RU31896U1 - HIGH-CURRENT PULSE INSTALLATION FOR RESEARCH OF PLASMA CIRCUIT BREAKERS - Google Patents

Abstract

Сильноточная импульсная установка для исследования плазменных прерывателей тока, включающая в качестве первичного источника энергии взрывомагнитный генератор с системами энергообеспечения и подрыва, последовательно соединенные с ним взрывной размыкатель и узел плазменного прерывателя тока, содержащий вакуумную передающую линию и плазменный прерыватель тока, включающий вакуумную плазменную камеру, снабженную, по меньшей мере, одним плазменным инжектором для формирования в плазменном прерывателе тока плазменного слоя отличающаяся тем, что взрывомагнитный генератор объединен с взрывным размыкателем в блок формирования импульса тока, который непосредственно соединен с узлом плазменного прерывателя тока с минимизированной индуктивностью вакуумной передающей линии, а в качестве плазменного инжектора выбран инжектор газоплазменного типа с импульсным напуском газа.A high-current pulse installation for the study of plasma current breakers, including an explosive magnetic generator with energy supply and detonation systems, an explosive circuit breaker and a plasma current chopper assembly comprising a vacuum transmission line and a plasma current chopper including a vacuum plasma chamber equipped as a primary source of energy characterized by at least one plasma injector for forming a plasma layer in a plasma chopper the fact that the explosive magnetic generator is combined with an explosive disconnector into a current pulse generating unit, which is directly connected to the plasma current chopper assembly with minimized inductance of the vacuum transmission line, and a gas-plasma type injector with pulse gas inlet is selected as a plasma injector.

Description

п « BGSf KC-i;:-; Ь / отив огублило йы.-;; - учетом oEMo-K:HK :2J;j:i. СГргИмЦга .iv,- . V.; s Сильноточная .9тановка для исследования плазменных i&nEfiSkS: -f:S :L 1и1й№ша.1.. -...& .-.X Предлагаемое устройство относится к сильноточной импульсной технике и может быть использовано для исследования плазменных прерывателей тока (ППТ) с токами через плазменный токовый канал (слой) величиной до десятков мегаампер. Известно экспериментальное устройство МАГО («Мегагауссная и мегаамперная импульсная технология и применения, труды международной конференции, г.Саров, 5-10 августа 1996 г. (MG 7), т.1, стр.41-58, рис.13), содержащее быстродействующий спиральный взрывомагнитный генератор (ВМГ), блок формирования импульса тока (накопитель энергии-взрывной размыкатель), газовый пондеромоторный узел (ГПУ), представляющий собой вакуумную плазменную камеру коаксиального типа с двумя электродами вешним и внутренним, разделенными изолятором. Камера состоит из двух отсеков, соединенных между собой кольцевым магнитогазодинамическим соплом. Камера заполнена ДД или ДТ газом, начальное давление газа 10...20 мм рт. ст. Источник электромагнитной энергии (ВМГ) подключается к камере через изолятор. Данное устройство служит для сжатия и нагрева замагниченной плазмы до термоядерных температур. При рещении задач по формированию плазменных токовых каналов и пропускания тока через них для реализации сильноточных плазменных прерывателей тока данная конструкция не подходит. Паиболее близкой к предлагаемому устройству является установка «ИПТЕРРАД (MG7, Т.2, стр.572), позволяющая исследовать сильноточные плазменные прерыватели тока (прототип). Она содержит в качестве первичного источника энергии ВМГ, кабельную линию транспортировки / МПК7:Н05Н 1/00, 1/34 .n "BGSf KC-i;: -; B / otiv ogublil yy.- ;; - taking into account oEMo-K: HK: 2J; j: i. СГрИмЦга .iv, -. V .; s High-current .9 installation for researching plasma i & nEfiSkS: -f: S: L 1 и1й№ша.1 .. -... & .-. X The proposed device relates to high-current pulsed technology and can be used to study plasma current breakers (ППТ) with currents through a plasma current channel (layer) up to tens of megaamperes. Known experimental device MAGO ("Mega-Gaussian and mega-amp pulse technology and applications, proceedings of the international conference, Sarov, August 5-10, 1996 (MG 7), vol. 1, pp. 41-58, Fig. 13), containing a high-speed spiral explosive magnetic generator (VMG), a current pulse generating unit (energy storage-explosive disconnector), a gas ponderomotive assembly (GPU), which is a coaxial type vacuum plasma chamber with two external and internal electrodes separated by an insulator. The chamber consists of two compartments interconnected by an annular magnetogasdynamic nozzle. The chamber is filled with DD or DT gas, the initial gas pressure of 10 ... 20 mm RT. Art. The source of electromagnetic energy (VMG) is connected to the camera through an insulator. This device is used to compress and heat the magnetized plasma to thermonuclear temperatures. When solving the problems of forming plasma current channels and passing current through them to implement high-current plasma current choppers, this design is not suitable. Closest to the proposed device is the installation "IPTERRAD (MG7, T.2, p.572), which allows to study high-current plasma current choppers (prototype). It contains, as the primary source of energy of VMG, a cable transportation line / MPK7: Н05Н 1/00, 1/34.

