УСТРОЙСТВО ФОРМИРОВАНИЯ МНОГОКАНАЛЬНОГО ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ПРОБОЯ ТВЕРДОТЕЛЬНОГО ИЗОЛЯТОРА
DEVICE FOR FORMING A MULTI-CHANNEL ELECTRIC BREAKDOWN OF A SOLID STATE INSULATOR

Изобретение относится к сильноточной коммутационной технике и может быть использовано для формирования в низкоимпедансных нагрузках мультимегаамперных импульсов тока со временем нарастания порядка одной и менее микросекунды.
12
11
Аналогами, близкими по принципу действия к заявляемому техническому решению, являются устройства для формирования многоканального пробоя твердотельного изолятора путем многоточечного воздействия ударными волнами [1], кумулятивными струями [2], либо за счет быстрого, dU/dt>10 В/с, нарастания напряжения, прикладываемого к электродам, разделенным изолятором с искусственно созданными неоднородностями, задающими места пробоев [3]. Известно также устройство [4] с автоматическим формированием многоканального электрического пробоя при сравнительно невысокой, dU/dt<10 В/с, скоростью нарастания напряжения, прикладываемого к электродам.
В устройстве [2] многоканальный пробой твердотельного изолятора осуществляется с помощью металлических кумулятивных струй, формируемых несколькими капсюлями-детонаторами с кумулятивными выемками в алюминиевых донышках. Используются шесть детонаторов, синхронное инициирование которых обеспечивается электрической системой, располагаемой вблизи устройства многоканального пробоя. Детонаторы вставляются в прочную металлическую обойму, расположенную на потенциальном электроде, соединенном с конденсаторной батареей. Торцы детонаторов примыкают к пленочной изоляции, наложенной на заземленную металлическую шину и сменяемой после каждого пробоя. Устройство работает следующим образом. К потенциальному электроду прикладывается высокое напряжение от конденсаторной батареи. Подается пусковой сигнал в систему инициирования, в которой генерируется высоковольтный импульс, вызывающий срабатывание капсюлей-детонаторов и формирование кумулятивных металлических струй. Кумулятивные струи пробивают твердотельный пленочный изолятор, обеспечивая тем самым электрическое замыкание потенциального электрода на заземленную металлическую шину. Работа устройства опробована при токах до 1,5 МА. Показано, что характерное время формирования многоканального пробоя и замыкания потенциального электрода на землю составляет 0,3-0,4 мкс.
Указанное устройство имеет ряд недостатков. Во-первых, недостатком устройства является повышенное требования к безопасности, связанное с применением взрывоопасных капсюлей-детонаторов. Во-вторых, использование капсюлей-детонаторов и системы инициирования делает устройство довольно громоздким, что в некоторых случаях ограничивает возможность применения. В-третьих, время создания многоканального пробоя, определяемое синхронностью срабатывания капсюлей-детонаторов, формирующих металлические кумулятивные струи, довольно велико, что исключает возможность применения его в быстродействующих электрофизических устройствах с характерным временем развития процессов порядка или меньше 100 нс.
11
11
11
12
12
Известно другое устройство для многоканального пробоя твердотельного изолятора [3]. Принцип работы устройства основан на использовании достаточно высокой скорости dU/dt нарастания напряжения U(t), прикладываемого к высоковольтным электродам, разделенным твердотельным изолятором с искусственно созданными вблизи электродов неоднородностями, искажающими распределение электрического поля. Неоднородности в твердотельном изоляторе могут быть созданы путем вдавливания в него маленьких металлических конусов, оболочек, вплавления проволочек, тонких иголочек и т.д. Экспериментально показано [3], что в подобных устройствах, со скоростями нарастания напряжения в диапазоне от 10 В/с и выше, число каналов пробоя зависит от величины dU/dt. При подаче на электроды напряжения со скоростью нарастания ниже пороговой, dU/dt<10 В/с, образуется только один канал. С увеличением скорости нарастания в диапазоне 10÷10 В/с число каналов пробоя возрастает и при dU/dt>10 В/с достигает максимального значения, равного числу приэлектродных неоднородностей в твердотельном изоляторе. Устройство содержит источник нарастающего высокого напряжения, соединенный с двумя высоковольтными электродами, разделенными твердотельным изолятором с искусственно созданными неоднородностями.
