Пичугина М.Т. Высоковольтная электротехника

Подождите немного. Документ загружается.

101

то t

Ф2

будет определяться величиной напряженности электрического

поля 2U

/d. Если увеличить промежуток до d > d

, то напряжение про-

боя не изменится и напряженность поля уменьшится, т.е. t

Ф2

увеличит-

ся. Если длина промежутка d < d

, то t

Ф2

также увеличится вследствие

увеличения составляющей

. В пределе при d = 0 t

Ф2

= t

Ф1

. Следова-

тельно, есть некоторая длина зазора d, при которой t

Ф2

будет минималь-

ной.

Расчет соотношения между t

Ф1

и t

Ф2

при атмосферном давлении

воздуха и сильном облучении промежутка ультрафиолетом показал, что

для поучения t

Ф2

< 10

– 9

с необходимо иметь t

Ф1

 несколько наносекунд.

Например: для t

Ф2

= 0,6 нс при р = 1 там необходимо, чтобы t

Ф1

= 2 нс.

Для увеличения отношения t

Ф1

/ t

Ф2

необходимо увеличить давление

в обострителе.

Ф1

= t

+ t

Ф2

, (4.3)

где

фc





, U

– статическое пробивное напряжение.

 t

, t

 t

К1

/р, где t

К1

– время коммутации при атмосферном давле-

нии.

Ф2

 t

Ф1

ôc

















rк

(pd)U

. (4.4)

Отсюда следует, что с увеличением произведения pd выражение в скоб-

ках стремится к 0. Тогда t

Ф2

 t

К1

/р.

Другой возможный способ увеличения отношения t

Ф1

Ф2

состоит в

использовании нескольких обострителей, соединенных отрезками кабе-

ля. При использовании трех обострителей фронт импульса амплитудой

30 кВ уменьшался с 0,810

-6

с до 10

-9

с [24]. Двухэлектродные газораз-

рядные обострители имеют очень узкий диапазон рабочих напряжений

max

min

К 

. (4.5)

Можно устранить этот недостаток, если использовать в качестве

обострителя большое число коротких газовых промежутков (l = 0,1 мм)

или использовать разряд по диэлектрику в вакууме при неоднородном

поле в области катода.

В работе [43] использовался генератор наносекундных импульсов

высокого напряжения, работающий по схеме с перезарядкой емкости

разрядника - обострителя импульсов напряжения. Эквивалентная элек-

трическая схема генератора изображена на рисунке (4.6).

102

Рис. 4.6. Эквивалентная электрическая схема

высоковольтного блока генератора [43]

К первичной обмотке высоковольтного трансформатора Тр прикла-

дывается напряжение 20 кВ с емкости 50 пФ. На вторичной обмотке

трансформатора формируется высоковольтный импульс, которым через

сопротивление R заряжаются конструктивные емкости разрядника Р: С

= 40 пФ и С

= 10 пФ (собственная емкость разрядника). При достиже-

нии зарядного напряжения U = 250 кВ срабатывает высоковольтный

разрядник - обостритель Р, заполненный азотом под давлением 5 МПа.

К этому моменту на емкостях накапливается энергия Е

= 1,56 Дж. В

процессе замыкания электродов разрядника искровым каналом, индук-

тивность L

и активное сопротивление R

которого изменяются во вре-

мени, образуется колебательный контур С

-L

-R

с периодом колебаний

~2 нc.

В результате пе-

резарядки емкости C

на

сопротивлении R фор-

мируется напряжение,

представляющее собой

в режиме холостого хо-

да затухающую сину-

соиду. Это напряжение

подается на электроды

газоразрядной камеры

К. В режиме объемного

разряда, при котором сопротивление высоко, рабочий импульс на каме-

ре ограничен практически первым полупериодом, т.е. он имеет почти

колоколообразную форму. Длительность рабочего импульса на полувы-

соте равнялась 0,8 нс. Элементы электрической схемы, составляющие

высоковольтный блок генератора, размещены в цилиндрическом метал-

лическом корпусе высотой 500 мм и диаметром 150 мм, который запол-

нен трансформаторным маслом. Первичная обмотка импульсного

трансформатора намотана на ферритовый сердечник, имеющий форму

стержня, а вторичная обмотка – на каркас из органического стекла. Вы-

ходная емкость С генератора образована корпусом высоковольтного

разрядника и корпусом блока.Данный генератор разработан авторами

[43] для генерации озона и дезактивации дымных газов на основе высо-

ковольтного (250 кВ) наносекундного электрического разряда.

