Пичугина М.Т. Высоковольтная электротехника

Подождите немного. Документ загружается.

111

4.3 Конденсаторы

Основное требование, предъявляемое к конденсатору – запасать

максимально возможную энергию в единице объема. Она определяется

рабочей напряженностью Е

, при которой работает изоляция и диэлек-

трической проницаемостью  изоляции.

К основным факторам, ограничивающим Е

, относятся: кратковре-

менная прочность изоляции секций конденсатора, разрушение диэлек-

трика частичными разрядами (ЧР), тепловой режим конденсатора.

Если конденсатор работает в частотном режиме, то Е

определяется

тепловым пробоем конденсатора. Если тепловой режим не является оп-

ределяющим, то ЧР в толще диэлектрика и на закраинах секций являют-

ся определяющими.

При разработке и создании импульсных конденсаторов для емко-

стных накопителей энергии стремятся обеспечить следующие требова-

ния: возможно больший запас энергии в единице объема, малую внут-

реннюю индуктивность,

малые потери энергии в разрядном режиме,

высокую динамическую устойчивость внутренних соединений секций,

групп секций и выводов конденсаторов, достаточный срок службы в

режиме многократных разрядов на нагрузку.

Удельная энергия активного объема конденсатора определяется

диэлектрической проницаемостью  диэлектрика и рабочей напряжен-

ностью электрического поля Е

/Еε

об

W 

. (4.13)

Для изготовления импульсных конденсаторов применяются ди-

электрики на основе конденсаторной бумаги, синтетических пленок,

пропитанных жидким диэлектриком с  = (2 – 7) 

. Допустимая рабочая

напряженность Е

доп раб

определяется кратковременной прочностью изо-

ляции и длительной прочностью или процессами старения диэлектрика

в импульсном режиме. Основное значение при этом имеют тип приме-

няемого диэлектрика и режим работы конденсатора.

На значение Е

доп раб

оказывают основное влияние следующие

факторы: гарантированный ресурс конденсатора, надежность, форма

импульса в разрядном режиме, частота повторения импульсов.

Перечисленные характеристики режима работы определяют усло-

вия старения изоляции, которое происходит, в основном, из-за частич-

ных разрядов (ЧР). Развитие ЧР во включениях при импульсном напря-

жении принципиально не отличается от того, что происходит на пере-

менном напряжении.

112

К конденсаторам высоковольтных импульсных устройств предъяв-

ляются требования минимальной собственной индуктивности и мини-

мального объема системы обкладок и диэлектриков, чтобы соедини-

тельные проводники не вносили в разрядный контур больших индук-

тивностей. В таблице (4.2) приведены основные параметры некоторых

наиболее мощных высоковольтных импульсных конденсаторов [13].

Таблица 4.2

Основные параметры некоторых высоковольтных конденсаторов

Тип конденсатора

Рабочее на-

пряжение, кВ

Емкость,

мкФ

Запасаемая

энергия, Дж

Индуктив-

ность, мкГ

ИКМ 50-3

3750

0,01

ИМГ 80-1

3200

0,4

ИМН 100-0,1

100

0,1

500

0,2

ИМН 100-0,25

100

0,25

1250

0,15

ИК 100-0,4

100

0,4

2000

0,15

КМК 50-4

5000

0,015

КМК 100-0,3

100

0,3

1500

0,008

КММ 150-0,6

150

0,6

6750

0,4

КИМ -6М

3000

0,04

КИМ -14

5000

0,025

КИМ -10

4500

0,01

ESC-249,США

120

0,84

6000

0,09

ESC-249 В,США

120

1,0

7200

0,09

ESC-250,США

120

0,84

6000

0,03

СD-11148, Анг-

лия

100

0,625

3100

0,204

Керамические конденсаторы боченочной и дисковой формы (КВИ-3,

К15-4, К15-5) имеют малую индуктивность и сравнительно большую

емкость (табл.4.3).

Таблица 4.3

Основные параметры некоторых керамических конденсаторов

Параметр

КВИ - 3

К15У - 1

К15 - 4

К15 - 5

Емкость, пФ

220 - 4700

470 -10000

220 - 4700

70-15000

Рабочее напряжение, кВ

16 - 5

4,8 - 16

12 – 40

1,6 – 6,3

Высота, мм

20 - 14

14 - 27

38 - 65

4 - 7

Диаметр, мм

20 - 50

45 - 185

19 - 48

8 - 40

Масса, г

35 - 70

50 - 600

30 - 300

1,5 - 33

Контрольные вопросы.

