ТВЕРДОТЕЛЬНЫЙ РАЗРЯДНИК ДЛЯ КОММУТАЦИИ ЕМКОСТНЫХ НАКОПИТЕЛЕЙ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ
SOLID-STATE DISCHARGER FOR SWITCHING CAPACITIVE ACCUMULATORS OF ELECTRIC ENERGY

Изобретение относится к сильноточной коммутационной технике и может быть использовано для многоканальной коммутации емкостных накопителей электрической энергии, в частности, высоковольтных конденсаторных генераторов импульсных токов мультимегаамперного уровня.
Коммутацию твердотельных разрядников осуществляют путем разрушения межэлектродной изоляции из твердого диэлектрика. Для этого используются различные методы: воздействие взрывчатых веществ, электромеханические ударники, электровзрыв проводников и т.п. Изоляция является сменной и заменяется после каждого срабатывания разрядника. Аналогами близкими к заявляемому техническому решению являются твердотельные разрядники с плоскопараллельными электродами, в которых изоляцию разрушают путем воздействия на нее энергией вспомогательного электрического разряда (см. [1-3]; [4] - с. 257-267; [5]; [6]).
Известным аналогом заявляемого устройства является твердотельный разрядник для коммутации емкостных накопителей электрической энергии, представленный в работе [4] - с. 263-267, там же дана ссылка на оригинал [5].
Разрядник содержит два основных электрода, один из которых предназначен для подключения к потенциальной шине накопителя, а второй - к его разрядной цепи, межэлектродную изоляцию из твердого диэлектрика и межэлектродную изоляционную прокладку, примыкающую ко второму основному электроду. Изоляционная прокладка имеет прокол, служащий в качестве канала инициирования пробоя изоляции (здесь и везде далее под проколом понимается сквозное отверстие, выполненное любым способом). Разрядник снабжен также блоком поджига для инициирования пробоя. Блок поджига имеет разрядный контур, который включает тонколистовой поджигающий электрод, установленный между изоляцией из твердого диэлектрика и изоляционной прокладкой, управляемый разрядник и емкостный источник энергии поджига, потенциальный вывод которого подключен через коммутационный разрыв управляемого разрядника к поджигающему электроду, а второй вывод - ко второму основному электроду, причем поджигающий электрод гальванически связан со вторым основным электродом разрядника соединительным элементом. Соединительный элемент представляет собой тонкий проводник (медный), проходящий через прокол в изоляционной прокладке. В местах локализации поджига основные электроды содержат сменные токопроводящие пластины. Поджигающий электрод выполнен из металлической фольги.
Твердотельный разрядник работает следующим образом. После заряда емкостного накопителя и емкостного источника энергии поджига запускается управляемый разрядник. Его срабатывание приводит к появлению импульса тока в разрядном контуре блока поджига, который вызывает электровзрыв проводника (соединительного элемента). Следствием электровзрыва проводника является локальное разрушение изоляции твердотельного разрядника, что приводит к пробою изоляции и к разряду емкостного накопителя электрической энергии.
Аналог имеет ряд недостатков.
Во-первых, это - необходимость применения калиброванных проводников (соединительных элементов) при параллельной работе нескольких разрядников (и/или каналов инициирования) и необходимость их повторной установки после каждого запуска устройства, что технологически усложняет процесс подготовки твердотельных разрядников к работе и увеличивает затраты на эксплуатацию.
Во-вторых, электровзрыв соединительных элементов приводит к разрушению основных электродов. Вследствие этого возникает необходимость при подготовке каждого разряда изменять позиционирование мест поджига, сдвигая их на еще неповрежденную область контактных пластин и регулярно заменять пластины по мере износа (см. [4] - с. 266).
В третьих, разрушающее воздействие электровзрыва проводников затрудняет применение многоканальной коммутации разрядника, поскольку возрастает число областей, подвергающихся разрушению, что снижает его ресурс до замены сменных пластин кратно числу каналов инициирования.
Применение калиброванных проводников при параллельной работе разрядников (и/или каналов инициирования) обусловлено необходимостью обеспечения идентичности условий коммутации для каждого из них. При этом избежать разрушения электродов, например, путем выполнения в них отверстий в местах локализации пробоев и установки на эти отверстия сменных накладок из металлической фольги не представляется возможным, т.к. вследствие прорыва фольги это приведет к сбросу давления газов в месте электровзрыва и к нарушению процесса коммутационного пробоя изоляции разрядника.
Указанные недостатки устраняется в другом известном твердотельном разряднике для коммутации емкостных накопителей электрической энергии, который рассмотрен в [7]. Это устройство является наиболее близким к заявляемому, поэтому выбрано в качестве прототипа.