4.1.3 Импульсные тиратроны

В высоковольтных импульсных системах большой мощности в ка-

честве ключевых элементов используются газоразрядные приборы – во-

103

дородные тиратроны. Способность коммутировать значительный ток с

нестабильностью включения, составляющей порядка единиц наносе-

кунд, и выдерживать до 10

включений позволяет им конкурировать с

другими ключевыми элементами сильноточной электроники. Импульс-

ные тиратроны обладают высокой электрической прочностью. При ну-

левом потенциале сетки тиратроны выдерживают высокое напряжение

между анодом и катодом. Для возникновения разряда между анодом и

катодом необходимо вначале подать между сеткой и катодом положи-

тельный поджигающий импульс, создающий вспомогательный разряд в

этом промежутке. Затем разряд возникает в основном промежутке.

Одним из основных направлений совершенствования газоразряд-

ных коммутаторов является уменьшение времени включения и увели-

чение скорости нарастания анодного тока. Различные способы увеличе-

ния быстродействия тиратронов можно условно разделить на две груп-

пы: конструктивную и физическую. Конструктивная группа связана с

изменением внутренней конфигурации коммутаторов (сложные сеточ-

ные электроды, полые аноды, немагнитные фланцы и др.). Физическая –

с различными способами формирования плазмы (использование подго-

товительного разряда, введение в промежуток радиоактивных изото-

пов), методами управления и др. Наиболее целесообразным решением с

точки зрения технологичности установки в целом можно считать ис-

пользование управляющего воздействия в форме электрического сигна-

ла [44].

Время запаздывания импульса тока анода по отношению к импуль-

су напряжения сетки зависит от параметров сеточной цепи, напряжения

накала, напряжения анода, частоты следования импульсов.

Чтобы уменьшить t

и сделать его более стабильным, нужно повы-

шать крутизну фронта напряжения сетки и величину импульсного тока

сетки.

К достоинствам импульсных тиратронов следует отнести следую-

щее: возможность параллельного запуска большого числа тиратронов

(малая нестабильность в запуске), работу с большой частотой следова-

ния, долговечность.

Недостатками тиратронов являются: значительная индуктивность,

значительно большее t

по сравнению с разрядниками, ограничение по

коммутируемому току и напряжению, потребление мощности для нака-

ла.

Для определения диапазона рабочих параметров тиратрона следует

знать L

, t

, t

, которых нет в паспортных данных. Время коммутации

в водородном тиратроне определяется давлением в колбе, которое за-

висит от температуры водородного генератора. Важным свойством ти-

104

ратронов является возможность увеличения тока по сравнению с номи-

нальным при уменьшении длительности импульса. Экспериментальные

исследования показали, что при длительности импульса порядка 10

–7

величина импульсного тока может превышать номинальное значение в

несколько раз [1] (табл. 4.1). Критерием возможности изменения пара-

метров тиратронов может служить произведение параметров



f  N

СР

, где N

СР

– паспортное значение средней мощности.