1. Назовите основные характеристики газовых разрядников, исполь-

зующихся в генераторах импульсных напряжений.

113

2. От чего зависит пробивное напряжение промежутка при импульс-

ном воздействии?

3. Как достигается высокая стабильность срабатывания газовых раз-

рядников?

4. Какие достоинства имеют металлокерамические газонаполненные

разрядники высокого давления?

5. Какие разрядники могут использоваться в качестве обострителей?

6. Как можно уменьшить время включения водородных тиратронов

с накальным катодом?

7. Для чего используются коаксиальные линии?

8. Почему искажается фронт импульса в коаксиальном кабеле?

9. Как влияют неоднородности линии на характеристики импульса?

114

Список литературы

1.Месяц Г.А., Насибов А.С., Кремнев В.В. Формирование наносекунд

ных импульсов высокого напряжения. - М: Энергия, 1970.- 152с.

2. Смирнов С.М., Терентьев П.В. Генераторы импульсов высокого

напряжения. -М: Энергия, 1964.- 138с.

3. Воробьев А.А. Сверхвысокие электрические напряжения.- М:

Госэнергоиздат, 1960.- 315с.

4. Воробьев А.А., Воробьев Г.А., Воробьев Н.И., и др.

Высоковольтное испытательное оборудование и измерения.- М:

Госэнергоиздат, 1960.- 584с.

5. Fitch R.A., Howell V.T.S. Novel principle of transient high voltage gener-

ation// Proc. IEEE Electronics Power Science and General. -1964. -Vol.

111.- №4.- Р 849

6. Козлов М.И., Гершенкрой И.Л., Гошуренко В.И. и др. Генератор

импульсных напряжений с необратимым перезарядом ступеней и

автоматическим запуском коммутаторов // ПТЭ.- 1983.- №2.-

С.109-110.

7.Ковальчук Б.М., Кремнев В.В., Ким А.А. и др. Быстрый первичный

накопитель на основе генератора Аркадьева-Маркса // Известия ВУ-

Зов. 1997.-№12.- С.17-24.

8. Gunter A., Kristiansen M., Martin T. Opening switches.- N.Y.: Plenum

Press,1987

9. Воеводин С.В., Горохов В.В., Карелин В.И. Малогабаритный

высоковольтный наносекундный генератор Аркадьева- Маркса на

воздушных разрядниках // ПТЭ.- 2000.-№3.- С.67-71.

10. Герасимов А.И., Федоткин А.С., Зенков Д.И. и др. Надежный

экранированный генератор Аркадьева-Маркса на 500 кВ и

6,25 кДж со стабильным временем задержки срабатывания //

ПТЭ.- 1998.- №1.- С.96-101.

11. Басов Г.Ф., Бастриков А.Н. др. Генератор мощных мегавольтных

импульсов с наносекундным фронтом // ПТЭ. - 1995. - №2.-

С.117-121.

12. Бочаров Е.А., Гладков В.С., Зябко Ю.П. и др. Высокоскоростной

источник заряда 5-мегавольтного формирователя импульсов

напряжения наносекундного диапазона // ПТЭ.- 2001.- № 4.-

С.88-93.

13.Кремнев В.В., Месяц Г.А. Методы умножения и трансформации

импульсов в сильноточной электроники. - Новосибирск: Наука,

1987.- 226с.

14. Долгачев Г.И, Закатов Л.П, Нитишинский М.С и др. Сверхмощные

115

частотные генераторы с плазменным прерывателем тока // ПТЭ.-

1999.- № 2.- С.3-26.

15.Месяц Г.А. Импульсная энергетика и электротехника.- М: Наука,

2004.- 704с.

16.Андреев Ю.А., Буянов Ю.И., Визирь В.А. и др. Генератор мощных

импульсов сверхширокополосного электромагнитного излучения. //

ПТЭ.- 1997.- № 5. С.72-76.

17.Rühl F., Herziger G. Analisis of the Spiral Generator // Rev. Sci. Instrum.-

1980.- Vol.51.- N11.-C12-16.

18.Меерович А.А., Ватин И.М., Зайцев Э.Ф., Кандыкин В. М.

Магнитные генераторы импульсов. - М: Сов. радио.- 1968.-476с.

19.Мешков А.Н. Магнитные генераторы мощных наносекундных им-

пульсов// ПТЭ.- 1990.- № 1.- С.23-36.