12
12
Данное устройство имеет два недостатка. Первый недостаток состоит в том, что требование к крутизне фронта импульса напряжения, dU/dt>10 В/с, трудно выполнимо в подавляющем большинстве случаев, представляющих практический интерес. Второй недостаток состоит в том, что удовлетворение условия многоканальности пробоя, dU/dt>10 В/с, не позволяет работать при максимальных напряжениях, развиваемых высоковольтным источником, поскольку в точке максимума напряжения dU/dt=0.
в
в
в
1
2
1
2
пр.
ср.
2
10
-9
Наиболее близким к заявляемому изобретению является устройство [4], содержащее подключенные к источнику нарастающего высокого напряжения дисковые электроды, между которыми располагаются две пары лавсановых пленок, разделенных соосной с электродами тонкой круглой пластиной, вырезанной из металлической фольги. Пластина находится под плавающим потенциалом и делит пространство между электродами на два вспомогательных промежутка, в каждом из которых расположены по две лавсановые пленки. В приэлектродных пленках вплавлены контактирующие с электродами тонкие металлические оболочки, которые обеспечивают приэлектродные неоднородности распределения электрического поля и задают, таким образом, места будущих пробоев. В первом вспомогательном промежутке находится расположенная на оси приэлектродная неоднородность в виде контактирующей с электродом вплавленной металлической оболочки. Во втором вспомогательном промежутке содержится N периферийных приэлектродных неоднородностей в виде контактирующих с электродом металлических оболочек, вплавленных в пленку на радиусе r меньшем радиуса фольговой пластины. Толщины лавсановых пленок во вспомогательных промежутках выбираются так, чтобы при росте напряжения на электродах сначала происходил пробой на приэлектродную неоднородность в первом вспомогательном промежутке. Этот пробой приводит к возникновению волны разрядки в первом вспомогательном промежутке, увеличению разности потенциалов Δϕ между фольговой пластиной и электродом во втором вспомогательном промежутке и возникновению перенапряжений между фольгой и вплавленными оболочками. В результате возникающих перенапряжений, в течение некоторого времени Δt происходят электрические пробои в местах приэлектродных периферийных неоднородностей с последующим формированием токовых каналов. Если Δt мало по сравнению с временем пробега электромагнитной волны 2πr/N⋅с между соседними приэлектродными неоднородностями в виде вплавленных металлических оболочек, процессы развития пробоя около каждой оболочки происходят независимым образом. Благодаря этому, может быть обеспечено максимальное число N токовых каналов. Расстояние между соседними оболочками, для оценок, можно принять равным 2πr/N. Выбирая для примера N=6, r=5 см, скорость с распространения электромагнитной волны в лавсане ~1,5⋅10 см/с, получаем 2πr/N⋅с ≈ 0,310 с. Для обеспечения многоканальности в этом случае необходимо выполнение неравенства, Δt<<0,3 нс. Если Δt, по каким-то причинам, оказывается недостаточно малым, область снижения разности потенциалов, вызванного возникновением одного из каналов, оказывается распространенной на места соседних приэлектродных неоднородностей, что затрудняет возникновение пробоев и формирование токовых каналов в этих местах. В результате реальное количество образующихся токовых каналов может оказаться существенно меньше числа N периферийных приэлектродных неоднородностей. Можно выделить две группы факторов, определяющих временной разброс пробоев и определяющих, соответственно, многоканальность пробоев. В соответствии с физическим содержанием определяющих факторов, Δt можно представить в виде суммы двух слагаемых, Δt=Δt+At, где Δt - разброс моментов начала роста Δϕ вблизи каждой из оболочек, a Δt определяется разбросом пробивных напряжений, U=U±ΔU, одной и той же пленки в ее разных точках. Разброс моментов начала роста Δϕ возле каждой периферийной оболочки обусловлен отклонением от концентричности электромагнитных волн, возникающих между электродами после пробоя на оси в первом вспомогательном промежутке. Отклонение от концентричности может быть связано с недостаточно точным вплавлением на оси центральной оболочки в первом вспомогательном промежутке, отклонениями от плоскопараллельности и соосности высоковольтных дисковых электродов, наличием зазоров между лавсановыми пленками. Влияние на Δt разброса пробивных напряжений можно характеризовать соотношением, Δt=2ΔU/(dΔϕ/dt), куда, помимо величины разброса пробивных напряжений ΔU, входит скорость увеличения разности потенциалов dΔϕ/dt между фольговой пластиной и электродом во втором вспомогательном промежутке. Все перечисленные факторы, определяющие величину Δt, в конечном итоге влияют на многоканальность пробоя.
