ВЫСОКОВОЛЬТНЫЙ КОНДЕНСАТОР С УПРАВЛЯЕМЫМ КОММУТАТОРОМ

Полезная модель относится к электротехнике, а именно к высоковольтной импульсной технике наносекундного диапазона для генерирования мощных импульсов тока при импульсном напряжении 50 кВ. Она может быть использована в генераторах тока для питания импульсных рентгеновских аппаратов, электронных пушек, электродинамических ускорителей твердых тел, при лучевой, электроэрозионной обработке конструкционных материалов и т.д.
7
Известно устройство для накопления электрической энергии, состоящее из спирально навитых плоских ленточных проводников, и способ его изготовления (патент США 36525924, МПК H01G 4/06, опубл. 25.02.2003). Оно представляет собой цилиндрический корпус, внутри которого расположены плоские ленточные электрические проводники, навитые в одном направлении. Ленточные электрические проводники снабжены несколькими токовыводами, соединенными с одним основным электрическим выводом. По осевой линии устройства, коаксиально относительно навитых в виде рулона электрических ленточных проводников, расположен токопроводящий элемент. Через этот токопроводящий элемент (сквозь всю толщу упаковки электрических ленточных проводников) пропущена шпилька, служащая для закрепления сборки, нижний конец которой плотно соединяет нижние токовыводы. Верхний конец этой шпильки соединен с другим основным электрическим вводом.
Основным недостатком известного устройства является высокая индуктивность (20 нГн). Причиной этого является то, что устройство-аналог создано для работы с коммутирующим узлом, который располагается за пределами этого устройства. Кроме того, его токовыводящие контакты выведены на одну торцевую часть устройства, где присоединены к двум общим токовыводящим шинам.
Эта причина высокой индуктивности устройства-аналога устранена в другом известном, выбранном за прототип устройстве, которое является наиболее близким к предложенной полезной модели по конструктивным особенностям и достигаемому эффекту (Н.В. Жарова, Н.А. Ратахин, В.Ф. Федущак, А.А. Эрфорт «Импульсные генераторы тока для электрофизических установок». Научная конференция «Электрофизика материалов и установок»: сборник докладов / под редакцией С.М. Коробейникова, Ю.В. Целебровского, С.В. Нестерова - Новосибирск, Сибирская энергетическая академия, 2006. - 9-12 января 2007 года, с. 223-224).
Устройство-прототип представляет собой высоковольтный конденсатор со встроенным управляемым коммутатором, который помещен в токопроводящий кожух, электрически соединенный с заземленной крышкой, внутри которого размещены цилиндрически намотанные фольговые обкладки конденсатора, внутри которых коаксиально установлен управляемый газовый разрядник (коммутатор), высоковольтный электрод которого закреплен в днище конденсатора и выполнен с каналами для подачи воздуха под давлением. Напротив этого электрода установлен запускающий электрод, расположенный коаксиально внутри заземленного электрода. Запуск управляемого газового разрядника осуществляется через обостряющий промежуток 0,5 мм, образованный под заземленной крышкой над запускающим электродом.
Основным недостатком известного устройства-прототипа является сравнительно высокая индуктивность, что в сочетании с малой электрической емкостью конденсатора и относительно большим активным сопротивлением коммутатора и всего разрядного контура физически ограничивает возможность генерации больших токов. Недостатком, также, является сложность конструкции, связанная с принудительной подачей газа и необходимостью принудительно задавать потенциал запускающего электрода с помощью резистивного делителя, располагаемого снаружи устройства. Технической задачей является увеличение амплитуды тока, генерируемого устройством, снижение активного сопротивления коммутатора и всего разрядного контура, а также устранение необходимости работы коммутатора с использованием газа под давлением и устранение необходимости принудительно задавать потенциал запускающего электрода.