Таблица 4.1

Некоторые экспериментальные характеристики тиратронов

Параметры

ТГИ-

400/1

ТГИ-1

2500/3

ТГИ-1

1000/2

ТГИ-1

3000/5

ТГИ-

700/2

Требования к неста-

бильности источника

питания, %

1,5

К накалу катода, %

К амплитуде поджи-

гающего напряжения,

развития разряда при

номинальном режиме,

нс

1

при U = 6,3 В, нc

Импульсный ток анода

при t

=100нс (экспе-

риментальный)

710

310

1010

210

L тиратрона, мкГн

0,15

0,7

0,2

0,3

0,35

Импульсный ток анода,

400

2500

1000

3000

700

Средняя выходная

мощность, кВт

250

Длительность фронта импульса на выходе генератора определяется

временем нарастания тока через тиратрон и зависит от времени разви-

тия разряда, индуктивности цепи коммутатора и С

(рис. 4.7). Для

уменьшение времени коммутации последовательно с тиратроном вклю-

чен индуктивный коммутатор L

с малым временем переключения t

, который срабатывает после окончания переходного процесса в тира-

троне, когда ток через тиратрон достигает максимального значения.

105

Рис. 4.8. Тиратронный

коммутатор триодной

конструкции:

1 – анод; 2 – катодно-сеточная

область; 3 – керамическая

оболочка; 4 – анодная камера;

5 – сетка; 6 – катодный узел

[44].

– длительность фронта импульса без коррекции.

Величину емкости С

можно найти из условия равенства максимальных

токов в контуре L

и через генератор:





, (4.6)

где  – волновое сопротивление ступени линии.

Индуктивность L

выбирается с учетом тока I

, при котором ин-

дуктивность L

не входит в насыщение, и длительность скорректиро-

ванного фронта равна t

Ф0

1.

В работе [44] рассматривается способ управления тиратронами, ко-

гда формирование плазмы в межэлектродном пространстве осуществля-

ется под воздействием волны ионизации.

Обязательным условием формирования

ионизационных волн является подача на

управляющий электрод высоковольтного

импульса с коротким фронтом ( до 100

нс). Внутреннее пространство современ-

ных коммутаторов тиратронного типа

можно разделить на две области: катод-

но-сеточную и анодную (рис.4.8). Про-

тяженность катодно-сеточной области

значительно превышает расстояние ме-

жду анодом и сеточным электродом. По-

добное соотношение приводит к тому,

что эффективное образование плазмы

происходит в пространстве катод – сетка

с последующей диффузией заряженных

частиц в анодную камеру и переводом

прибора в проводящее состояние. Кон-

центрация плазмы в области сеточного электрода определяет скорость

нарастания анодного тока, и, следовательно, для увеличения скорости

Рис. 4.7. Схема включения тиратрона с дополнительной

емкостью С

и нелинейной индуктивностью L

[1]

106

включения тиратрона необходимо повышать скорость образования

плазмы в катодно-сеточной области или создать условия для локально-

го накопления заряженных частиц с последующим быстрым вводом их

в анодную камеру. Такой механизм пробоя оказался возможным при

значительном перенапряжении катодно-сеточного промежутка, которое

создается при подаче на управляющую сетку импульсов напряжения

амплитудой не менее 15 кВ со скоростью нарастания напряжения на

фронте не менее 3·10

В/с при длительности управляющего импульса

не менее 5 нс. Это позволяет уменьшить время включения металлоке-

рамических водородных тиратронов с накальным катодом ТГИ1-

270/12, ТГИ2-500/20 от 15 до 3,5-4 нс и увеличить скорость нарастания

анодного тока от~10

до ~10

А/с при работе на активную нагрузку.

4.1.4 Псевдоискровые разрядники

Псевдоискровые разрядники разработаны в Институте сильноточ-

ной электроники СО РАН совместно с научно-производственным

предприятием "Импульсные технологии" на основе фундаментальных

исследований в области физики газового разряда [15,45]. Разрядники

предназначены для коммутации сильноточных высоковольтных им-

пульсов в нано- и микросекундном диапазоне времен и могут использо-

ваться в качестве коммутирующих устройств в источниках питания ла-

зеров, установках для получения плазменного фокуса, установках по

очистке воды и газов, медицинской аппаратуре, геологии, нефтедобыче

и т.д. Они изготавливаются в отпаянном виде и имеют керамический

корпус, что обуславливает их высокую механическую прочность. Рабо-

чее давление газа в коммутаторе обеспечивается встроенным генерато-

ром водорода. Принцип действия разрядников основан на разряде низ-

кого давления, возбуждаемом в системе с полыми электродами. Исполь-

зование данной формы разряда наряду с оригинальными конструкциями

электродов и узлов поджига позволило получить крутизну нарастания

коммутируемого тока ~ 10

А/с, стабильность срабатывания ~ 1 нс.

