breakdown of interelectrode gaps. A similar solution to the design of the control electrode and its connection to the pulse generator ensures the simultaneous supply of a voltage wave along the length of the control electrode and the formation of at least the number of channels equal to the number of sections.
Для дальнейшего увеличения числа каналов, что уменьшит эрозию электродов и индуктивность разряда, острая кромка каждой из секций управляющего электрода профилирована пазами квадратной или полукруглой формы с шагом между центрами пазов, равным двойной ширине пазов, и шириной пазов, соответствующей величине зазора между управляющим и основными электродами. Если в режиме запуска разрядника управляющий электрод становится катодом относительно обоих основных электродов, то возникшие на остриях эмиссионные центры приводят к развитию электронных лавин не только в перенапряженном промежутке, но и во втором зазоре, что облегчит его пробой после пробоя первого промежутка. Профилирование острой кромки оказывается также полезным для уменьшения скорости распространения волны нулевого напряжения вдоль электродов, возникающей при опережающем развитии одного из каналов, что способствует тому, что все острия в условиях наличия сильного искажения электрического поля дают свои электронные лавины.To further increase the number of channels, which will reduce erosion of electrodes and discharge inductance, the sharp edge of each section of the control electrode is profiled with grooves of square or semicircular shape with a pitch between the centers of the grooves equal to the double width of the grooves and the width of the grooves corresponding to the gap between the control and main electrodes . If in the start-up mode of the spark gap the control electrode becomes the cathode relative to both main electrodes, then the emission centers that arise on the tips lead to the development of electronic avalanches not only in the overstressed gap, but also in the second gap, which will facilitate its breakdown after the breakdown of the first gap. Sharp edge profiling is also useful for reducing the speed of propagation of a zero-voltage wave along the electrodes, which occurs when the one of the channels develops ahead of time, which contributes to the fact that all points in the presence of strong distortion of the electric field give their electronic avalanches.
Повышение управляемости разрядника, что проявляется в снижении наклона кривых τ=f(V0) для различных давлений рабочей среды, достигается путем повышения амплитуды управляющего импульса и уменьшения длительности его фронта. Для того чтобы ход этих кривых слабо зависел от статического напряжения на разряднике, необходимо, чтобы при подаче импульса ступенчатой формы на управляющий электрод с амплитудой (-Up) разность потенциалов между положительным высоковольтным основным электродом и управляющим электродом определялась выражением ΔU=U0-(-Up+U0/2)≈Up+U0/2.An increase in the controllability of the spark gap, which is manifested in a decrease in the slope of the curves τ = f (V 0 ) for various pressures of the working medium, is achieved by increasing the amplitude of the control pulse and reducing the duration of its front. In order for the course of these curves to depend weakly on the static voltage on the spark gap, it is necessary that, when a step-shaped pulse is applied to a control electrode with an amplitude (-U p ), the potential difference between the positive high-voltage main electrode and the control electrode is determined by the expression ΔU = U 0 - ( -U p + U 0/2) ≈U p + U 0/2.
Таким образом, при Up, намного превышающем статическое смещение управляющего электрода, пробой перенапряженного промежутка независимо от статического напряжения на разряднике будет в основном определяться амплитудой управляющего импульса. Управляемость разрядника при этом будет максимально возможной. При использовании реальных импульсов длительность фронта должна быть 
Многоканальный газовый разрядник поясняется чертежами, где на фиг.1 представлен внешний вид одной проекции многоканального рельсового разрядника, на фиг.2 схематично представлено поперечное сечение многоканального рельсового разрядника, на фиг.3 представлено смотровое окно, на фиг.4 представлен пленочный предохранительный клапан, на фиг.5 представлена схема включения разрядника, на фиг.6 - конечно-элементная модель расчета сектора камеры без бандажа на воздействие статической нагрузки, на фиг.7 - двухмерное распределение x-компоненты механического напряжения, на фиг.8 - двухмерное распределение y-компоненты механического напряжения, на фиг. 9 - картина электростатических полей в многоканальном рельсовом разряднике в статическом режиме, на фиг.10 - картина электростатических полей в многоканальном рельсовом разряднике в режиме управления при подаче на управляющий электрод отрицательного импульса ступенчатой формы, на фиг.11 - картина электростатических полей в многоканальном рельсовом разряднике в режиме замыкания верхнего промежутка, на фиг.12 приведены зависимости задержки срабатывания разрядника τ от зарядного напряжения накопителя U0 при различных давлениях газа: 1-5,5 атм, 2-4,5 атм, 3-3 атм, 4-1,5 атм, 5-1 атм (фиг.12а - чистый азот; фиг.12б - смесь азота с аргоном: 20%Ar+80%N2 - кривые 2-4 и 60%Ar+40%N2 - кривая 5), на фиг.13 - фотографии (13а - поджигающих разрядных каналов при незаряженном емкостном накопителе; 13б - свечение основного разряда; 13в - эрозионные следы на основных электродах), на фиг.14 - фотографии (14а - поджигающих разрядных каналов; 14б свечение основного разряда).The multichannel gas arrester is illustrated by drawings, in which Fig. 1 shows the appearance of one projection of a multichannel rail arrester, Fig. 2 schematically shows a cross-section of a multichannel rail arrester, in Fig. 3 a viewing window is shown, in Fig. 4 is a film safety valve, in Fig.5 is a diagram of the inclusion of a spark gap, Fig.6 is a finite element model for calculating the camera sector without a bandage on the effect of static load, Fig.7 is a two-dimensional distribution of the x-component of the fur Fig. 8 is a two-dimensional distribution of the y-component of mechanical stress, in Fig. 9 is a picture of electrostatic fields in a multichannel rail arrester in static mode, FIG. 10 is a picture of electrostatic fields in a multichannel rail arrester in control mode when a step-shaped negative pulse is applied to the control electrode, and FIG. 11 is a picture of electrostatic fields in a multichannel rail arrester. in the closure mode of the upper gap, Fig. 12 shows the dependences of the operation delay of the arrester τ on the charging voltage of the storage ring U 0 at various gas pressures: 1-5.5 atm , 2-4.5 atm, 3-3 atm, 4-1.5 atm, 5-1 atm (figa - pure nitrogen; figb - mixture of nitrogen with argon: 20% Ar + 80% N 2 - curves 2-4 and 60% Ar + 40% N 2 - curve 5), Fig. 13 - photographs (13a - igniting discharge channels with an uncharged capacitive storage device; 13b - glow of the main discharge; 13c - erosion traces on the main electrodes), on Fig - photographs (14A - igniting discharge channels; 14B glow of the main discharge).