20.Мешков А.Н., Шишко В.И., Еремин С.Н. Наносекундный импульс-

ный генератор большой мощности // ПТЭ.- 1984.- № 2.- С.103-105.

21.Нуралиева Р.Д., Вербицкий О.Г., Полякова С.П. Обзоры по элек-

тронной техники / Сер. 6. Материалы.- 1984.- Вып. 12.- С.3-14.

22.Месяц Г.А. Генерирование мощных наносекундных импульсов. - М:

Сов.радио. - 1974. - 256с.

23.Котов Ю.А., Лучинский А.В. Усиление мощности емкостного

накопителя энергии прерывателем тока на электрически взрываемых

проволочках // Физика и техника мощных импульсных систем: Сб.

статей / Под ред. Е.П. Велихова.- Энергоатомиздат, 1987.- С.189-210.

24.Рукин С.Н. Генераторы мощных наносекундных импульсов с

полупроводниковыми прерывателями тока // ПТЭ.- 1999. - № 4.-

C 5-36.

25.Тучкевич В.М., Грехов И.В.. Новые принципы коммутации больших

мощностей полупроводниковыми приборами. - Л: Наука. -1988.-

273с.

26.Ицхоки Я.С. Импульсные устройства. - М: Сов. радио,- 1959.- 728 с.

27.Вдовин С.С. Проектирование импульсных трансформаторов. - Л:

Энергия, 1971.- 148с.

28.Вдовин С.С. Проектирование импульсных трансформаторов. - Л.:

Энергоиздат, 1991.- 208с.

29.Матханов П.И., Гоголицын Л.З. Расчет импульсных трансформато-

ров. - Л: Энергия, - 1980.- 112с.

30.Горюнов М.А., Киселев В.М., Сергеенков Б.Н. Проектирование им-

пульсных трансформаторов. - М: Изд-во МЭИ, - 1991.- 80с.

31.Воробьев Г.А., Руденко Н.С. и др. Генератор наносекундных им-

пульсов напряжения с амплитудой 1МВ // ПТЭ.- 1968.- №1.- С.126-

128.

116

32.Вассерман С.Б. Трансформатор Тесла в высоковольтных ускорителях

заряженных частиц // Препринт АН СССР, Сиб.отд. ин-т ядерной

физики №77-110 - Новосибирск,- 1977.- 43с.

33.Губанов В.П., Коровин С.Д., Степченко А.С. Высоковольтный нано-

секундный генератор с частотой следования импульсов до 1 кГц

// ПТЭ.- 1997.- №1.- С.95-98.

34.Коровин С.Д., Ростов В.В. Сильноточные наносекундные импульсно-

периодические ускорители электронов на основе трансформатора

Тэсла // Изв. Вузов. Сер. Физика. - №12. - 1996. - С21-30.

35.Бастриков А.Н., Воробьюшко М.Н., Ковальчук Б.М. и др. Генератор

импульсных напряжений для мощных импульсных систем .// II Все-

союзная конференция по инженерным проблемам термоядерных ре-

акторов. Сб. докл. НИИ ЭФА, 1982.- Т.3.- С.152-159.

36.Ельчанинов А.С., Месяц Г.А. Трансформаторные схемы питания

мощных наносекундных импульсных генераторов. // Физика и тех-

ника мощных импульсных систем: Сб. статей/ Под ред. Е.П. Вели-

хова.- Энергоатомиздат, 1987.- С.179-188.

37.Ельчанинов А.С., Загулов Ф.Я., Коровин С.Д. и др. Сильноточные

импульсно-периодические ускорители электронов для генераторов

СВЧ-излучения. // Релятивистская высокочастотная электроника/

Под ред. А.В. Гапонова-Грехова. - Горький: Изд-во ИПФ АН СССР, -

1981.- С.5-21.

38.Лучинский А.В., Ратахин Н.А., Федущак В.Ф., Щепелев А.Н. Мощ-

ные импульсные электрофизические установки трансформаторного

типа ИСЭ СО РАН//Изв. Вузов. Сер.Физика. 1995.-№12.-58-66.

39.Ковальчук Б.М., Визирь В.А., Ким А.А. и др. Быстрый первичный

накопитель на основе линейного импульсного трансформатора. //

Изв.вузов. Сер. Физика. - 1997.- №12.- С.25-37.

40.Ким А.А., Ковальчук Б.М., Кумпяк Е.В., Цой Н.В. Ступень линейно-

го трансформатора с током 750 кА и временем нарастания тока 400

нс // Изв.вузов. Сер. Физика.- 1999.-№12.-С.3-8.