энергии (ЛТЭ) между ВМГ и индукторами (индуктивными накопителями энергии) с взрывными размыкателями тока, образующими совместно блок формирования имнульса тока, громоздкую магнитоизолированную ЛТЭ к узлу плазменного прерывателя тока (111 IT). Узел ГШТ представляет собой ваьсуумную передающую линию и 11111, содержащий вакуумную плазменную камеру с размещенными в ней изолированными друг от друга двумя электродами, снабженную инжектором плазменно-эрозионного типа, формирующим плазменный слой в камере. Недостатками устройства (особенно для установок среднего класса с энергозапасом ВМГ порядка единиц МДж) являются сложность конструкции, ее большие габариты, малая надежность передающих линий. Слабым звеном устройства является кабельная линия транспортировки энергии от ВМГ. Электропрочность кабелей и концевых разделок в местах подстыковки кабелей недостаточно велика, что в условиях достижения напряжения на линии после взрывного размыкателя значений сотен киловольт делает линии недостаточно надежными. Кабели на большие напряжения (до 500 кВ) достаточно габаритны, жестки и неудобны в эксплуатации. Кроме того, кабельная линия вносит дополнительную индуктивность в токовый контур, запитываемый ВМГ. Индуктивность высоковольтных кабелей достаточно велика порядка 50...280 нГн/м. Обьлно контура, нагружаемые ВМГ, должны иметь индуктивность порядка десятков нГн. Для уменьшения индуктивности, вносимой в контур передающей кабельной линией до допустимых пределов, требуется линию выполнять из большого количества кабелей, что значительно усложняет конструкцию и снижает надежность работы всей системы. Значительный вклад в индуктивность системы вносят также достаточно сложные и громоздкие промежуточные индукторы, следующие заenergy (LTE) between the VMG and inductors (inductive energy storage) with explosive current breakers, forming together the current pulse generating unit, a bulky magnetically insulated LTE to the plasma current chopper assembly (111 IT). The GST unit is a va-sonic transmission line and 11111, containing a vacuum plasma chamber with two electrodes isolated from each other, equipped with a plasma-erosion type injector forming a plasma layer in the chamber. The disadvantages of the device (especially for middle-class installations with a VMG energy reserve of about MJ units) are the design complexity, its large dimensions, and the low reliability of transmission lines. The weak link of the device is the cable line for transporting energy from the VMG. The electrical strength of the cables and the end cuts in the places where the cables are docked is not large enough, which, when the voltage on the line is reached after an explosive disconnector of hundreds of kilovolts, makes the lines not reliable enough. Cables for high voltages (up to 500 kV) are quite dimensional, rigid and uncomfortable to operate. In addition, the cable line introduces additional inductance into the current loop powered by the VMG. The inductance of high-voltage cables is quite large on the order of 50 ... 280 nH / m. Generally, the circuits loaded with HMG should have an inductance of the order of tens of nH. To reduce the inductance introduced into the circuit by the transmission cable line to the permissible limits, the line must be made of a large number of cables, which greatly complicates the design and reduces the reliability of the entire system. A significant contribution to the inductance of the system is also made by rather complex and bulky intermediate inductors following

кабельной передающей лшшейГа также магнитоизолированная ЛТЭ.The cable transmission system is also magnetically insulated LTE.