Общая длина многоканального рельсового разрядника (фиг.1) составляет 1380 мм, длина диэлектрической камеры - 1240 мм, ширина внешних электродов - 1000 мм.The total length of the multi-channel rail arrester (figure 1) is 1380 mm, the length of the dielectric chamber is 1240 mm, the width of the external electrodes is 1000 mm.
Многоканальный рельсовый разрядник (фиг.2) содержит диэлектрическую камеру эллиптической формы 1 с центральным сквозным продольным отверстием 2, смещенным закрытым отверстием 3 и сквозным отверстием магнитного компенсатора 4, стеклопластиковый бандаж 5, основные электроды 6, управляющий секционированный электрод 7, магнитный компенсатор 8, внешние электроды 9, гибкие токовые элементы 10. пленочную изоляцию 11, а также омический делитель напряжения 12, разделительные конденсаторы 13.The multi-channel rail arrester (figure 2) contains an
Сечение диэлектрической камеры имеет эллиптическую форму с радиусами 205 и 20 мм и внешними размерами: продольный - 272 мм и поперечный - 120 мм. В качестве изоляционного материала камеры используется капролон. Диаметр сквозного отверстия, в котором устанавливаются основные электроды, - 96 мм, закрытое отверстие смещено от оси сквозного отверстия на 30 мм и имеет диаметр 40 мм, диаметр отверстия для компенсатора 50 мм. Закрытое отверстие размещено симметрично относительно сквозного отверстия и имеет длину 1050 мм. Оси отверстий размещены в продольной плоскости симметрии камеры. На торцах камеры имеется по одному резьбовому отверстию для установки металлических вкладышей, с помощью которых закрепляются окна. В продольной плоскости симметрии камеры со стороны закрытого отверстия имеется 8 отверстий диаметром 10 мм для установки проходных шпилек для крепления управляющих электродов и 2 отверстия диаметром 10 мм для газовых штуцеров 14 (фиг.3, 4). В поперечной плоскости симметрии камеры с двух сторон имеется по 8 отверстий диметром 26 мм для установки проходных шпилек крепления основных электродов. Стеклопластиковый бандаж выполнен путем перекрестной намотки стеклотканевой ленты с пропиткой эпоксидным компаундом. Толщина бандажа составляет 3 мм.The cross section of the dielectric chamber has an elliptical shape with radii of 205 and 20 mm and external dimensions: longitudinal - 272 mm and transverse - 120 mm. Caprolon is used as the insulating material of the chamber. The diameter of the through hole in which the main electrodes are installed is 96 mm, the closed hole is offset from the axis of the through hole by 30 mm and has a diameter of 40 mm, the diameter of the hole for the compensator is 50 mm. The closed hole is placed symmetrically with respect to the through hole and has a length of 1050 mm. The axis of the holes is placed in the longitudinal plane of symmetry of the chamber. At the ends of the chamber there is one threaded hole for installing metal inserts, with which the windows are fixed. In the longitudinal plane of symmetry of the chamber from the side of the closed hole there are 8 holes with a diameter of 10 mm for installing through studs for attaching control electrodes and 2 holes with a diameter of 10 mm for gas fittings 14 (Figs. 3, 4). In the transverse plane of symmetry of the chamber, on both sides there are 8 holes with a diameter of 26 mm for installing pass-through studs for attaching the main electrodes. Fiberglass bandage is made by cross-winding fiberglass tape impregnated with epoxy compound. The thickness of the band is 3 mm.