Недостаток устройства [4] состоит в том, что для обеспечения многоканальности пробоя и формирования максимального числа токовых каналов необходимо выполнение жестких требований к качеству используемых диэлектрических пленок, требований к прецизионности изготовления пленок с вплавленными оболочками и прецизионности заключительной сборки устройства. При изготовлении небольших партий опытных образцов устройства со сравнительно небольшим, не более десяти, числом токовых каналов указанные требования могут быть выполнены. Однако, при практическом использовании подобных устройств в сильноточных экспериментах с коммутацией тока по десяткам каналов устройства выполнение указанных требований оказывается проблематичным.
Задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является обеспечение многоканальности пробоя и стабильного формирования максимального числа токовых каналов.
Техническим результатом заявляемого изобретения является увеличение стабильности формирования максимального числа токовых каналов при сниженных требованиях к качеству используемого материала и прецизионности сборки устройства в целом.
Указанный технический результат достигается тем, что, в отличие от известного устройства формирования многоканального электрического пробоя твердотельного изолятора, содержащего соединенные с источником нарастающего напряжения высоковольтные электроды с задающими места пробоев приэлектродными неоднородностями, разделительный твердотельный диэлектрик, изолированную металлическую фольгу, делящую межэлектродный промежуток с твердотельным диэлектриком на два вспомогательных промежутка, в одном из которых происходит самопробой между фольгой и одним из электродов, приводящий к инициированию пробоев в местах приэлектродных неоднородностей во втором вспомогательном промежутке и результирующему многоканальному электрическому перемыканию межэлектродного промежутка через разделительный твердотельный диэлектрик, новым является то, что металлическая фольга выполнена в виде радиальных лепестков по количеству приэлектродных неоднородностей во втором вспомогательном промежутке.
Проведена экспериментальная проверка предлагаемого технического решения. Были выбраны контрольные образцы устройства в двух вариантах исполнения, различающиеся формой медной фольги, разделяющей межэлектродный промежуток. На фиг. 1 и фиг. 2 схематично показаны комбинации пленок и фольги для этих вариантов исполнения устройства. В первом варианте устройства, иллюстрируемым фиг. 1, медная фольга, как и в устройстве-прототипе [4], вырезана в виде диска диаметром 90 мм и вложена в круговой центральный вырез лавсановой пленки 3. Во втором варианте устройства, иллюстрируемым фиг. 2, медная фольга имеет лепестковую конфигурацию с максимальным размером по лепесткам равным 90 мм. Медная фольга вложена в лепестковый центральный вырез лавсановой пленки 3. Во всем остальном исследуемые устройства подобны друг другу. Центральная осевая приэлектродная неоднородность создана в лавсановой пленке 1 толщиной 250 мкм, периферийные приэлектродные неоднородности на диаметре 80 мм созданы в лавсановой пленке 6 толщиной 100 мкм. Между лавсановыми пленками 1, 6 и медной фольгой располагаются лавсановые пленки 2 и 4 толщиной 20 мкм каждая. Изготовленные таким образом наборы пленок и медной фольги с суммарной толщиной 0.41 мм, показанные на фиг. 1 и фиг. 2, плотно зажаты между соосными плоскопараллельными дисковыми электродами диаметром 180 мм. Проведены контрольные испытания в двух сериях по десять включений устройства-прототипа [4] и предлагаемого устройства. Получено среднее на одно включение число периферийных каналов пробоя для каждой из серий. Для устройства-прототипа среднее число периферийных каналов составило 4 канала за импульс, а для предлагаемого устройства 5,8 каналов за импульс. Полученный результат подтверждает наличие положительного эффекта от применения предлагаемого технического решения при формировании шести периферийных токовых каналов. Очевидно, положительный эффект должен проявляться в еще большей степени при формировании большего числа периферийных каналов.
Список источников
1. Комельков B.C. и Аретов Г.Н. // ДАН СССР, 1956. Т. 110. №4. С. 559.
2. Дашук П.Н., Зайенц С.Л., Комельков B.C., Кучинский Г.С., Николаевская Н.Н., Шкуропат П.И., Шнеерсон Г.А. Техника больших импульсных токов и магнитных полей. М.: Атомиздат, 1970. С. 256-259.
3. Месяц Г.А. Импульсная энергетика и электроника. М.: Наука, 2004. С. 243-245.
4. Карпов Г.В. Способ формирования многоканального электрического пробоя твердотельного изолятора и устройство для его осуществления, Патент RU 2733050 опубл. 29.09.2020.