Разрядник содержит два основных электрода, один из которых предназначен для подключения к потенциальной шине накопителя, а второй - к его разрядной цепи, межэлектродную изоляцию из твердого диэлектрика и межэлектродную изоляционную прокладку, примыкающую ко второму основному электроду. Прокладка имеет хотя бы один прокол, служащий в качестве канала инициирования пробоя изоляции. В основных электродах напротив каналов инициирования выполнены выхлопные отверстия, закрытые изнутри тонколистовыми металлическими накладками. Разрядник снабжен также блоком поджига для инициирования пробоя, имеющим разрядный контур, который включает тонколистовой поджигающий электрод, установленный между изоляцией из твердого диэлектрика и изоляционной прокладкой, управляемый разрядник и емкостный источник энергии поджига, потенциальный вывод которого подключен через коммутационный разрыв управляемого разрядника к поджигающему электроду, а второй вывод - ко второму основному электроду. Каждый разрядник снабжен одним блоком поджига вне зависимости от числа каналов инициирования. Поджигающий электрод и накладки на выхлопные отверстия выполнены из металлической фольги.
Твердотельный разрядник работает подобно аналогу с той лишь принципиальной разницей, что инициирование пробоя происходит без электровзрыва соединительных элементов, которые в этом устройстве отсутствуют. В отличие от аналога, основным фактором, обеспечивающим разрушение изоляции, здесь является давление магнитного поля. Давление магнитного поля электрической дуги, возникающей в канале инициирования, вызывает смещение фольги поджигающего электрода в приосевой зоне канала. Смещаясь, фольга продавливает изоляцию разрядника, вызывая пробой между основными электродами. При этом дуга замыкается на металлические фольговые накладки на выхлопных отверстиях основных электродов. Происходит прорыв накладок и сброс давление газа через выхлопные отверстия. Сами электроды при этом не повреждаются.
В связи со сказанным выше отметим, что здесь и далее под термином "тонколистовые" понимаются материалы, обеспечивающие указанную выше функциональность устройства в части продавливания поджигающего электрода и разрушения накладок на выхлопных отверстиях под воздействием разрядного тока блока поджига.
Один из недостатков прототипа состоит в следующем. В процессе зарядки емкостного источника энергии поджига заряжается и паразитная емкость, образуемая разделенными изоляционной прокладкой поджигающим электродом и вторым основным электродом твердотельного разрядника. Заряд паразитной емкости происходит из-за утечек статического электричества при подаче высокого напряжения. Достигнув критического уровня напряжения, паразитная емкость пробивается через прокол в изоляционной прокладке, закорачивая поджигающий и второй основной электроды. Это вызывает скачок потенциала на электроде управляемого разрядника, с которым связан поджигающий электрод, что может спровоцировать его нештатное срабатывание. Щелчки разрядов паразитных емкостей происходят периодически во всех блоках поджига твердотельных разрядников накопителя (крупные емкостные накопители коммутируются, как правило, несколькими параллельно установленными твердотельными разрядниками). Как следствие, повышается вероятность самопроизвольного запуска. Но даже в том случае, если этого не произойдет, разброс значений потенциалов поджигающих электродов в момент управляемого запуска разрядников отрицательно повлияет на синхронность их срабатывания. Кроме того, при пробоях паразитных емкостей выгорают отверстия проколов в изоляционных прокладках. В результате увеличивается их диаметр, снижается уровень давления магнитного поля в месте поджига и возрастает время пробоя изоляции, одновременно увеличивается разброс по времени срабатывания твердотельных разрядников (см. экспериментальные данные в [7]). Перечисленные недостатки для подобного типа разрядников отмечены также в [4], с. 265-266.
Другим недостатком прототипа является неустойчивость процесса формирования разрядов в каналах при использовании твердотельных разрядников с многоканальным инициированием. Действительно, вследствие влияния случайных факторов один из каналов всегда пробивается раньше. При этом напряжение между основными электродами твердотельного разрядника падает с начальных, как правило, нескольких десятков киловольт до почти нулевых значений (сохраняется лишь относительно невысокое остаточное напряжение на электрической дуге). В связи с этим условия развития разряда в еще не пробившихся каналах ухудшаются, что может приводить к неравномерному распределению тока по ним. Как следует из [7], критической является задержка срабатывания канала на время около 100 нс, что можно рассматривать как границу, превышение которой ведет к отказу канала. На нестабильность многоканального срабатывания этого разрядника ссылаются также в [2].
Заявляемое изобретение решает задачу снижения риска нештатного срабатывания твердотельного разрядника.