Длина основных электродов 1000 мм. В сечение электроды имеют полуцилиндрическую форму с радиусом 25 мм. С торцов электроды закруглены радиусом 25 мм. Со стороны плоской части в электродах имеются 8 резьбовых отверстий для установки проходных шпилек. Между электродами и внутренней стенкой камеры установлены диэлектрические прокладки дисковой формы толщиной 2-3 мм для регулировки межэлектродного промежутка в пределах 20±0,5 мм. Основные электроды соединяются с внешними электродами с помощью шпилек через проходные отверстия в диэлектрической камере. Газовое уплотнение обеспечивается конусообразными резиновыми кольцами, которые поджимаются диэлектрической втулкой и металлической гайкой. Проходная шпилька соединяется гибким токовым контактом с поверхностью внешних электродов. Контакт поджимается к проходной шпильке контактной гайкой, а к внешнему электроду фланцем. К контактной гайке присоединена стойка, к которой подсоединен омический делитель напряжения. Второй конец делителя соединен с управляющим электродом через проходную шпильку. Газовое уплотнение обеспечивается резиновыми кольцами, которые поджимаются диэлектрической втулкой и металлической гайкой. Проходная шпилька имеет резьбовое соединение с управляющим электродом, на внешней стороне шпильки установлены разделительные конденсаторы.The length of the main electrodes is 1000 mm. In cross section, the electrodes have a semi-cylindrical shape with a radius of 25 mm. At the ends, the electrodes are rounded with a radius of 25 mm. On the flat side, there are 8 threaded holes in the electrodes for installing through studs. Between the electrodes and the inner wall of the chamber, dielectric gaskets of a disk form with a thickness of 2-3 mm are installed to adjust the interelectrode gap within 20 ± 0.5 mm. The main electrodes are connected to the external electrodes by means of pins through passage holes in the dielectric chamber. The gas seal is provided by cone-shaped rubber rings, which are pressed by a dielectric sleeve and a metal nut. The bushing is connected by a flexible current contact to the surface of the external electrodes. The contact is pressed to the bushing with the contact nut, and to the outer electrode by the flange. A rack is connected to the contact nut, to which an ohmic voltage divider is connected. The second end of the divider is connected to the control electrode through a threaded rod. The gas seal is provided by rubber rings, which are drawn in by a dielectric sleeve and a metal nut. The feedthrough pin has a threaded connection to the control electrode; isolation capacitors are installed on the outside of the pin.
Секции управляющих электродов выполнены в виде пластин, которые с одной стороны заострены, а с другой стороны соединены со стержнями цилиндрической формы. Общее количество электродов 8 штук. Ширина электрода 110 мм. В заостренной части электродов имеются пазы прямоугольной формы глубиной 10 мм и шириной 10 мм или цилиндрической формы с радиусом 5 мм. Радиус закругления острой кромки 0.5 мм. Угол заострения 9°. Для взаимной юстировки поджигающие электроды соединены между собой диэлектрическими шпильками 17 (фиг.3), установленными в заглубления стержней.The sections of the control electrodes are made in the form of plates that are pointed on one side and connected to cylindrical rods on the other hand. The total number of electrodes is 8 pieces. The width of the electrode is 110 mm. In the pointed part of the electrodes there are grooves of a rectangular shape with a depth of 10 mm and a width of 10 mm or a cylindrical shape with a radius of 5 mm. The radius of curvature of the sharp edge is 0.5 mm.
Магнитный компенсатор представляет собой металлический стержень с внешним диаметром 50 мм. На торцах стержня имеются резьбовые отверстия для крепления окон. Длина компенсатора составляет 1240 мм.The magnetic compensator is a metal rod with an outer diameter of 50 mm. At the ends of the rod there are threaded holes for attaching windows. The length of the compensator is 1240 mm.
Внешние электроды обеспечивают соединение основных электродов разрядника с испытательным источником напряжения. Одновременно электроды создают дополнительные механические усилия по сжатию диэлектрической камеры. Внутренняя поверхность электродов в области диэлектрической камеры имеет эллиптический профиль, выполненный по профилю внешней поверхности камеры с учетом толщины пленочной изоляции. Со стороны источника внутренняя поверхность электродов плоская. Переходы между внутренними поверхностями электродов имеют соответствующие закругления. Для установки проходных шпилек, соединяющих внешние электроды с электродами разрядника, в них имеется 8 проходных отверстий. Ширина электродов 1000 мм, материал - алюминиевый сплав.External electrodes provide the connection of the main electrodes of the arrester with a test voltage source. At the same time, the electrodes create additional mechanical forces to compress the dielectric chamber. The inner surface of the electrodes in the region of the dielectric chamber has an elliptical profile made along the profile of the outer surface of the chamber taking into account the thickness of the film insulation. From the source side, the inner surface of the electrodes is flat. Transitions between the inner surfaces of the electrodes have corresponding roundings. For the installation of passage studs connecting the external electrodes to the spark gap electrodes, they have 8 passage holes. The width of the electrodes is 1000 mm, the material is aluminum alloy.
Гибкие токовые элементы имеют тарельчатую форму и выполнены из медного листа толщиной 0.5-1 мм. Элементы соединяются со шпильками с помощью гаек, а с шинами соединяются с помощью накидных фланцев.Flexible current elements have a plate shape and are made of a copper sheet 0.5-1 mm thick. Elements are connected to the studs using nuts, and to the tires are connected using union flanges.
Пленочная изоляция расположена между внешними электродами и камерой и выполнена в виде двух многослойных листов, соединенных внахлест с пленочной изоляцией источника. Ширина изоляции превышает ширину внешних электродов для обеспечения необходимой электрической прочности. Изоляция выполнена из полиэтиленовой пленки, общая толщина каждого листа составляет 2-3 мм.The film insulation is located between the external electrodes and the camera and is made in the form of two multilayer sheets overlapped with a film insulation of the source. The width of the insulation exceeds the width of the external electrodes to provide the necessary electrical strength. The insulation is made of plastic film, the total thickness of each sheet is 2-3 mm.