В настоящее время выпускается около 10 типов псевдоискровых

разрядников, позволяющих коммутировать токи от 100 А до 150 кА.

при напряжении до 100 кВ. В отличие от искровых и вакуумных ком-

мутаторов, а также мощных водородных тиратронов псевдоискровые

разрядники обладают следующими свойствами: возможность коммути-

ровать импульсы тока положительной и отрицательной полярности; вы-

сокой стабильностью срабатывания; продолжительным сроком службы.

107

4.2 Коаксиальные линии

Для формирования, трансформирования и передачи импульсов вы-

сокого напряжения широко применяют коаксиальные кабели с полиэти-

леновой и фторопластовой изоляцией, а также коаксиальные линии с

жидкой изоляцией (водой, глицерином, трансформаторным маслом).

Рабочее напряжение таких линий может достигать 10 МВ и более. Что-

бы можно было использовать конкретные кабели или проектировать

длинные линии для формирования или трансформирования импульсов,

необходимо знать характеристики, определяющие пределы их примене-

ния, надежность и изоляционные свойства. К характеристикам ка-

беля относятся электрическая прочность при работе в импульсном

режиме и полоса пропускания частот [13].

Индуктивность единицы длины коаксиальной линии





















ρμ10

ln102

Гн/м, (4.7)

где 

– относительная магнитная проницаемость проводников;

 − его удельное сопротивление

(для меди 

= 1

 = 1,7510

-8

Ом∙м);

D и d – диаметры внешнего и внутреннего проводников, мм;

f – частота синусоидального сигнала, Гц (для прямоугольных им-

пульсов граничные условия частоты определяются из формул f

0,4/t

, f

=1/t

. С ростом частоты второе слагаемое уменьшается и для

коротких импульсов (~ 10

-8

с) им пренебрегают.

Емкость единицы длины коаксиальной линии

/ln18

9







Ф/м, (4.8)

где 

– относительная диэлектрическая проницаемость изоляции внутри

коаксиальной линии ( 

= 1 для вакуума).

Волновое сопротивление коаксиальной линии

138







Ом , (4.9)

Скорость распространения электромагнитного импульса в коакси-

альной линии





, (4.10)

где С

= 310

м/с – скорость света в вакууме.

Напряженность Е

электрического поля в диэлектрике на расстоя-

нии r от кабеля (d/2 ≤ r ≤ D/2)

dDr

/ln



, (4.11)

108

где U – зарядное напряжение кабеля.

Видно, что при r = d/2 Е

– максимальная, а при r = D/2 Е

– мини-

мальная.

Если заданы величины U и D, то, варьируя d, можно найти мини-

мальное значение Е

при r = d/2, когда D/d ≈ 2,72. Коаксиальная линия с

волновым сопротивлением



/60

соответствует этому условию, близ-

кому к оптимальному по затуханию волны в линии для медных провод-

ников (D/d = 3,6) [13].

Реальные длинные линии имеют ограничения по частотному спек-

тру передаваемых сигналов. Это связано с сильным затуханием элек-

тромагнитных колебаний высоких и сверхвысоких частот. Кроме того,

кабели с прерывистой изоляцией (например, с изолирующими и цен-

трирующими шайбами, расположенными определенным образом в ка-

беле или накопительной линии с воздушной или жидкой изоляцией)

имеют ограничения, связанные с неоднородностью таких линий.

Критическая длина волны λ

, короче которой волны сильно зату-

хают в линии в случае воздушной изоляции

)(2

0 r





, (4.12)

где а – расстояние между шайбами;

Δ – толщина шайб.