Техническим результатом заявляемого изобретения является повышение стабильности работы твердотельного разрядника.
Указанный технический результат достигается тем, что по сравнению с известным твердотельным разрядником для коммутации емкостных накопителей электрической энергии, содержащим два основных электрода, один из которых предназначен для подключения к потенциальной шине накопителя, а второй - к его разрядной цепи, межэлектродную изоляцию из твердого диэлектрика и межэлектродную изоляционную прокладку, примыкающую ко второму основному электроду, с хотя бы одним проколом, служащим в качестве канала инициирования пробоя изоляции, выхлопные отверстия, выполненные в основных электродах напротив каналов инициирования и закрытые изнутри тонколистовыми металлическими накладками, а также блок поджига для инициирования пробоя, имеющий разрядный контур, который включает тонколистовой поджигающий электрод, установленный между изоляцией из твердого диэлектрика и изоляционной прокладкой, управляемый разрядник и емкостный источник энергии поджига, потенциальный вывод которого подключен через коммутационный разрыв управляемого разрядника к поджигающему электроду, а второй вывод - ко второму основному электроду, новым является то, что поджигающий электрод гальванически связан со вторым основным электродом разрядника соединительным элементом, который создает дополнительную разрядную цепь емкостного источника энергии поджига, обладающую полным сопротивлением многократно превышающим индуктивную составляющую полного сопротивления разрядного контура блока поджига, причем в случае нескольких каналов инициирования каждый из них снабжен отдельным блоком поджига.
В частном случае соединительный элемент может быть выполнен одиночным проводником.
В соответствии с предлагаемым техническим решением с помощью соединительного элемента обеспечивается гальваническая связь между поджигающим электродом и вторым основным электродом твердотельного разрядника. Это уравнивает их потенциалы и исключает возможность зарядки межэлектродной паразитной емкости, что устраняет ее негативное влияние на стабильность работы каналов инициирования. Причем установка соединительного элемента не препятствует реализации эффективного режима работы блоков поджига, несмотря на появление дополнительной разрядной цепи для его емкостного источника (потенциальный вывод емкостного источника энергии поджига - управляемый разрядник - соединительный элемент - второй основной электрод твердотельного разрядника - второй вывод емкостного источника энергии поджига). Действительно, поскольку полное сопротивление дополнительной разрядной цепи многократно превышает индуктивную составляющую полного сопротивления разрядного контура блока поджига (активную составляющую контур не содержит), то при запуске управляемого разрядника большая часть разрядного тока емкостного источника по-прежнему протекает через этот контур (здесь под полным сопротивлением электрической цепи традиционно понимается модуль ее импеданса).
е
p
p
e
p
e
p
e
p
e
p
e
Шунтирующее влияние соединительного элемента на работу блока поджига будет тем более незначительным, чем большим полным сопротивлением обладает дополнительная разрядная цепь емкостного источника по сравнению с индуктивной составляющей полного сопротивления разрядного контура блока поджига, поэтому необходимо, чтобы указанные величины различались многократно. Чтобы удовлетворить этому условию, можно использовать в качестве соединительного элемента, например, активное сопротивление величиной R>>ωL, где L - индуктивность разрядного контура блока поджига, ω - циклическая частота разряда. Однако наиболее простой способ - выполнить соединительный элемент проводником, вносящим в дополнительную разрядную цепь индуктивность L>>L. При этом отношение полных сопротивлений контуров окажется равным ωL/ωL=L/L>>1. Поэтому в соединительный элемент будет ответвляться лишь незначительная доля тока блока поджига, недостаточная для его расплавления и разрушения, и он может быть установлен стационарно. Технически условие L>>L легко реализуется, если соединительный элемент представляет собой одиночный проводник (провод). Такой проводник создает высокоиндуктивную петлю и для обеспечения указанного условия достаточно выполнить разрядный контур блока поджига низкоиндуктивным образом, например, использовав для передачи разрядного тока на поджигающий электрод ряд параллельно соединенных коаксиальных кабелей. Одновременно это повысит амплитуду тока поджига, что улучшит коммутационные характеристики твердотельного разрядника. Причем величина индуктивности L может быть неограниченно увеличена за счет изменения геометрии соединительного проводника.
Стабильность работы каналов инициирования повышается также за счет использования отдельных блоков поджига для каждого из каналов в сочетании с установлением идентичных начальных условий для их пробоя путем уравнивания потенциалов поджигающих электродов с помощью соединительных элементов.
Таким образом, устраняются недостатки, характерные для прототипа, и повышается стабильность работы системы инициирования пробоя твердотельного разрядника.
