ВЫСОКОВОЛЬТНЫЙ КОНДЕНСАТОР СО ВСТРОЕННЫМ УПРАВЛЯЕМЫМ КОММУТАТОРОМ

Полезная модель относится к электротехнике, а именно к высоковольтной импульсной технике наносекундного диапазона (до 100 не) для генерирования мощных импульсов тока (до 300 кА) при импульсном напряжении 50 кВ и выше. Она может быть использована в генераторах тока для питания импульсных рентгеновских аппаратов, электронных пушек, электродинамических ускорителей твердых тел (до 10 км/с), при создании установок для сейсморазведки горных пород на глубины до нескольких километров и т.п.
Известно устройство для накопления электрической энергии, состоящее из спирально навитых плоских ленточных проводников, и способ его изготовления (патент США 3 6525924, МПК 7 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, которая выше индуктивности предложенной нами полезной модели в 5 раз и более. Это связано с тем, что устройство - аналог создано
для работы с коммутирующим узлом, который находится за пределами этого устройства. Кроме того, его токовыводящие контакты выведены на одну торцевую часть устройства, где присоединены к двум общим токовыводящим шинам.
Первая причина высокой индуктивности устройства - аналога устранена в другом известном, и выбранном за прототип устройстве, которое является наиболее близким к предложенному нами 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 с встроенным газовым управляемым разрядником. Конденсатор содержит изоляционный цилиндрический корпус с заземленной крышкой, в котором по внутренней поверхности его стенки размещены цилиндрически намотанные фольговые обкладки конденсатора. Внутри них коаксиально установлен управляемый газовый разрядник (коммутатор), один из основных электродов которого - высоковольтный - укреплен в днище конденсатора и выполнен с каналами для подачи воздуха под давлением. Напротив этого электрода установлен запускающий электрод, расположенный коаксиально внутри другого (заземленного) основного электрода. Запуск управляемого газового разрядника осуществляется через обостряющий промежуток 0,5 мм, образованный под заземленной крышкой над запускающим электродом.
К основным недостаткам этого устройства относятся следующие:
сравнительно высокая индуктивность, ограниченные возможности протекания больших токов, а также необходимость принудительной подачи газа (воздуха) под давлением. При таком конструктивном выполнении устройства, на обкладки конденсатора действуют электродинамические
силы, направленные в радиальном направлении в сторону стенки корпуса устройства. В результате этого плотность намотки обкладок конденсатора уменьшается, нарушается контакт токовыводящих элементов с фольговыми обкладками, происходит искрение, подгорание мест контакта, повышенное газовыделение и в конечном итоге электрический пробой обкладок конденсатора. Ограничение протекания больших токов связано с высоким активным сопротивлением используемой коммутирующей системы.
Техническим результатом предложенной полезной модели является снижение индуктивности в 2 раза, создание возможности протекания токов больших в 2 раза, устранение необходимости подачи в управляемый разрядник (коммутатор) газа под давлением. В предложенном устройстве комплексно решены задачи уплотнения намотки обкладок конденсатора электродинамическими силами, направленными в сторону его осевой линии, и снижения активного сопротивления коммутирующей системы за счет распределения токов по большому количеству каналов электрического пробоя.
Указанный технический результат достигается тем, что высоковольтный конденсатор со встроенным управляемым коммутатором, содержит, как и прототип, изоляционный цилиндрический корпус с заземленной крышкой, в котором коаксиально расположены цилиндрически намотанные обкладки конденсатора и управляемый коммутатор. В отличие от прототипа управляемый коммутатор выполнен многоканальным в виде нескольких рядов электродов разрядных промежутков, а обкладки конденсатора расположены внутри управляемого коммутатора, причем электроды разрядных промежутков равномерно размещены по наружной поверхности обкладок конденсатора.
Целесообразно, чтобы изоляционный цилиндрический корпус был помещен в токопроводящий кожух, который электрически соединен с заземленной крышкой.
Пример конкретного выполнения. На фиг.1 приведен продольный разрез предложенного высоковольтного конденсатора. Он содержит изоляционный цилиндрический корпус 1 с заземленной крышкой 2. В корпусе 1 расположены цилиндрически намотанные обкладки 3 конденсатора. Снаружи обкладок 3 конденсатора по внутренней поверхности корпуса 1 конденсатора размещен управляемый коммутатор, в изоляционном корпусе 4 которого закреплены в виде нескольких (восьми) горизонтальных рядов электроды 5 разрядных промежутков 6 управляемого коммутатора. Величина каждого разрядного промежутка 6 равна 5 мм. Электроды 5 равномерно размещены по наружной поверхности изолятора 7 обкладок 3 конденсатора. Диаметр электродов 5 равен 22 мм. Для зарядки высоковольтного конденсатора через заземленную крышку 2 и центральную полость 8 конденсатора пропущен кабель 9, идущий от источника постоянного напряжения, и подсоединенный к токопроводящему диску 10, который электрически соединяет цилиндрически намотанные обкладки 3 и нижний ряд электродов 5 управляемого коммутатора. Нагрузка 11 подключена к заземленной крышке 2 и к обкладкам 3 с помощью токовода 12.
Кроме того, изоляционный цилиндрический корпус 1 помещен в токопроводящий кожух 13, который электрически соединен с заземленной крышкой 2 и служит для защиты оборудования и приборов от импульсных электромагнитных полей окружающих высоковольтный конденсатор.
Работа высоковольтного конденсатора осуществляется следующим образом. От внешнего источника кабелем 9 к токопроводящему диску 10 подают постоянное напряжение (100 кВ) для заряжения высоковольтного конденсатора (его обкладок 3) до рабочего напряжения. После этого запускают управляемый коммутатор путем подачи импульса от внешнего генератора запуска на третий с верху ряд электродов 5, что приводит к пробою разрядных промежутков 6 по двенадцати параллельным каналам пробоя. В результате этого образуется разрядный контур: цилиндрически
намотанные обкладки 3 конденсатора, управляемый коммутатор, нагрузка 11. В результате на нагрузке получают импульсный ток до 300 кА (в зависимости от нагрузки) при емкости высоковольтного конденсатора 0,2 мкф индуктивности 15 нГн. У прототипа индуктивность 28 нГн, то есть выше почти в 2 раза, импульсный ток до 150 кА, то есть меньше в 2 раза.