СПОСОБ ПОДБОРА ПРОФИЛЯ ВЫСОКОВОЛЬТНЫХ КОЛЬЦЕВЫХ ЭКРАНОВ
METHOD FOR PROFILE SELECTION OF HIGH-VOLTAGE CIRCULAR SHIELDS

Изобретение относится к высоковольтной импульсной технике и может быть использовано в генераторах высоковольтных импульсов и ускорителях заряженных частиц при подборе профиля закругления острых торцевых кромок проводников сильноточных формирующих линий с целью снижения напряженности электрического поля.
Известен и наиболее часто применяется способ подбора профиля высоковольтных кольцевых экранов, при котором используют тороид вращения (Воробьев Г.А., Месяц Г.А. Техника формирования высоковольтных наносекундных импульсов. - М.: Госатомиздат, 1963, с.450, с.485; Бенинг П. Электрическая прочность изоляционных материалов и конструкций. - М.: ГЭИ, 1960, с.191). Этот способ весьма распространен, поскольку тороид наиболее прост в изготовлении.
Недостатком его при использовании для кольцевого экрана высоковольтного проводника коаксиальной формирующей линии является повышенная напряженность поля на тороиде по сравнению с напряженностью в зазоре между высоковольтным и заземленным проводниками линии.
Наиболее близким к заявляемому является способ подбора профиля высоковольтных кольцевых экранов (а.с. №1614101, МПК Н03К 3/53. Генератор импульсных напряжений по схеме Аркадьева-Маркса. Гусаров А.А и др. Заявлено 15.07.88, опубл. 15.12.90, бюл. №46), заключающийся в том, что торцовую часть экрана выполняют с каплевидной образующей, которая в полярных координатах описывается формулой:
где ρ - радиус, отсчитываемый от точки сопряжения торцовой и основной частей экранирующего электрода;
D - диаметр экрана;
0<φ<90° - аргумент приведенной функции;
17.5<k<35 - масштабирующий коэффициент.
При использовании данного способа подбирают масштабирующий коэффициент k, при котором обеспечивается наименьшая напряженность электрического поля на поверхности экрана. Данный способ по сравнению с использованием тороида вращения позволяет, при сохранении радиальной толщины, увеличить радиус кривизны наружной поверхности каплевидного скругленного участка и тем самым способствовать снижению напряженности поля.
Недостатком способа является неизменная форма высоковольтного экрана, что сильно сужает область его применения в сложных конструкциях из-за невозможности изменять соотношения радиусов поверхности на разных участках округления экрана.
В данном изобретении решается задача подбора оптимального профиля высоковольтных кольцевых экранов самых различных конструкций.
Техническим результатом является снижение напряженности электрического поля на поверхности экрана.
Указанный технический результат достигается тем, что по сравнению с известным способом подбора профиля высоковольтных кольцевых экранов, заключающимся в том, что для этого используют профиль тела вращения, имеющего гладкую образующую, новым является то, что профиль образующей выбирают по форме одной из эквипотенциальных линий электрического поля, образованного двумя вспомогательными электродами, выполненными в виде групп цилиндрических и конических элементов, один электрод заземлен, другой имеет потенциал высоковольтного экрана, при этом для подбора профиля экрана используют эквипотенциальную линию с разностью потенциалов 0.3-0.7 U относительно любого электрода, где U - напряжение между вспомогательными электродами.
Выбор профиля образующей экрана по форме одной из эквипотенциальных линий электрического поля, образованного двумя вспомогательными электродами, позволяет обеспечить плавное изменение кривизны поверхности экрана вдоль образующей и тем самым избежать появления скачков напряженности электрического поля. Это объясняется тем, что эквипотенциальные линии, согласно уравнениям электростатики, не имеют разрывов производной по всей своей длине и поэтому являются идеально гладкими. Многолетняя практика использования электродов Роговского (К.А. Резвых. Расчет электростатических полей в аппаратуре высокого напряжения. - М.: Энергия, 1967, стр.35-39) доказала эффективность использования эквипотенциальных линий электрического поля для получения высоковольтных промежутков с максимальной электрической прочностью.
Выполнение вспомогательных электродов в виде сочетания цилиндрических и конических элементов позволяет наиболее простым образом подобрать профиль экрана, оптимальный при его расположении среди заземленных проводников заданной конструкции. Меняя расположение и размеры цилиндрических и конических элементов вспомогательных электродов, можно в широких пределах варьировать конфигурацию эквипотенциальных линий для поиска оптимальной формы экрана с наименьшей напряженностью поля на его поверхности. При этом, как показала практика, потенциал оптимальной эквипотенциальной линии не выходит за границы диапазона 0.3-0.7 U (где U - напряжение между вспомогательными электродами), что сужает круг поиска оптимальной линии.