Омические делители обеспечивают деление высокого напряжения между зазорами разрядника в режиме зарядки конденсаторной батареи. Общее количество делителей - 8 штук. Каждый из делителей состоит из двух секций, состоящих из двух последовательно соединенных сопротивлений типа КЭВ-5 (5 Вт, 230 МОм). Секции резисторов установлены между основными и поджигающими электродами разрядника.Ohmic dividers provide high voltage division between the gap of the spark gap in the charging mode of the capacitor bank. The total number of dividers is 8 pieces. Each of the dividers consists of two sections, consisting of two series-connected resistances of the KEV-5 type (5 W, 230 MΩ). Resistor sections are installed between the main and ignition electrodes of the arrester.
Разделительные конденсаторы состоят из двух последовательно соединенных конденсаторов с емкостью 10 нФ и напряжением 40 кВ.Separating capacitors consist of two series-connected capacitors with a capacity of 10 nF and a voltage of 40 kV.
Смотровое окно 15 (фиг.3) предназначено для фотографирования каналов разряда. Окно выполнено в виде диска из органического стекла, которое прижимается к торцу камеры накидным фланцем. Между диском и поверхностью камеры установлена резиновая прокладка.The viewing window 15 (figure 3) is intended for photographing the discharge channels. The window is made in the form of a disk of organic glass, which is pressed against the end of the chamber with a flange. A rubber gasket is installed between the disc and the camera surface.
Предохранительное окно 16 предназначено для предохранения от разрушения диэлектрической камеры при нештатной одноканальной коммутации энергии конденсаторной батареи. Окно состоит из переходного фланца, мембраны, прижимного фланца и заостренной шпильки. Мембрана выполняется из лавсановой пленки. Толщина мембраны и выступ заостренной шпильки относительно плоскости прижимного фланца подбирается опытным путем. С двух сторон переходного фланца установлены уплотнительные резиновые прокладки.
В качестве рабочей среды в разряднике может использоваться азот, смесь азота с аргоном, смесь азота с элегазом, сухой (синтетический) воздух при давлении до 5 атм.Nitrogen, a mixture of nitrogen with argon, a mixture of nitrogen with SF6 gas, and dry (synthetic) air at a pressure of up to 5 atm can be used as a working medium in the spark gap.
В состав схемы включения разрядника (фиг.5) входят накопительный емкостной модуль 18, ограничительное (нагрузочное) сопротивление 19, индуктивность модуля и ошиновки 20, делитель напряжения 21, балластное сопротивление 22, заземлитель 23, многоканальный рельсовый разрядник, схематично изображенный в виде основных электродов 24 и 25, секционированного управляющего электрода 26 (для примера показаны три секции). Емкостной модуль соединен с основными электродами плоскими шинами с пленочной изоляцией (шины не показаны). Острая кромка каждой из секций управляющего электрода 26 профилирована пазами квадратной формы. Острая кромка каждой из секций управляющего электрода второго исполнения 27 профилирована пазами полукруглой формы. При этом шаг между пазами равен двойной ширине пазов, а расстояние между образующимися кромками равно величине зазора между управляющим и основными электродами. Импульс управляющего напряжения 28 на каждую из секций управляющего электрода подается по кабелю 29 через согласующее сопротивление 30, разделительный конденсатор 31 и конструктивную индуктивность ввода секции 32. Напряжение и ток пускового импульса регистрируются соответственно делителем напряжения 33 и шунтом 34. Между основными и управляющим электродами установлено восемь секций делителя напряжения 35. Величина емкости разделительного конденсатора 31 значительно превышает величину суммарной емкости секции относительно основных электродов 35.The structure of the arrester switching circuit (Fig. 5) includes a
Для выбора минимальной толщины стенки разрядной камеры, изготовленной из капролона, и толщины стеклопластикового бандажа проводились расчеты напряженно-деформированного состояния конструкции методом конечных элементов. Камера подвергалась внутреннему воздействию статического давления 5 атм, что соответствовало максимальному рабочему давлению газовой среды, и динамической нагрузке амплитудой 50 атм с экспоненциальным спадом в течение 100 мкс, что соответствовало равномерному энерговыделению и релаксации 50 кДж в объеме камеры.To select the minimum wall thickness of the discharge chamber made of caprolon and the thickness of the fiberglass band, the stress-strain state of the structure was calculated by the finite element method. The chamber was subjected to an internal effect of a static pressure of 5 atm, which corresponded to the maximum working pressure of the gaseous medium, and to a dynamic load with an amplitude of 50 atm with an exponential decay for 100 μs, which corresponded to uniform energy release and relaxation of 50 kJ in the chamber volume.
