УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИМИТАЦИИ МАГНИТНОГО ПОЛЯ МОЛНИЕВЫХ РАЗРЯДОВ
DEVICE FOR SIMULATION OF MAGNETIC FIELD OF LIGHTNING DISCHARGES

Изобретение относится к импульсной технике и может быть использовано для воспроизведения импульсного магнитного поля разрядов молнии при испытаниях технических систем на воздействие близких ударов молнии.
Известно устройство для формирования импульса тока в нагрузке [Разработка и применение источников интенсивных электронных пучков. Под ред. Г.А. Месяца. «Наука», Сибирское отделение, Новосибирск, 1976, стр. 69], содержащее емкостный накопитель энергии, первый вывод которого соединен через последовательно соединенные индуктивность разрядного контура и первый коммутатор к первому выводу второго коммутатора и к прерывателю тока на электрически взрываемом проводнике, второй вывод которого соединен со вторым выводом емкостного накопителя энергии.
Вышеуказанное устройство является наиболее близким по технической сущности к заявляемому устройству и поэтому выбрано в качестве прототипа.
Прототип имеет ряд недостатков.
Во-первых, испытываемые объекты должны располагаться вблизи токоведущих элементов, соединенных с нагрузкой, где магнитное поле сильно неоднородно.
Во-вторых, в этом устройстве на практике трудно реализовать импульс требуемой длительности, т.к. срабатывание прерывателя в виде взрывающегося проводника происходит в момент максимума тока и длительность генерируемого импульса во много раз меньше периода собственных колебаний разрядного контура.
Решаемой технической задачей является создание устройства для имитации магнитного поля молниевых разрядов с расширенными функциональными возможностями.
Достигаемым техническим результатом является повышение достоверности имитации магнитного поля разрядов молнии при испытаниях технических систем на воздействие близких ударов молнии.
Для достижения технического результата в устройстве для имитации магнитного поля молниевых разрядов, содержащем емкостный накопитель энергии, первый вывод которого соединен через последовательно соединенные индуктивность разрядного контура и первый коммутатор к первому выводу второго коммутатора и к первому выводу взрывающегося проводника прерывателя тока, второй вывод которого соединен с первым выводом резистивной нагрузки и со вторым выводом емкостного накопителя энергии, новым является то, что дополнительно введен преобразователь электрического тока в магнитное поле, состоящий из двух параллельных между собой электродов, образующих межэлектродный промежуток, при этом каждый электрод выполнен в виде плоской проводящей пластины или набора линейных параллельных проводников либо один из электродов выполнен в виде плоской проводящей пластины, а другой электрод выполнен в виде набора линейных параллельных проводников, при этом первые выводы первого и второго электродов преобразователя соединены соответственно со вторым выводом второго коммутатора и вторым выводом взрывающегося проводника прерывателя тока, а вторые выводы первого и второго электродов соединены между собой через резистивную нагрузку, при этом емкость накопителя С и сопротивление резистивной нагрузки R выбраны из соотношений
где  - плотность тока во взрывающемся проводнике к моменту начала его взрыва, требуемая для получения заданного времени нарастания импульса магнитного поля;
νb
J - удельный интеграл действия взрыва проводника;
dis
L - индуктивность разрядного контура;
l
L - индуктивность преобразователя электрического тока в магнитное поле с нагрузкой;
Т - длительность импульса магнитного поля (по уровню 0,1 от амплитуды).
Введение преобразователя электрического тока в магнитное поле из двух плоских параллельных между собой электродов, образующих межэлектродный промежуток, и выполнение электродов в виде плоской проводящей пластины или наборов линейных параллельных проводников, а также подключение их выводов к коммутатору, прерывателю тока и резистивной нагрузке позволяет получить испытательный объем для установки объектов испытаний, в которой можно реализовать требуемое поле с заданной однородностью.
Выбор емкости накопителя  и сопротивления резистивной нагрузки R из соотношений
позволяет реализовать требуемые временные параметры импульса и тем самым повысить достоверность имитации магнитного поля разрядов молнии.
Таким образом, новая совокупность существенных признаков позволяет расширить функциональные возможности заявляемого устройства и повысить достоверность имитации магнитного поля разрядов молнии.
На фиг. 1 представлена схема заявляемого устройства. На фиг. 2 приведена осциллограмма реализованного с помощью заявляемого устройства импульса магнитного поля.
Устройство для имитации магнитного поля молниевых разрядов содержит емкостный накопитель энергии 1, первый вывод которого соединен через последовательно соединенные индуктивность 3 разрядного контура и первый коммутатор 2 к первому выводу второго коммутатора 5 и к первому выводу взрывающегося проводника прерывателя тока 4, второй вывод которого соединен со вторым выводом емкостного накопителя энергии 1. Преобразователь электрического тока в магнитное поле состоит из двух параллельных между собой электродов 6, образующих межэлектродный промежуток. Каждый из электродов выполнен в виде плоской проводящей пластины или набора линейных параллельных проводников. Первые выводы первого и второго электродов 6 преобразователя соединены со вторым выводом второго коммутатора 5 и вторым выводом взрывающегося проводника прерывателя тока 4, а вторые выводы первого и второго электродов 6 преобразователя соединены между собой через резистивную нагрузку 7.
Заявляемое устройство для имитации магнитного поля молнии работает следующим образом.