Отметим, что установка соединительного элемента, гальванически связывающего поджигающий электрод со вторым основным электродом, с применением отдельного блока поджига для каждого канала, используется также в работе [6]. Однако, в отличие от заявляемого устройства соединительный элемент здесь представляет собой вторичную обмотку разделительно-согласующего трансформатора, устанавливаемого в разрядный контур блока поджига. Применение трансформатора является недостатком этого технического решения, поскольку усложняет устройство и увеличивает затраты на его изготовление. Причем количество трансформаторов растет пропорционально числу каналов пробоя, тогда как в заявляемом устройстве трансформаторы отсутствуют вовсе, а соединительный элемент может быть установлен один - общий для всех каналов (см. фиг. - вид А, пунктир).
На фигуре изображен заявляемый твердотельный разрядник для коммутации емкостных накопителей электрической энергии. Здесь введены обозначения:
B
С - емкостный накопитель электрической энергии;
Р - управляемый разрядник;
р
С - емкостный источник энергии поджига;
e
e
Z - соединительный элемент, образующий дополнительную разрядную цепь емкостного источника энергии поджига с полным сопротивлением Z;
Т - передающая линия, соединяющая емкостный накопитель электрической энергии с нагрузкой;
w
Z - нагрузка емкостного накопителя электрической энергии;
1 - основной электрод твердотельного разрядника (потенциальный);
2 - второй основной электрод твердотельного разрядника;
3 - межэлектродная изоляция из твердого диэлектрика;
4 - изоляционная прокладка;
5 - прокол в изоляционной прокладке;
6 - выхлопные отверстия;
7 - металлические накладки;
8 - поджигающий электрод;
9 - низкоиндуктивная передающая линия;
B
w
р
e
р
Твердотельный разрядник для коммутации емкостных накопителей электрической энергии, содержит два основных электрода 1 и 2, один из которых (поз. 1) предназначен для подключения к потенциальному выводу накопителя С, а второй (поз. 2) - к его разрядной цепи (на фигуре она состоит из коаксиальной передающей линии Т и нагрузки Z), межэлектродную изоляцию из твердого диэлектрика 3 и межэлектродную изоляционную прокладку 4, примыкающую ко второму основному электроду 2. Прокладка имеет хотя бы один прокол 5, служащий в качестве канала инициирования пробоя изоляции 3. В основных электродах 1 и 2 напротив каналов инициирования выполнены выхлопные отверстия 6, закрытые изнутри тонколистовыми металлическими накладками 7. Разрядник снабжен также блоком поджига для инициирования пробоя, имеющим разрядный контур, который включает тонколистовой поджигающий электрод 8, установленный между изоляцией из твердого диэлектрика 3 и вторым основным электродом 2, управляемый разрядник Р и емкостный источник энергии поджига С, потенциальный вывод которого подключен через коммутационный разрыв управляемого разрядника к поджигающему электроду 8, а второй вывод - ко второму основному электроду 2 (на фигуре эти подключения выполнены с помощью кабельной передающей линии 9). Поджигающий электрод 8 гальванически связан со вторым основным электродом 2 разрядника соединительным элементом (на фигуре обозначен как Z), который создает дополнительную разрядную цепь емкостного источника энергии поджига С, обладающую полным сопротивлением многократно превышающим индуктивную составляющую полного сопротивления разрядного контура блока поджига. Эффективным вариантом, обеспечивающим выполнение этого требования, является использование низкоиндуктивной кабельной передающей линии 9 в сочетании с соединительным проводником, выполненным одиночным проводом. В случае нескольких каналов инициирования каждый из них снабжен отдельным блоком поджига. На фигуре (вид А) их показано два.
e
Допускается использовать как отдельный соединительный элемент Z для каждого блока поджига, так и один общий для всех. На фигуре (вид А) установка общего соединительного элемента показана пунктиром.
Работает твердотельный разрядник следующим образом.
В
р
р
р
e
p
В процессе заряда емкостного накопителя С и емкостных источников энергии поджига С соединительные элементы (или соединительный элемент, если он один общий) уравнивают потенциалы поджигающих электродов 8 и второго основного электрода 2 твердотельного разрядника, обеспечивая необходимые условия для нормального запуска. После окончания заряда запускаются управляемые разрядники Р. Их срабатывание приводит к пробою между поджигающими 8 и вторым основным электродом 2 твердотельного разрядника через проколы 5 в изоляционной прокладке 4. Происходит разряд емкостных источников энергии С. При этом энергия от емкостных источников С поступает в разрядные контуры блоков поджига в силу выполнения условия Z>>ωL. Под действием давления магнитного поля, создаваемого протекающим в канале инициирования током, происходит смещение материала тонколистового поджигающего электрода в приосевой зоне канала. Смещаемый фрагмент продавливает изоляцию разрядника, вызывая пробой между основными электродами. Возникающая электрическая дуга замыкается на тонколистовые металлические накладки на выхлопных отверстиях основных электродов. Под воздействием дуги и газокинетического давления испарившихся материалов накладки прорываются, обеспечивая сброс давления газов через выхлопные отверстия.
