ВЗРЫВОМАГНИТНЫЙ ГЕНЕРАТОР

Область техники
Полезная модель относится к магнитным генераторам импульсов, управляемым энергией взрыва, и может быть применена в электроэнергетике, например, для формирования испытательных импульсов для проверки молниеустойчивости воздушных линий электропередачи (ВЛ) и оборудования подстанций (ПС).
Уровень техники
Известен, принятый за прототип, взрывомагнитный генератор, содержащий лайнер из токопроводящей трубы, заполненной взрывчатым веществом, с возможностью подрыва со стороны входного торца лайнера, и спираль, коаксиально охватывающую трубу лайнера, между входными торцами которых подключен через коммутатор накопительный конденсатор, а между выходными торцами подключена нагрузка [пат. RU 91467 U1, МПК H01H 39/00, H03K 3/53, 2010 г.]. Для повышения импульсной мощности, отдаваемой в нагрузку, прототип содержит взрывной размыкатель с разрывным проводником в цепи нагрузки, срабатывающий от детонации взрывчатого вещества на выходном торце лайнера.
Недостаток прототипа состоит в том, что он не обеспечивает одновременного выполнения требований по импульсной мощности и компактности конструкции, предъявляемых к оборудованию мобильного испытательного комплекса для проверки молниеустойчивости ВЛ и ПС высокого напряжения.
Раскрытие существа полезной модели
Предметом полезной модели является взрывомагнитный генератор (ВМГ) импульса тока, содержащий лайнер в виде токопроводящей трубы, заполненной взрывчатым веществом (ВВ), с возможностью подрыва со стороны входного торца лайнера, и многосекционную спиральную катушку, коаксиально охватывающую лайнер, между входными торцами которых включен через коммутатор накопительный конденсатор, а между их выходными торцами подключена, например через импульсный трансформатор, нагрузка, при этом, по меньшей мере, примыкающая к выходному торцу лайнера секция спиральной катушки выполнена конусной, сужающейся к выходному торцу лайнера.
Технический результат, достигаемый указанной совокупностью признаков, состоит в повышении скорости скольжения лайнера по виткам спиральной катушки и в создании возможности получения требуемых характера изменения во времени скорости вывода индуктивности из контура нагрузки и параметров импульса мощности, отдаваемой в нагрузку. Этот результат достигается без увеличения мощности заряда ВВ, без использования взрывного размыкателя в цепи нагрузки и, следовательно, без увеличения габаритов устройства.
Развитие полезной модели предусматривает, что токопроводящая труба лайнера может быть заполнена бинарным взрывчатым веществом (БВВ).
Другое развитие полезной модели предусматривает, выполнение спиральной катушки с углом конусности, близким, но не превышающем расчетный угол конусности лайнера при детонации взрывчатого вещества. При этом угол конусности конусной секции спиральной катушки, сужающейся к выходному торцу лайнера, может быть меньше расчетного угла конусности лайнера при детонации взрывчатого вещества на 1°-15°.
Еще одно развитие полезной модели предусматривает, что спиральная катушка дополнительно содержит, по меньшей мере, одну конусную секцию, расширяющуюся к выходному торцу лайнера.
Осуществление полезной модели с учетом ее развитии
На фиг.1 схематически представлено заявляемое устройство.
Лайнер выполнен в виде токопроводящей трубы 1, заполненной конденсированным взрывчатым веществом (КВВ) или БВВ, которое может быть изготовлено, например, на основе нитрометана и сенсибилизатора этилендиамина или DETA. Использование БВВ не требует соблюдения режимных мер по хранению и транспортировке.
Со стороны входного торца 2 лайнера вставлен запал 3, при подрыве обеспечивающий возможность детонации ВВ. Труба 1 коаксиально охвачена многосекционной спиральной катушкой 4. Между входным торцом 2 лайнера и входным торцом катушки 4 через коммутатор 5 включен накопительный конденсатор 6 (цепь его заряда не показана). К выходному торцу 7 лайнера через импульсный трансформатор 8 подключена активно-индуктивная нагрузка 9. Примыкающая к выходному торцу 7 секция 10 катушки 4 размещена соосно с продольной осью трубы 1 лайнера и выполнена конусной, с сужением к выходному торцу 7. Секция 11 выполнена цилиндрической, а секции 12 и 13 выполнены конусными, расширяющимися к выходному торцу 7 лайнера. Для придания катушке 4 требуемой формы витки ее спирали предварительно наматываются на соответствующий технологический каркас и скрепляются компаундом (например, эпоксидной смолой). После отвердения. компаунда технологический каркас удаляется, а в катушку 4 вводится труба 1 лайнера.