Если длина волны становится соизмеримой с поперечными разме-

рами коаксиальной линии, то в ней возникают волны высшего типа ТЕ

и ТМ, для которых неприменима теория, основанная на телеграфных

уравнениях. Частота, при которой появляются и передаются по коакси-

альной линии волны высших типов, называется критической. Она опре-

деляется следующими формулами:

для волны ТЕ

dDCf



)(/2



для волн ТМ

dDCf



)/(



Фронт импульсов в коаксиальном кабеле искажается из-за потерь в

металле, диэлектрических потерь в изоляции и потерь, связанных с ио-

низационными процессами. Ионизационные процессы вызваны в ос-

новном наличием воздушных включений. Современные высоковольт-

ные коаксиальные кабели с твердой изоляцией позволяют пренебречь

влиянием ионизационных процессов на искажение фронта. Диэлектри-

ческие потери в изоляции для кабелей с полиэтиленовой изоляцией при

частотах до 50 Гц (t

≥ 10 нс) не превышает 3 – 5 % потерь в металле. В

этом частотном диапазоне потерями в диэлектрике можно пренебречь,

поскольку обычно используемые импульсы имеют фронт больше 1 нс.

В коаксиальных линиях возможны 2 вида неоднородностей: во-

первых, они обусловлены соединением линий в электрической схеме

109

(разветвлением, дополнительными элементами), во-вторых, - конструк-

тивно-монтажным характером оформления длинной линии (использо-

ванием опорных изоляторов, резким изменением размеров и т.д.).

Для расчета влияния неоднородностей первого вида на форму вол-

ны используют электрическую схему из последовательно соединенных

двухполюсника и генератора (рис. 4.9). Генератор состоит из источни-

ка напряжения 2U

пад

, и волнового сопротивления передающей линии.

Вид двухполюсника зависит от способа включения неоднородностей [1,

13]. Влияние неоднородностей второго вида учитывается включением

емкости С параллельно линии (рис. 4.10, г). Неоднородности различают

по характеру соединений: 1) изменяется только диаметр внутреннего

проводника (рис. 4.10, а); 2) изменяется только диаметр внешнего про-

водника (рис. 4.10, б); 3) изменяются диаметры внешнего и внутрен-

него проводников (рис. 4.10, в). Во всех этих случаях емкость C =



F пФ, где D – диаметр внешнего проводника (во втором и третьем

случаях можно считать D = (D

+ D

)/2), см, С – емкость, пФ; F – гра-

фическая зависимость. Зависимость коэффициента F от отношения

диаметров для первого случая представлена на рисунке (4.11, а).

а б

Рис. 4.9. Неоднородности первого типа (а) и схемы их замещения (б)[1]

Кривая d

/D = 0 соответствует разомкнутой линии Z

. Схема рисунок.

4.10, (г) применима лишь когда длина волны верхней границы спектра

распространяющегося импульса 

> D [13]. Для второго случая зависи-

мость коэффициента F от отношения диаметров приведена на рисунок

110

4.11, (б). Емкость С для третьего случая определяется последователь-

ным комбинированием первого и второго случаев.

До сих пор рассматривались воздушные коаксиальные линии (

1). При заполнении всех линий диэлектриком значение емкости С сле-

дует умножать на его диэлектрическую проницаемость 

 1.

Если волновое сопротивление линии не изменилось и

= d

, то необходимо сдвинуть внутренний проводник на рас-

стояние  = D

/10 от места неоднородности. Для исключения острых

углов следует делать плавный переход от одной линии к другой (l 

). Конический переход часто используется при конструировании

разрядников, обострителей и т.д.

0,1

0,2

0,3

Рис. 4.11. Зависимость F для неоднородностей, приведенных

на рис. 4.11а (а), б (б) [13]

0,8

0,6

0,2

0,4

0,8

0,6

0,1

0,2

0,3

0,4

/D=0

0,2

0,4

0,3

0,1

d/D

=0,1

Рис. 4.10. Неоднородности второго типа (а, б, в) и схема их

замещения [13]