Указанная техническая задача решается тем, что высоковольтный конденсатор с управляемым коммутатором, как и прототип, помещен в токопроводящий кожух, электрически соединенный с заземленной крышкой. В корпусе коаксиально расположены цилиндрически намотанные обкладки конденсатора и управляемый коммутатор. В отличие от прототипа высоковольтный конденсатор выполнен многосекционным с равной электрической емкостью в каждой секции, а функцию управляемого коммутатора выполняет тиратрон, расположенный сверху секций в металлическом токопроводящем корпусе, подключенном к заземленной крышке, при этом анод тиратрона соединен с обкладками секций конденсатора, а катодом соединен с заземленной крышкой. Помимо этого высоковольтный конденсатор отличается от прототипа тем, что функцию управляемого коммутатора выполняет тиратрон типа ТДИ-100К/45П, который позволяет работать при частоте до 1 Гц. Кроме этого высоковольтный конденсатор выполнен из 6-ти отдельных секций, подключенных одной обкладкой к аноду тиратрона, другой - на шесть отдельных высоковольтных выводов. Амплитуда тока в режиме короткого замыкания до 300 кА, время нарастания до максимума (фронт тока) 450 нс. Частота следования импульсов 1 Гц.
Таким образом, техническим результатом предложенной полезной модели является повышение амплитуды разрядного тока в 2 раза, устранение необходимости работы управляемого коммутатора с использованием газа под давлением, а также устранение необходимости использования принудительного задания электрического потенциала на запускающем электроде. В предложенной модели комплексно решена задача снижения активного сопротивления коммутирующей системы за счет распределения токов по большому количеству разрядных контуров. Применение тиратрона с функцией управляемого коммутатора позволило повысить рабочую частоту всей сборки до предельной частоты работы конденсатора, то есть до 1 Гц.
В дальнейшем сущность полезной модели поясняется описанием и чертежом, приведен продольный разрез предложенного высоковольтного конденсатора.
Пример конкретного выполнения. На фиг. 1 приведен продольный разрез предложенного высоковольтного конденсатора. Он содержит тиратрон 1, подключенний анодом к секциям высоковольтного импульсного конденсатора 2 и катодом подключенный к металлическому цилиндрическому корпусу 3, являющимся обратным токопроводом. Анод подключен к одной из обкладок секций конденсатора, а другой обкладкой - к высоковольтным выводам 4, предназначенным для подключения высоковольтных передающих кабелей. Секции конденсатора помещены в герметичный металлический бак 5, заполненный изоляционной жидкостью (касторовым маслом). На крышке бака расположен дополнительный высоковольтный ввод 6, подключенный к одной из обкладок секций конденсатора для подключения зарядного устройства. Металлический цилиндрический корпус имеет герметичную крышку 7 с патрубком для подачи сжатого газа повышенного давления, что позволяет повысить рабочее напряжение тиратрона.
Работа высоковольтного конденсатора осуществляется следующим образом. От внешнего источника через высоковольтный ввод 6 подают постоянное напряжение (до 50 кВ) для зарядки обкладок высоковольтного конденсатора до рабочего напряжения. После этого запускают тиратрон путем подачи импульса от внешнего генератора запуска на пусковой электрод тиратрона. Происходит коммутация тиратрона на металлический цилиндрический корпус и разряд каждой секции конденсатора через собственный независимый высоковольтный ввод 4. В результате этого образуются шесть независимых разрядных контуров: цилиндрически намотанные обкладки одной из шести секций конденсатора, тиратрон с функцией управляемого коммутатора, нагрузка; что приводит к равномерному распределению разрядного тока по этим контурам, снижает суммарную индуктивность сборки и повышает ее надежность. В результате на нагрузке получают импульсный ток до 300 кА при емкости высоковольтного конденсатора 3 мкФ и индуктивности сборки 27-30 нГн. У прототипа индуктивность 28 нГн, то есть такая же, а импульсный ток до 150 кА, то есть меньше в 2 раза.