41.Мощные наносекундные импульсные источники ускоренных элек-

тронов / Под ред. Г.А. Месяца. -Новосибирск: Наука.- 1974.- 86с.

42.Авилов Э. А., Юрьев А. Л. Газонаполненные металлические

разрядники высокого давления. // ПТЭ.- 2000.- №2.- С.78-81.

43.Бабич Л. П., Кудрявцев Ю. Г., Петрушин О. Н. и др. Устройство

для генерации озона и дезактивации дымных газов на основе

электрического разряда, развивающегося в режиме убегающих

электронов // ПТЭ.- 2002.- №1.- С.125-128.

44.Юдаев Ю.А.. Повышение быстродействия импульсных

газоразрядных коммутаторов при управлении высоковольтными

117

наносекундными импульсами //ПТЭ.- 1997.- №5..- С.55-60.

45.Бочков В.Д., Колесников А.В., Королев Ю.Д. и др. Исследование

предпробойных токов, протекающих в псевдоискровых разрядниках

// ЖТФ.- 1997.- Т.67.- №10.- С.26-29.

118

Содержание

Введение 3

1. Генераторы импульсных напряжений 4

1.1 Генераторы импульсных напряжений, выполненные по

схеме Аркадьева-Маркса 4

1.2 LC-генераторы Фитча 14

1.3 Генераторы с последовательным соединением

формирующих линий 15

2. Магнитные генераторы импульсов 24

2.1 Принцип работы магнитных генераторов 24

2.2 Формирование импульсов в многозвенной схеме 26

2.3 Эквивалентные схемы дросселей 31

2.4 Параметры ферромагнитных сердечников 34

2.5 Потери энергии в сердечнике 39

2.6 Структурная схема магнитного генератора 42

2.7 Схемы с отрезком линейной линии передачи и линии

с ферритом 45

2.8 Генераторы на основе полупроводниковых прерывателей

тока 47

2.8.1 Физические основы работы мощных

полупроводниковых прерывателей 48

2.8.2 Генераторы с твердотельной коммутацией 55

3. Схемы трансформации импульсов высокого напряжения 60

3.1 Высоковольтные импульсные трансформаторы 60

3.1.1 Общие сведения 60

3.1.2 Распределенная емкость обмоток 63

3.1.3 Индуктивность рассеяния обмоток 65

3.1.4 Электромагнитные процессы в магнитопроводе 66

3.1.5 Анализ переходных процессов в импульсном

трансформаторе 71

3.1.6 Магнитные материалы, применяемые для сердечников 74

3.1.7 Конструкция и технология изготовления сердечников 76

3.1.8 Конструкция и технология изготовления обмоток 78

3.2 Трансформаторы на отрезках однородных линий 82

3.3 Трансформаторы с обмотками из коаксиального кабеля 84

3.4 Трансформаторы на неоднородных линиях 87

3.5 Трансформаторы на связанных LC – контурах 88

3.6 Линейные трансформаторы 92

4. Элементы генераторов высоковольтных импульсов

напряжения 94

4.1 Коммутаторы 94

119

4.1.1 Искровые разрядники 94

4.1.2 Принципы построения обострителей 100

4.1.3 Импульсные тиратроны 102

3.1.4 Псевдоискровые разрядники 106

4.2 Коаксиальные линии 107

4.3 Конденсаторы 111

Литература 114

Содержание 118

Учебное издание

ПИЧУГИНА Мария Тимофеевна

ВЫСОКОВОЛЬТНАЯ

ЭЛЕКТРОТЕХНИКА

Учебное пособие

Издано в авторской редакции

Научный редактор доктор технических наук,

профессор В.Я. Ушаков

Дизайн обложки ХХХХХХХХ

Отпечатано в Издательстве ТПУ в полном соответствии

с качеством предоставленного оригинал-макета

Подписано к печати хх.хх.2011. Формат 60х84/16. Бумага «Снегурочка».

Печать XEROX. Усл. печ. л. 6,98. Уч.-изд. л. 6,31.

Заказ ххх-11. Тираж 100 экз.

Национальный исследовательский Томский политехнический университет

Система менеджмента качества

Издательства Томского политехнического университета сертифицирована

NATIONAL QUALITY ASSURANCE по стандарту BS EN ISO 9001:2008

. 634050, г. Томск, пр. Ленина, 30

Тел./факс: 8(3822)56-35-35, www.tpu.ru