такими пушками, образуется в результате электрического пробоя в вакууме по поверхности диэлектрика. Состав плазмы задан типом применяемого диэлектрика и не может задаваться экспериментатором по его желанию. Это ограничивает экспериментальные возможности и не позволяет варьировать составом ионов плазмы инжектора, что является важным при поиске оптимальных режимов работы плазменного прерывателя тока.such guns, is formed as a result of electrical breakdown in vacuum over the surface of the dielectric. The plasma composition is set by the type of dielectric used and cannot be set by the experimenter as he wishes. This limits the experimental possibilities and does not allow varying the composition of the plasma ions of the injector, which is important when searching for optimal operating modes of a plasma current chopper.

Задача заключается в создании относительно малогабаритного, упрощенного устройства с повышенной надежностью работы и расширенными техническими и функциональными возможностями.The task is to create a relatively small-sized, simplified device with increased reliability and advanced technical and functional capabilities.

Технический результат состоит в исключении влияния на работу устройства громоздких и ненадежных линий транспортировки энергии, отказе от промежуточных накопителей (индукторов), оптимизации индуктивности системы, использовании газоплазменных инжекторов, позволяющих варьировать состав плазмы.The technical result consists in eliminating the influence on the operation of the device of bulky and unreliable energy transmission lines, refusing from intermediate storage devices (inductors), optimizing the inductance of the system, using gas-plasma injectors, which allow varying the composition of the plasma.

Технический результат достигается тем, что в отличие от известной установки, включающей в качестве первичного источника энергии взрывомагнитный генератор с системами энергообеспечения и подрыва, последовательно соединенные с ним взрывной размыкатель и узел плазменного прерывателя тока 11111, содержащими вакуумную передающую линию и ППТ, включающими вакуумную плазменную камеру, снабженную по меньшей мере одним плазменным инжектором для формирования в ППТ плазменного слоя, в предлагаемой установке взрывомагнитный генератор объединен с взрывным размыкателем в блок формирования импульса тока, который непосредственно соединен с узлом 11111 с минимизированной индуктивностью ваку) передающей линии, а в качестве плазменного инжектора выбран инжектор газоплазменного типа с импульсным напуском газа.The technical result is achieved by the fact that, in contrast to the known installation, which includes an explosive magnetic generator with energy supply and detonation systems as a primary source of energy, an explosive disconnector and a plasma current chopper assembly 11111 connected in series with a vacuum transmission line and a PMT including a vacuum plasma chamber equipped with at least one plasma injector for forming a plasma layer in the PMT, in the proposed installation, the explosive magnetic generator is combined with explosive circuit breaker in the block forming a current pulse, which is directly connected to the node 11111 with minimized inductance in vacuum) of the transmission line, and as a plasma injector, a gas-plasma type injector with pulse gas inlet is selected.

Непосредственность соединения блока формирования импульса тока, объединяющего ВМГ и взрьюной размыкатель, с узлом ППТ позволит:The direct connection of the current pulse forming unit combining the VMG and the breaker disconnector with the PPT unit will allow:

.5.5

1.Исключить из общего токового контура линии транспортировки энергии (кабельной, магнитоизолированной), что повлечет за собой упрощение конструкции, уменьшение ее габаритов, повышение надежности работы, так как при наличии ,например, кабельной линии необходимо использовать большое количество кабелей, что громоздко, сложно и ненадежно в исследуемой области высоких напряжений, а также исключить громоздкую систему промежз гочных индукторов, усложняющую блок формирования импульса тока.1. To exclude from the general current circuit of the energy transmission line (cable, magnetically insulated), which will entail simplification of the design, reduction of its dimensions, increase of reliability, since if you have, for example, a cable line, you need to use a large number of cables, which is cumbersome, difficult and unreliable in the studied region of high voltages, as well as to exclude the bulky system of intermediate inducers, complicating the current pulse generation unit.

2.Уменьшить индуктивность обшего токового контура, так как непосредствеьшое соединение узлов без промежуточных элементов (линий транспортировки энергии, промежуточных индукторов) менее индуктивно.2. Reduce the inductance of the general current circuit, since the direct connection of nodes without intermediate elements (energy transmission lines, intermediate inductors) is less inductive.