Работоспособность заявляемого технического решения была проверена экспериментально.
B
р
e
р
С помощью двенадцати твердотельных разрядников, каждый из которых содержал два канала инициирования (т.е. по два блока поджига на разрядник), осуществлялась коммутация конденсаторного накопителя емкостью С=540 мкФ, заряжавшегося до напряжения 50 кВ (энергозапас - до 675 кДж). Общий коммутируемый ток накопителя достигал 5 МА. Изоляция 3 твердотельных разрядников выполнялась из нескольких слоев тонколистового полиэтилена с толщиной слоя 100-120 микрон (4-8 слоев в зависимости от напряжения заряда накопителя). Изоляционная прокладка 4 изготавливалась из одного-двух слоев того же полиэтилена. Проколы 5 в накладках выполнялись калиброванной иглой диаметром 0.8 мм. Поджигающий электрод 8 и накладки 7 изготавливались из алюминиевой фольги толщиной 70-100 и 20-30 мкм, соответственно. В качестве емкостных источников энергии поджига С использовались конденсаторы ИК-50-3 (50 кВ, 3 мкФ) производства Серпуховского конденсаторного завода. Низкоиндуктивная кабельная передающая линия 9 состояла из 24-х коаксиальных кабелей РК-50-4-13, по 24 кабеля длиной 1.2 м на каждый блок поджига. Жилы кабелей присоединялись к поджигающему электроду, а оплетки - ко второму основному электроду твердотельного разрядника. В качестве управляемого разрядника Р применялся трехэлектродный каскадный воздушный разрядник с искажением поля. Соединительный элемент L устанавливался на каждый блок поджига и представлял собой медный провод диаметром 2.5 мм, один конец которого присоединялся к корпусу конденсатора С, а другой - к электроду разрядника Р, как показано на фигуре. Корпус конденсатора заземлялся. Длина соединительного проводника составляла ~ 40 см.
-4
Проведенные эксперименты показали относительно высокую стабильность работы системы инициирования пробоя твердотельных разрядников. Вероятность отказа одного из 24-х каналов коммутации составила около 1%. При этом вероятность одновременного отказа большего числа каналов на разных разрядниках определяется вероятностью независимых событий (произведением вероятностей одиночных отказов) и поэтому является весьма низкой: например, для двух каналов это величина порядка 10 или 0.01% (заметим, что случай отказа сразу двух каналов на одном разряднике невозможен, исходя из принципа работы устройства).
СПИСОК ИСТОЧНИКОВ
1. B.C. Комельков, Г.Н. Аретов. "Докл. АН СССР", 110, №4, 1956.
2. Авторское свидетельство №726613 СССР. МПК Н01Т 5/04 (2). Ю.Н. Бочаров, А.В. Григорьев, Г.А. Шнеерсон. Управляемый многоканальный твердотельный разрядник. №2614476/24-07, заявлено 11.05.1978. Опубл. 05.04.1980, бюл. №13.
3. Патент RU 2138893 С1, МПК Н01Т 2/02 (1995.01) опубл. 27.09.1999. В.Ф. Бухаров, В.Д. Селемир, Г.М., Спиров, И.В. Лобанова. Управляемый твердотельный разрядник.
4. П.Н. Дашук, С.Л. Зайенц, В.С. Комельков, Г.С. Кучинский, Н.Н. Николаевская, П.И. Шкуропат, Г.А. Шнеерсон. Техника больших импульсных токов и магнитных полей. Под ред. В.С. Комелькова. Атомиздат, 1970.
5. D.V. Bayes, R.J. Nucklesby, В.J. Ward. 4-th Symposium on Engineering Problems in Thermonuclear Research. Frascatti, 1966.
6. А.Б. Андрезен, В.А. Бурцев, В.M. Водовозов, А.А. Дроздов, Г.М. Макеев. Малоиндуктивный конденсаторный модуль на 100 кВ энергоемкостью 80 кДж. ПТЭ, №2, с. 109, 1980.
7. А.Б. Андрезен, В.А. Бурцев, А.Б. Продувнов. Исследование временных характеристик пробоя разрядников с твердым диэлектриком. ЖТФ, том XLV, №2, с. 294, 1975.