На фиг.6 для примера представлена конечно-элементная модель расчета сектора камеры без бандажа на воздействие статической нагрузки. Распределения x- и y-компонент механического напряжения приведены на фиг.7 и 8 соответственно. В самом тонком месте камеры (10 мм) запас прочности на растяжение составляет ~20. При воздействии динамической нагрузки с учетом вклада трех первых частот собственных колебаний этот запас снижается до 3,6. Введение 3-мм бандажа увеличивает запас прочности до 15 для x-компоненты и до 8 для y-компоненты. В самом бандаже наиболее опасна x-компонента, запас прочности при растяжении составляет 5.4, хотя в статике этот запас почти на порядок выше.6, for example, presents a finite element model for calculating the camera sector without a bandage on the effect of static load. The distributions of the x- and y-components of the mechanical stress are shown in Figs. 7 and 8, respectively. At the thinnest point of the chamber (10 mm), the tensile strength margin is ~ 20. Under the influence of a dynamic load, taking into account the contribution of the first three frequencies of natural oscillations, this margin decreases to 3.6. The introduction of a 3 mm brace increases the safety factor to 15 for the x-component and to 8 for the y-component. In the bandage itself, the x-component is the most dangerous; the tensile strength is 5.4, although in static terms this margin is almost an order of magnitude higher.
Проведен расчет электростатических полей в многоканальном рельсовом разряднике для разных режимов. В статическом режиме (фиг.9) напряженность электрического поля на рабочих поверхностях высоковольтного и низковольтного электродов достигает 56 кВ/см, на острие управляющего электрода 47 кВ/см. Применение магнитного компенсатора и управляющего электрода с цилиндрическим утолщением позволяет снизить максимальные значения тангенциальной компоненты напряженности электрического поля в статическом режиме до приемлемого уровня. Так, максимальная величина тангенциальной составляющей напряженности электрического поля на границе изолятор-газ составляет 13 кВ/см, на границе изолятор-воздух 15 кВ/см.The calculation of electrostatic fields in a multichannel rail arrester for different modes. In the static mode (Fig. 9), the electric field strength on the working surfaces of the high-voltage and low-voltage electrodes reaches 56 kV / cm, at the tip of the control electrode 47 kV / cm. The use of a magnetic compensator and a control electrode with a cylindrical thickening makes it possible to reduce the maximum values of the tangential component of the electric field in static mode to an acceptable level. So, the maximum value of the tangential component of the electric field strength at the insulator-gas interface is 13 kV / cm, at the insulator-air interface is 15 kV / cm.
В управляемом режиме (фиг.10) при подаче на управляющий электрод импульса напряжения отрицательной полярности с амплитудой (-160) кВ напряженность электрического поля на поверхности высоковольтного электрода составляет 220 кВ/см, на поверхности низковольтного электрода 112 кВ/см, а на острие управляющего электрода 698 кВ/см. Таким образом, напряженность электрического поля на кромке управляющего электрода возрастает более чем в 10 раз, что позволяет получать большое количество эмиссионных центров. В перенапряженном верхнем зазоре средняя напряженность достигает 210 кВ/см при коэффициенте перенапряжения 4.2, что способствует развитию большого количества электронных лавин с управляющего электрода и формированию стримеров.In the controlled mode (Fig. 10), when a negative voltage pulse with an amplitude of (-160) kV is applied to the control electrode, the electric field on the surface of the high-voltage electrode is 220 kV / cm, on the surface of the low-voltage electrode 112 kV / cm, and on the tip of the control electrode 698 kV / cm. Thus, the electric field at the edge of the control electrode increases by more than 10 times, which allows to obtain a large number of emission centers. In the overstressed upper gap, the average tension reaches 210 kV / cm with an overvoltage coefficient of 4.2, which contributes to the development of a large number of electronic avalanches from the control electrode and the formation of streamers.
Отметим высокие значения тангенциальных составляющих напряженности поля на границах диэлектрик-газ и диэлектрик-воздух, возникающих на правой половине разрядника в режиме управления (55 и 70 кВ/см соответственно). Однако такая опасная ситуация существует лишь короткое время до пробоя верхнего промежутка.We note the high values of the tangential components of the field strength at the insulator-gas and insulator-air interfaces that arise on the right half of the spark gap in the control mode (55 and 70 kV / cm, respectively). However, such a dangerous situation exists only a short time before the breakdown of the upper interval.