3.За счет минимизации индуктивности вакуумной передаюшей линии узла 1111Т дополнительно оптимизировать индуктивность обшего токового контура в зависимости от условий эксперимента.3. By minimizing the inductance of the vacuum transmission line of the 1111T unit, it is also possible to optimize the inductance of the common current circuit depending on the experimental conditions.

Непосредственное соединение может быть реализовано при обеспечении непосредственного контакта при состыковке между соответствующими изолированными друг от друга электродами блока ВМГвзрывной размыкатель и узла ППТ: внутреннего и внешнего электродов ВМГ соответственно с внутренним и внешним электродами ППТ, например, по типу разъемного соединения. При этом важным с точки зрения расширения функциональных возможностей установки является выбор типа плазменного инжектора, которым снабжена вакуумная плазменная камера. Плазменный инжектор с импульсным напуском газа «The 13 IEEE International Pulsed Power Conference, Las Vegas, Nevada, 2002, стр. 1458-1460 позволяет варьировать составом ионов плазмы, образующей плазменный слой в плазменной камере, в процессе исследований для задания необходимого режима работы ППТ.A direct connection can be realized by providing direct contact when connecting between the respective electrodes of the VMG unit, the explosive disconnector and the PMT assembly: the internal and external electrodes of the VMG, respectively, with the internal and external electrodes of the PMT, for example, by the type of detachable connection. Moreover, it is important from the point of view of expanding the functionality of the installation that the type of plasma injector that the vacuum plasma chamber is equipped with is equipped. “The 13 IEEE International Pulsed Power Conference, Las Vegas, Nevada, 2002, pp. 1458-1460, allows you to vary the composition of the ions of the plasma forming the plasma layer in the plasma chamber during the study to set the required operating mode of the PMT.

,; PJ//V / 3 ,; PJ // V / 3

Пример конструктивного исполнения устройства представлен на фиг.An example embodiment of the device is shown in FIG.

Установка содержит в качестве первичного источника энергии блок формирования импульса тока: ВМГ с взрывным размыкателем 1, системы энергообеспечения 2 и подрыва 3, соединенный непосредственно с ним узел ГШТ, содержащий вакуумную передающую линию 4 (отметим, что индуктивность ее в данной системе минимизирована) и вакуумную плазменную камеру 5, с размещенными в ней внещним 6 и внутренним 7 электродами, проходной изолятор 8, систему формирования плазменного токового канала 9, включающ ю инжектор газоплазменного типа с импульсным напуском газа 10, клапан импульсного напуска газа 11. В качестве нагрузки служит вакуумный электронный диод, образованный электродом 12 - катод и электродом 13 - анод. Нагрузка изображена в виде резистора R.The installation contains a current pulse generation unit as a primary energy source: a VMG with an explosive disconnector 1, an energy supply system 2 and an undermining 3, a main power supply unit connected directly to it, containing a vacuum transmission line 4 (note that its inductance in this system is minimized) and vacuum a plasma chamber 5, with external 6 and internal 7 electrodes placed in it, a bushing 8, a system for forming a plasma current channel 9, including a gas-plasma type injector with a pulsed gas inlet 10 , gas pulse inlet valve 11. A vacuum electronic diode formed by an electrode 12 — a cathode and an electrode 13 — anode serves as a load. The load is shown as resistor R.

В примере конкретного выполнения первичным источником энергии может служить взрывомагнитный генератор ВМГ-100 (см. «Мегагауссная и мегаамперная импульсная технология и применение, труды 7-ой международной конференции, г.Саров, 5-10 августа 1996 г. г.Саров, 1997 г., стр. 249).In an example of a specific implementation, the VMG-100 explosive magnetic generator can serve as the primary source of energy (see "Mega-Gaussian and Mega-Amp Pulse Technology and Application, proceedings of the 7th International Conference, Sarov, August 5-10, 1996, Sarov, 1997 ., p. 249).