Таким образом, в данном изобретении при использовании перечисленных отличительных признаков реализуется указанный технический результат.
На фиг.1 в качестве примера показана конструкция двойной формирующей линии (ДФЛ), в которой при помощи заявляемого метода проводилась оптимизация профиля кольцевого экрана на острой торцевой кромке высоковольтного проводника, где
1 - наружный заземленный проводник ДФЛ;
2 - высоковольтный проводник ДФЛ;
3 - внутренний заземленный проводник ДФЛ;
4 - кольцевой экран;
5, 6 - электроды разрядника ДФЛ;
7 - вывод на нагрузку;
8 - зона пробоев.
На фиг.2 показана система вспомогательных электродов и эквипотенциальные линии электрического поля, созданного этими электродами, где
9 - заземленный вспомогательный электрод;
10 - высоковольтный вспомогательный электрод;
11 - эквипотенциальная линия, выбранная в качестве образующей профиля экрана высоковольтного проводника ДФЛ.
На фиг.3 показаны образующие экрана 4 до оптимизации (поз.12) и после оптимизации (поз.13) его формы при использовании заявляемого способа.
Коаксиальная двойная формирующая линия, изображенная на фиг.1, является частью сильноточного ускорителя на напряжения до 1 MB и работает следующим образом. С помощью генератора импульсных напряжений (ГИН) первоначально производится импульсная зарядка конструктивных конденсаторов, образованных высоковольтным проводником 2 и заземленными проводниками 1 и 3. При этом конденсаторы оказываются включенными навстречу друг другу, и суммарное напряжение на выводе 7, который при зарядке ДФЛ заземлен через индуктивный или омический шунт, равно нулю. Затем происходит пробой промежутка между электродами 5 и 6 разрядника ДФЛ, что приводит к перезарядке и смене полярности напряжения на конструктивной емкости между электродами 2 и 3. При этом напряжения на конструктивных конденсаторах складываются, и на выводе 7, подключенном к нагрузке, формируется высоковольтный импульс.
В данной ДФЛ, кроме рабочих пробоев в разряднике, наблюдались нежелательные пробои в зоне 8 между экраном 4 и внутренним заземленным проводником 3, которые приводили к снижению амплитуды импульса напряжения на нагрузке и повышенной нестабильности его формы и длительности. Данное явление было вызвано несовершенством формы кольцевого экрана 4 и, вследствие этого, повышенным значением напряженности электрического поля в зоне 8.
Для оптимизации профиля экрана 4 по заявляемому способу было произведено построение вспомогательных электродов 9 и 10, показанных на фиг.2. При этом заземленный электрод 9 базировался на диаметрах заземленных проводников 1 и 3 ДФЛ исходной конструкции. Участки электрода 9, расположенные напротив цилиндрического элемента высоковольтного электрода 10, были к нему максимально приближены для последующего сопряжения экрана 4 (выполненного при помощи заявляемого способа с образующей по форме одной из эквипотенциальных линий электрического поля электродов 9 и 10) с тонкостенным цилиндрическим электродом 2.
Для разных значений угла и длины конического участка вспомогательного электрода 10 производились расчеты семейства эквипотенциальных линий электрического поля, созданного электродами 9 и 10, в диапазоне потенциалов 0.3-0.7 MB при напряжении зарядки ДФЛ 1 MB. Затем каждая из этих линий использовалась в качестве образующей экрана 4 в ДФЛ на фиг.1; при этом производился расчет распределения напряженности поля вдоль линии и сравнивался с распределениями, полученными для исходной конструкции ДФЛ, и с использованием других эквипотенциальных линий.
Такие расчеты проводились при изменении угла конического участка электрода 10 от 12° до 16°. Лучший вариант экрана 4 при сохранении габаритов ДФЛ позволил на 22% снизить максимальную напряженность поля, однако имел участок, выступающий за пределы наружного диаметра проводника 2, что противоречило требованиям к его конструкции. Поэтому был выбран вариант экрана, не выступающего за диаметр проводника 2 и позволяющего снизить напряженность на 18%. Образующие экранов 4 исходной и измененной конструкций приведены на фиг.2 (поз.12 и поз.13 соответственно). Сравнительно небольшие различия профилей наглядно показывают, насколько трудно, даже при наличии многолетнего опыта работы с высоковольтными конструкциями, визуально подобрать оптимальный профиль экрана. Заявляемый способ предоставляет возможность значительно упростить этот процесс и проводить оптимизацию форму экранов в сложной многоэлектродной конструкции.