После пробоя и замыкания верхнего промежутка (фиг.11) максимальная величина тангенциальной составляющей электрического поля на границе изолятор-газ составляет 26 кВ/см, на границе изолятор-воздух 30 кВ/см, что существенно выше статических величин, но ниже величин в режиме управления. Напряженность электрического поля на острие управляющего электрода 245 кВ/см. Средняя напряженность электрического поля в нижнем промежутке (100 кВ/см) и напряженность на кромке управляющего электрода ниже соответствующих величин в предыдущем режиме. Но электронная и фотоионизация газа, происшедшая в предыдущем режиме, создает достаточные условия для эффективного пробоя нижнего промежутка.After breakdown and closure of the upper gap (Fig. 11), the maximum value of the tangential component of the electric field at the insulator-gas interface is 26 kV / cm, at the insulator-
Испытания экспериментального образца предлагаемого изобретения показали достаточную механическую (статическую и динамическую) прочность корпуса разрядника. При общем количестве разрядов более 1000 как в управляемом многоканальном режиме, так и в режиме самопробоев при заряде емкостного накопителя до 100 кВ, что обеспечивало токи амплитудой до 1000 кА, не было ни одного случая даже частичного разрушения корпуса. В то же время разрядник продемонстрировал высокую управляемость. На фиг.12 приведены зависимости задержки срабатывания разрядника τ от зарядного напряжения накопителя Uo при различных давлениях газа: 1-5,5 атм, 2-4,5 атм, 3-3 атм, 4-1,5 атм, 5-1 атм (фиг.9а - чистый азот, фиг.9б - смесь азота с аргоном 20%Ar+80%N2 - кривые 2-4 и 60%Аr+40%N2 - кривая 5). Диапазон изменения рабочего напряжения 5-80 кВ можно пройти путем нескольких переустановок давления, при этом задержка срабатывания не выходит за допустимую величину 100 нс [4. Burtsev V.A., Babalin A.I., Bol’shakov E.P., Dubianskiy V.A., Getman D.V., Kozlov V.P., Sedov A.V., Chernobrovin V.I., Pecherskiy O.P. Commutating equipment of the low-inductance high-voltage capacitive storage module. Digest of technical papers on Pulsed Power Plasma Science Conference PPPS-2001 (June 17-22, 2001, Las Vegas, Nevada, USA), v.1, pp.1750-1753].Tests of the experimental sample of the present invention showed sufficient mechanical (static and dynamic) strength of the arrester housing. With a total number of discharges of more than 1000, both in controlled multichannel mode and in self-breakdown mode when the capacitive storage is charged up to 100 kV, which provides currents with an amplitude of up to 1000 kA, there has not been a single case even of partial destruction of the case. At the same time, the arrester has demonstrated high controllability. Figure 12 shows the dependence of the operation delay of the arrester τ on the charging voltage of the storage device U o at various gas pressures: 1-5.5 atm, 2-4.5 atm, 3-3 atm, 4-1.5 atm, 5-1 atm (figa - pure nitrogen, figb - mixture of nitrogen with
Фотографирование поджигающих разрядных каналов через торцевое окно под небольшим углом к оси камеры при незаряженном емкостном накопителе показало, что на каждую секцию приходится как минимум один хорошо развитый канал (фиг.13а). При этом основной разряд показывает высокую однородность свечения (фиг.13б), а анализ эрозионных следов на основных электродах (фиг.13в) подтверждает работу практически каждого уголкового острия на управляющем электроде (расстояние между соседними эрозионными следами соответствует расстоянию между остриями - 10 мм). Высокую степень развязки разрядных каналов демонстрирует фиг.14: отсутствие некоторых поджигающих каналов по каким-либо причинам, в том числе из-за аварийных электрических пробоев, не нарушает работу остальных каналов (фиг.14а), структура основного разряда определяется работающими поджигающими каналами, и никакого перераспределения плотности тока вдоль электродов не происходит (фиг.14б).Photographing the firing discharge channels through the end window at a slight angle to the camera axis with an uncharged capacitive storage device showed that at least one well-developed channel is associated with each section (Fig. 13a). In this case, the main discharge shows a high uniformity of luminescence (Fig.13b), and the analysis of erosion traces on the main electrodes (Fig.13c) confirms the operation of almost every corner tip on the control electrode (the distance between adjacent erosion tracks corresponds to the distance between the tips - 10 mm). Fig. 14 shows a high degree of isolation of the discharge channels: the absence of some ignition channels for some reason, including due to emergency electrical breakdowns, does not interfere with the operation of the remaining channels (Fig. 14a), the structure of the main discharge is determined by the operating ignition channels, and no redistribution of current density along the electrodes occurs (fig.14b).
Многоканальный рельсовый разрядник работает следующим образом. Накопительный емкостной модуль 18 заряжается от высоковольтного источника постоянного напряжения положительной полярности до Uo. Балластное сопротивление 22 ограничивает зарядный ток емкостного модуля, его величина выбирается в зависимости от мощности высоковольтного источника. Величина зарядного напряжения контролируется с помощью делителя напряжения 21. Напряжение прикладывается к электродам многоканального рельсового разрядника, один электрод 24 которого заземлен. Для равномерного распределения напряжения между зазорами разрядника используются восемь секций делителя напряжения 35. После зарядки емкостного модуля до необходимого напряжения от восьмиканального генератора подается импульс управляющего напряжения отрицательной полярности 28 по кабелю 29. Количество кабелей соответствует количеству секций управляющего электрода 26. Длина кабеля составляет не менее 10 м, что при двойном пробеге волны напряжения равно длительности поджигающего импульса напряжения. Импульс управляющего напряжения через согласующее сопротивление 30, разделительный конденсатор 31 и конструктивную индуктивность ввода секции 32 поступает на управляющий электрод разрядника. Разделительный конденсатор в режиме зарядки емкостного модуля отделяет пусковую цепь от многоканального разрядника. Суммарная величина разделительного конденсатора более чем в 100 раз превышает величину суммарной емкости секции относительно основных электродов 35. Согласующее сопротивление 30 обеспечивает защиту кабеля при коммутации разрядника, его величина равна величине волнового сопротивления кабеля.A multi-channel rail arrester operates as follows. The