Устройство работает на принципе сжатия (кумуляции) магнитного потока. Принцип состоит в следующем.
2
3
Замкнутый проводящий контур, ограничивающий магнитный поток, сжимается внешними силами. В результате взаимодействия движущегося проводника и сжимаемого им магнитного поля механическая энергия внешних сил преобразуется в энергию магнитного поля. В частности, в случае ВМГ механическая энергия, преобразуемая в энергию магнитного поля, высвобождается в процессе взрыва заряда КВВ. Продукты детонации КВВ, воздействуя на медную трубу 1 лайнера, расширяют ее поперек силовых линий созданного заранее (при разряде накопительного конденсатора) магнитного поля, совершая тем самым работу против пондеромоторных сил этого нарастающего по величине магнитного поля. Накопленная магнитная энергия импульсного тока передается в нагрузку. Плотность генерируемой электрической энергии в ВМГ может достигать 10 Дж/г, а удельная мощность ГВт/м. С использованием ВМГ получены импульсные токи до несколько сотен МА и освоен энергетический диапазон несколько сотен МДж при пиковой мощности сотни ТВт.
Устройство работает следующим образом.
Токонесущими элементами ВМГ являются спираль катушки 4 и труба 1 лайнера, заполненная ВВ. Начальный магнитный поток создается током от конденсаторной батареи 6 после замыкания коммутатора 5 Инициирование ВВ производится с торца 2 лайнера с помощью запала 3. По мере продвижения фронта детонации вдоль лайнера, труба 1 расширяется, образуя коническую воронку, обращенную широкой частью к запалу (т.е. к входному торцу лайнера). При этом токопроводящий лайнер скользит своей расширенной частью по виткам спирали катушки 4, вытесняя магнитный поток в нагрузку. Этот процесс можно представить как движение вдоль катушки 4 конусного поршня, сжимающего магнитное поле при распространении детонации от запала 3 к торцу 7. Форма выходного импульса на нагрузке определяется параметрами нагрузки и скоростью V вывода индуктивности L катушки 4 из замкнутого через нагрузку токового контура.
Требуемый характер изменения скорости вывода индуктивности из контура нагрузки задается комбинацией цилиндрической и конусных секций катушки 4 и использованием толстостенной медной трубы 1. Толщина стенки трубы 1 определяет угол конусности воронки взрывающегося лайнера. Конусная форма секции 10 (сужение к выходному торцу лайнера) приводит к увеличению скорости скольжения лайнера по спирали (и скорости V) без использования более мощного ВВ. За счет увеличения толщины стенок трубы 1 угол конусности воронки взрываемого лайнера уменьшается и приближается к углу конусности секции 10, что способствует достижению максимальной скорости скольжения V и созданию требуемой скорости вывода индуктивности из контура нагрузки.
При проведении экспериментов с заявляемым ВМГ были получены следующие результаты.
Рост тока в нагрузке от 0,15 до 1 амплитудного значения происходит в последние 15-20 мкс работы ВМГ, а энергия, вырабатываемая ВМГ, возрастает от 10% до 100% за ~15 мкс при полном времени работы около 200 мкс. Максимальная мощность заявляемого ВМГ повышена в 5-10 раз по сравнению с прототипом, имеющим цилиндрическую спиральную катушку.
Выполнение некоторых секций катушки 4 в форме обратного конуса, расширяющегося к выходному торцу 7, позволяет увеличить угол конусности оконечной секции 10 (за счет ее большего начального диаметра), что, в свою очередь, дополнительно способствует росту скорости вывода индуктивности из контура нагрузки и ускоряет достижение выходным током амплитудного значения.