Устройство работает следующим образом. Газоплазменный инжектор 10 с клапаном импульсного напуска газа 11 формирует плазменный слой 9, который заполняет зазор между электродами 6 и 7 вакуумной плазменной камеры. В заданный момент времени, после заполнения плазмой межэлектродного промежутка срабатывает взрывной размыкатель и в блоке 1 формируется высоковольтный импульс, под действием которого в цепи индуктивного накопителя, образованного узлом 1, электродами камеры 6, 7, плазменным слоем 9, протекает ток. При достижении током критического значения, определяемого геометрией и плазменными параметрами прерывателя тока, происходит «открывание плазменного прерывателя тока, т.е. резкий рост сопротивления плазменного токового канала. В момент «открывания плазменного токового канала между электродами 12, 13The device operates as follows. The gas-plasma injector 10 with a pulse gas inlet valve 11 forms a plasma layer 9, which fills the gap between the electrodes 6 and 7 of the vacuum plasma chamber. At a given point in time, after the interelectrode gap is filled with plasma, an explosive switch is triggered and a high-voltage pulse is generated in block 1, under the influence of which a current flows in the circuit of the inductive storage circuit formed by node 1, chamber electrodes 6, 7, and plasma layer 9. When the current reaches a critical value, determined by the geometry and plasma parameters of the current chopper, the plasma current chopper opens, i.e. a sharp increase in the resistance of the plasma current channel. At the time of "opening the plasma current channel between the electrodes 12, 13

генерируется высоковольтный имнульс, который прикладывается к нагрузке RH (электроды 6и13,7и12- электрически связаны).a high-voltage impulse is generated, which is applied to the RH load (electrodes 6 and 13.7 and 12 are electrically connected).

Таким образом, с помощью заявленной полезной модели обеспечивается возможность исследования плазменных прерывателей тока за счет достижения технического результата при выполнении поставленной задачи создания малогабаритного, простого, достаточно надежного устройства с широкими функциональными возможностями. Задача достигается тем, что в отличие от прототипа проведено объединение в единый блок формирования импульса тока ВМГ и взрывного размыкателя тока, который (блок) непосредственно подстыкован к узлу ППТ с минимизированной индуктивностью вакуумной передающей линии и плазменной вакуумной камерой, снабженной инжектором газоплазменного типа с импульсным напуском газа.Thus, using the claimed utility model, it is possible to study plasma current breakers by achieving a technical result when performing the task of creating a small-sized, simple, fairly reliable device with wide functional capabilities. The objective is achieved in that, in contrast to the prototype, the VMG current pulse and the explosive current disconnector are combined into a single block for generating a current pulse, which (the block) is directly connected to the PPT assembly with a minimized inductance of the vacuum transmission line and a plasma vacuum chamber equipped with a gas-plasma type injector with pulse inlet gas.

По оценкам использование такой установки позволит в несколько раз упростить конструкцию, повысить надежность в 2...3 раза и в несколько раз расширить функциональные возможности устройства. It is estimated that the use of such an installation will simplify the design several times, increase reliability by 2 ... 3 times and expand the functionality of the device several times.

Claims (1)

Сильноточная импульсная установка для исследования плазменных прерывателей тока, включающая в качестве первичного источника энергии взрывомагнитный генератор с системами энергообеспечения и подрыва, последовательно соединенные с ним взрывной размыкатель и узел плазменного прерывателя тока, содержащий вакуумную передающую линию и плазменный прерыватель тока, включающий вакуумную плазменную камеру, снабженную, по меньшей мере, одним плазменным инжектором для формирования в плазменном прерывателе тока плазменного слоя отличающаяся тем, что взрывомагнитный генератор объединен с взрывным размыкателем в блок формирования импульса тока, который непосредственно соединен с узлом плазменного прерывателя тока с минимизированной индуктивностью вакуумной передающей линии, а в качестве плазменного инжектора выбран инжектор газоплазменного типа с импульсным напуском газа.A high-current pulse installation for the study of plasma current breakers, including an explosive magnetic generator with energy supply and detonation systems, an explosive circuit breaker and a plasma current chopper assembly comprising a vacuum transmission line and a plasma current chopper including a vacuum plasma chamber equipped as a primary source of energy characterized by at least one plasma injector for forming a plasma layer in a plasma chopper the fact that the explosive magnetic generator is combined with an explosive disconnector into a current pulse generating unit, which is directly connected to the plasma current chopper assembly with minimized inductance of the vacuum transmission line, and a gas-plasma type injector with pulse gas inlet is selected as a plasma injector.