При поступлении импульса управляющего напряжения на управляющий электрод разрядника его амплитуда удваивается. Максимальная амплитуда управляющего напряжения в режиме бегущей волны составляла (-100) кВ. В экспериментах оптимальным режимом была определена амплитуда (-80) кВ, при этом фронт импульса составлял 10 нс, а длительность импульса на полувысоте составляла 100 нс. В зазорах многоканального разрядника резко искажается электрическое поле. Напряженность электрического поля на поверхности высоковольтного электрода составляет 220 кВ/см, на поверхности низковольтного электрода 112 кВ/см, а на острие управляющего электрода 698 кВ/см. Таким образом, напряженность электрического поля на кромке управляющего электрода возрастает более чем в 10 раз, что позволяет получать большое количество эмиссионных центров. Поскольку секции управляющего электрода отделены друг от друга, то эмиссионные центры возникают на каждой секции. Кроме этого, острия секций управляющего электрода имеют пазы, на острых кромках которых резко усиливается напряженность электрического поля, что также приводит к появлению эмиссионных центров. В перенапряженном верхнем зазоре средняя напряженность достигает 210 кВ/см при коэффициенте перенапряжения 4.2, что способствует развитию большого количества электронных лавин с управляющего электрода и формированию стримеров. Происходит пробой и замыкание верхнего зазора многоканального разрядника. На острие управляющего электрода возникает напряженность электрического поля 245 кВ/см. Средняя напряженность электрического поля в нижнем промежутке (100 кВ/см), и напряженность на кромке управляющего электрода ниже соответствующих величин в предыдущем режиме. Но электронная и фотоионизация газа, происшедшая в предыдущем режиме, создает достаточные условия для эффективного пробоя нижнего промежутка.When a control voltage pulse arrives at the spark gap control electrode, its amplitude doubles. The maximum amplitude of the control voltage in the traveling wave mode was (-100) kV. In the experiments, the amplitude (-80) kV was determined by the optimal mode, while the pulse front was 10 ns, and the pulse duration at half maximum was 100 ns. In the gaps of a multi-channel spark gap, the electric field is sharply distorted. The electric field strength on the surface of the high-voltage electrode is 220 kV / cm, on the surface of the low-voltage electrode 112 kV / cm, and on the tip of the control electrode 698 kV / cm. Thus, the electric field at the edge of the control electrode increases by more than 10 times, which allows to obtain a large number of emission centers. Since the sections of the control electrode are separated from each other, emission centers arise on each section. In addition, the tips of the sections of the control electrode have grooves on the sharp edges of which the electric field intensifies sharply, which also leads to the appearance of emission centers. In the overstressed upper gap, the average tension reaches 210 kV / cm with an overvoltage coefficient of 4.2, which contributes to the development of a large number of electronic avalanches from the control electrode and the formation of streamers. Breakdown and closure of the upper gap of the multichannel arrester occurs. An electric field of 245 kV / cm appears at the tip of the control electrode. The average electric field in the lower gap (100 kV / cm), and the voltage at the edge of the control electrode is lower than the corresponding values in the previous mode. But the electronic and photoionization of the gas, which occurred in the previous mode, creates sufficient conditions for the effective breakdown of the lower gap.
Амплитуда тока в разряднике определяется параметрами разрядного контура, состоящего из накопительного модуля 18, ограничительного (нагрузочного) сопротивления 19, индуктивности модуля и ошиновки 20 и собственной индуктивности разрядника. При заряде емкостного накопителя емкостью 20 мкФ до напряжения 100 кВ, амплитуда тока в разрядном контуре достигала 1000 кА. Длительность периода колебаний составляла 5 мкс. Декремент колебаний определялся величиной ограничительного (нагрузочного) сопротивления 19.The amplitude of the current in the spark gap is determined by the parameters of the discharge circuit, which consists of the
Фотографирование процессов в разряднике проводилось через смотровое окно под небольшим углом к продольной оси. Предохранительное окно обеспечивало защиту от разрушения диэлектрической камеры в случае самопробоя разрядника. Проток газа через разрядник происходил через два штуцера, которые установлены по краям камеры.The processes in the arrester were photographed through the viewing window at a small angle to the longitudinal axis. The safety window provided protection against destruction of the dielectric chamber in the event of a self-breakdown of the arrester. The gas flow through the spark gap occurred through two fittings that are installed along the edges of the chamber.
Высокий уровень предлагаемого технического решения определяется тем, что по сравнению с аналогичными многоканальными рельсовыми разрядниками достигнута цель увеличения механической и электрической прочности диэлектрической камеры и уменьшения индуктивности разрядника за счет применения эллиптической формы внешней поверхности камеры. Высокая многоканальность разряда и его управляемость достигается разделением управляющего электрода на несколько секций, на каждую из которых подается импульс управляющего напряжения по отдельному каналу, а также наличием пазов на острой кромке управляющих электродов.The high level of the proposed technical solution is determined by the fact that, in comparison with similar multichannel rail arresters, the goal is to increase the mechanical and electrical strength of the dielectric chamber and reduce the inductance of the arrester by using an elliptical shape of the outer surface of the chamber. High multichannel discharge and its controllability is achieved by dividing the control electrode into several sections, each of which is supplied with a control voltage pulse through a separate channel, as well as by the presence of grooves on the sharp edge of the control electrodes.