От зарядного устройства заряжается емкостный накопитель 1 до необходимого напряжения. После зарядки емкостного накопителя срабатывает первый коммутатор 2 и происходит разряд емкостного накопителя 1 через индуктивность 3 на взрывающийся проводник прерывателя 4. При наборе током, протекающим по взрывающемуся проводнику прерывателя 4 определенного интеграла действия, происходит взрыв проводника, который сопровождается резким увеличением сопротивления прерывателя 4, за счет чего в разрядном контуре генерируется высокое напряжение, которое прикладывается к коммутатору 5, который срабатывает и разрядный ток начинает протекать по электродам 6. Этим током в промежутке между электродами формируется импульсное магнитное поле H(t), зависимость которого от разрядного тока определяется соотношением
H(t)=kI(t),
где k - коэффициент преобразования преобразователя электрического тока в магнитное поле.
Формирование тока в электродах 6 после срабатывания коммутатора 5 обусловлено разрядом емкостного накопителя 1 и разрядом индуктивности 3 на нагрузку 7.
Разряд емкостного накопителя имеет вид экспоненциального импульса с постоянной спада  и постоянной нарастания , которые зависят от параметров устройства следующим образом
Разряд индуктивности происходит в виде экспоненциального импульса, время нарастания которого определяется временем переключения прерывателя 4, а постоянная спада  равна
m
d
Как следует из этих выражений, постоянная нарастания разряда емкостного накопителя 1 равна постоянной спада разряда индуктивности 3. Параметры устройства подбираются так, чтобы амплитуды разрядных токов обоих процессов были одинаковы. Это позволяет получить апериодический импульс без искажений. Амплитуда I и длительность импульса (по уровню 0,1-0,9) T зависят от параметров схемы следующим образом:
Время срабатывания прерывателя 4 определяется выражением [Месяц Г.А. Формирование наносекундных импульсов высокого напряжения. М.: «Энергия», 1970]
где К - скорость роста числа разрывов на единицу длины проводника; ν≈30 м/с - скорость расширения частичных дуг в аксиальном направлении. Постоянная К может быть найдена из эмпирической формулы
<mrow><msubsup><mi>j</mi><mi>e</mi><mrow><mi>c</mi><mi>r</mi></mrow></msubsup></mrow>
где
- плотность тока в проводнике прерывателя к моменту начала его разрушения.
e
2
В этой формуле К выражается в 1/м·с, j в кА/мм
Из нее следует
Энергия в индуктивности 3 разрядного контура, накопленная до срабатывания прерывателя 4, равна
После взрыва проводника прерывателя 4 она перераспределяется между индуктивностью 3 и индуктивностью электродов 6 и суммарная ее величина равна
Если пренебречь потерями, величина энергии накопленной в индуктивностях до и после взрыва проводника останется неизменной.
Составляя баланс энергий, имеем
Из этого уравнения получаем
С другой стороны, после окончания переходного процесса, вызванного срабатыванием прерывателя
Для получения гладкого апериодического импульса необходимо, чтобы
Отсюда получаем уравнения для величины тока, при котором должно происходить срабатывание прерывателя
Разрядный ток в прерывателе 4 согласно формуле для разрядного тока в колебательном контуре, равен
Параметры разрядного контура и прерывателя подбираются так, чтобы время от начала разряда до срабатывания прерывателя было во много раз меньше времени нарастания разрядного тока до максимума. При этом условии для разрядного тока можем записать приближенное выражение
е
е
Время Т, необходимое для достижения тока I, при котором происходит срабатывание прерывателя
е
Интеграл тока в прерывателе 4 за время от начала процесса до его срабатывания (Т), равен
При выборе сечения взрывающегося проводника в прерывателе 4 будем исходить из условия
νb
νb
17
2
4
где I(t) - полный ток через взрывающийся проводник; S - площадь поперечного сечения взрывающегося проводника, J - удельный интеграл действия взрыва проводника (для меди J≈1.95·10 А·с·м).
Подставляя, получим
e
С другой стороны, к моменту взрыва плотность тока j должна быть не менее , т.е
Отсюда следует
Таким образом, сопротивление нагрузки и индуктивности разрядного контура и преобразователя электрического тока в магнитное поле связаны соотношением
m
На основе приведенных расчетных соотношений был разработан и изготовлен действующий макет устройства и проведены экспериментальные исследования его характеристик. При конструировании макета принималось, что время срабатывания прерывателя должно быть τ≤0,4 мкс, а следовательно,
Сопротивление резистивной нагрузки было выбрано равным 2,4 Ом, емкость накопителя - 60 мкФ. Зарядное напряжение составляло 25 кВ. В качестве взрывающегося проводника размыкателя использовалась медная проволочка диаметра 0,4 мм. Конструктивно размыкатель представляет собой стеклотекстолитовую трубу ⌀71 мм, длиной 500 мм, закрытую с обоих концов алюминиевыми фланцами и заполненную мелкодисперсным песком. Проволочка размещается между фланцами по центру трубы. Преобразователь электрического тока в магнитное поле содержал два электрода, каждый из которых был выполнен в виде плоской металлической пластины.
В экспериментальных исследованиях проводились измерения параметров магнитного поля в межэлектродном промежутке между электродами. Типичная осциллограмма импульса магнитного поля, полученного на макете устройства, приведена на фиг. 2.