Claims (8)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2003119055/09A RU2247453C1 (en) | 2003-06-24 | 2003-06-24 | Multichannel rail discharge switch |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2003119055/09A RU2247453C1 (en) | 2003-06-24 | 2003-06-24 | Multichannel rail discharge switch |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2003119055A RU2003119055A (en) | 2004-12-27 |
| RU2247453C1 true RU2247453C1 (en) | 2005-02-27 |
Family
ID=35286406
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2003119055/09A RU2247453C1 (en) | 2003-06-24 | 2003-06-24 | Multichannel rail discharge switch |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2247453C1 (en) |
Cited By (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2577532C1 (en) * | 2014-09-08 | 2016-03-20 | Российская Федерация, от имени которой выступает Государственная корпорация по атомной энергии "Росатом" (Госкорпорация "Росатом") | Multichannel rail discharger |
| RU2733050C1 (en) * | 2020-03-04 | 2020-09-29 | Российская Федерация, от имени которой выступает Государственная корпорация по атомной энергии "Росатом" (Госкорпорация "Росатом") | Method for formation of multichannel electric breakdown of solid-state insulator and device for its implementation |
| RU204408U1 (en) * | 2020-12-25 | 2021-05-24 | Александр Дмитриевич Данилов | Double-circuit unit for generating and maintaining the discharge current of the spark gap |
| RU2773778C1 (en) * | 2021-10-21 | 2022-06-09 | Российская Федерация, от имени которой выступает Государственная корпорация по атомной энергии "Росатом" (Госкорпорация "Росатом") | Device for forming a multi-channel electric breakdown of a solid state insulator |
| EP3954284A4 (en) * | 2019-04-11 | 2022-12-14 | Obshchestvo S Ogranichennoj Otvetstvennost'yu "Laboratoriya Imeni Vladimira Anatol'evicha Burceva" | System for investigating biological objects |
-
2003
- 2003-06-24 RU RU2003119055/09A patent/RU2247453C1/en not_active IP Right Cessation
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| 10th IEEE Intern. Pulsed Power Conf. Albuquerque. New Mexico. USA. July 3-6, 1995, р.522-527. * |
Cited By (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2577532C1 (en) * | 2014-09-08 | 2016-03-20 | Российская Федерация, от имени которой выступает Государственная корпорация по атомной энергии "Росатом" (Госкорпорация "Росатом") | Multichannel rail discharger |
| EP3954284A4 (en) * | 2019-04-11 | 2022-12-14 | Obshchestvo S Ogranichennoj Otvetstvennost'yu "Laboratoriya Imeni Vladimira Anatol'evicha Burceva" | System for investigating biological objects |
| RU2733050C1 (en) * | 2020-03-04 | 2020-09-29 | Российская Федерация, от имени которой выступает Государственная корпорация по атомной энергии "Росатом" (Госкорпорация "Росатом") | Method for formation of multichannel electric breakdown of solid-state insulator and device for its implementation |
| RU204408U1 (en) * | 2020-12-25 | 2021-05-24 | Александр Дмитриевич Данилов | Double-circuit unit for generating and maintaining the discharge current of the spark gap |
| RU2773778C1 (en) * | 2021-10-21 | 2022-06-09 | Российская Федерация, от имени которой выступает Государственная корпорация по атомной энергии "Росатом" (Госкорпорация "Росатом") | Device for forming a multi-channel electric breakdown of a solid state insulator |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| MacGregor et al. | Factors affecting and methods of improving the pulse repetition frequency of pulse-charged and DC-charged high-pressure gas switches | |
| US9294085B1 (en) | High-voltage, low-inductance gas switch | |
| RU2247453C1 (en) | Multichannel rail discharge switch | |
| Bartnikas | Discharge rate and energy loss in helium at low frequencies | |
| Kovalchuk | Multi gap spark switches | |
| EP3217416A1 (en) | Vacuum circuit breaker and direct current circuit breaker | |
| CA2481019C (en) | Device and method for triggering a spark gap | |
| US4092559A (en) | Controlled discharger | |
| Kim et al. | Multi gap, multi channel spark switches | |
| Bishop et al. | Low-inductance 100 kV switch (spark gap) for starting, diverting and clamping capacitor discharges | |
| Small et al. | Low‐jitter, low‐inductance, electrically triggered spark gap | |
| Bastrikov et al. | Low-inductance multigap spark modules | |
| Baker | High‐Voltage, Low‐Inductance Switch for Megampere Pulse Currents | |
| Zheng et al. | A new multi-gap spark switch connected with frequency-dependent network for EHV overvoltage protection applications | |
| Wang et al. | Surface flashover sustained by electrostatic surface charge on epoxy resin insulator in SF6 | |
| Jimenez et al. | Measurements of surface breakdown voltage of a creeping discharge spark air gap using POM as insulation material | |
| RU188893U1 (en) | Installation for testing conductive composite materials for lightning resistance | |
| DE3539748A1 (en) | TESTING DEVICE FOR VACUUM SWITCHING CHAMBERS | |
| Burtsev et al. | Investigation of a 100-kV linear gas-filled discharger with a distorted electric field | |
| James | High-current 60 kV multiple-arc spark-gap switch of 1.7 nH inductance | |
| RU1818650C (en) | Plasma controllable arrester | |
| Alferov et al. | Application of triggered vacuum switches in a high-voltage high-speed protective device | |
| Larsson et al. | Time jitter studies of a corona-stabilised closing switch | |
| SU604066A1 (en) | Arrangement for generating unipolar pulses | |
| Trump | High gradient studies for accelerator systems |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| TK4A | Correction to the publication in the bulletin (patent) |
Free format text: AMENDMENT TO CHAPTER -FG4A- IN JOURNAL: 6-2005 FOR TAG: (73) |
|
| MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20080625 |