CC BY
20
ИЗВЕСТИЯ
ТОМСКОГО ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ ПОЛИТЕХНИЧЕСКОГО Том 82 ИНСТИТУТА имени С. М. КИРОВА - 1956 г.
ИССЛЕДОВАНИЕ ТЕХНИКО-ЭКОНОМИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ ПОСТРОЕННЫХ ИМПУЛЬСНЫХ ГЕНЕРАТОРОВ ВЫСОКОГО НАПРЯЖЕНИЯ
И. И. КАЛЯЦКИЙ (Представлено научным семинаром по диэлектрикам ТПИ)
Введение
Принцип получения высоких кратковременных напряжений (импульсов напряжения) с использованием в качестве переключающих элементов искровых промежутков был предложен в 1914 г. проф. В. К. Аркадьевым и осуществлен практически инж. Н. В. Баклиным, который впервые соорудил так называемый „искровый конденсаторный трансформатор" [4]. Основной частью такого „трансформатора" являются конденсаторы, заряжаемые параллельно через достаточно большие сопротивления от источника постоянного или переменного напряжения. При пробое искровых промежутков все конденсаторы оказываются в последовательном соединении, и напряжение на выходе генератора возрастает в идеальном случае в п раз, где я—коэффициент трансформации, равный числу конденсаторных групп, заряжаемых параллельно.
В 20-х годах уже появились технические установки для получения высокого напряжения, основанные на использовании принципа, предложенного проф. В. К. Аркадьевым, которые распространились под названием „генератор молний", „импульсный генератор" „генератор импульсов высокого напряжения" и т. п.
В первые годы своего создания импульсный генератор предназначался для исследований и испытаний электрической изоляции как установка, имитирующая воздействие перенапряжений при разряде атмосферного электричества в виде молнии. Такие импульсные испытания, введенные с 1930 г. для изоляции трансформаторов высокого напряжения, привели к улучшению конструкций трансформаторов и резкому снижению аварийности на линиях электропередач высокого, напряжения.
Например, в одной из энергосистем за период с 1931 г. по 1944 г. в среднем ежегодно повреждалось 15% трансформаторов. В 1947 году из 500 иЬпытанных было повреждено 10%. В 1949 году из 1000 испытанных повреждено всего 3% [33].
Дальнейшее развитие техники высоких напряжений привело к расширению области применения импульсных генераторов высокого напряжения. В настоящее время они используются в физических лабораториях при изучении физики атомного ядра, в медицинских лабораториях для терапевтических целей, в нефтяной промышленности для удаления некоторых нефтяных эмульсий, в магнитной дефектоскопии для импульсного намагничивания, в импульсной рентгенографии, в радиолокационных установках, в установках для получения импульсного света и других устройствах специального назначения.
За тридцать лет с начала конструирования технических установок импульсного напряжения созданы десятки генераторов с амплитудой импульса напряжения в несколько миллионов вольт. Рост амплитуды импульса наглядно иллюстрируется следующим примером: первый генератор импульсов, сооруженный инж. Баклиным, мог дать искру длиной в 15 см, современные же генераторы дают мощную искру длиной до 2000 см.
fWM.ll
СХ О
О
7,5
мпя.6
Ч:
о
А,о
Г.ЯН. 6.
ск
сэ £ 5*.
3,6о
мл и.о.
ое
з-
съ
«О
3,6
млн. 8.
0ц
о
<5;
3,0 3.0. ¿5,
МПН.б. МПН-О. 2.0а ШН.8.
Сй I й о-5! тн.е. Ос си
•2Г ! ! О 1 О гд— се § 3
4- 53
МЛН-О.
> 0;
¡г-
Сй
Фиг. 1. Сравнение крупнейших построенных генераторов по максимальной амплитуде импульса напряжения.
Успехи отечественного высоковольтного аппаратостроения и конденса-торостроения позволили создать в нашей стране еще в довоенное время целый ряд уникальных импульсных генераторов напряжением в несколько миллионов вольт. Из фиг. 1 и 2 можно видеть, что генераторы, по-
¡17
кВт-сек. НО
квт-сек
а
<о «о
и
(X
«3
О. £
СЕ
3; о
г-.
сз-
90
к8т-сек
О; «и
80 квт-сек
<о
10
с й-
I
, 37.5 37,5
'квт-сех квт-сек
§ <1
22.5
3;
& О:
I 2.
Ь.
а; о;
А з-
Фиг. 2. Сравнение крупнейших построенных генераторов по величине запасаемой энергии.
строенные в СССР, имеют наиболее высокие электрические характеристики. Самая крупная установка, дающая амплитуду импульса в 8,4 млн. в по отношению к земле [2], была построена в 1940 г. в Харьковском электротехническом институте (ХЭТИ).
Основные исследования в области импульсных генераторов высокого напряжения посвящены анализу влияния параметров цепи разряда генератора /?, I и С на форму волны импульса напряжения и связаны с получением стандартных импульсов для испытания изоляции. Можно отметить, что, несмотря на большое количество данных о построенных импульсных генераторах, в настоящее время не только отсутствует инженерный расчет,, связывающий электрический расчет с конструкцией генератора, но и нет никаких систематических исследований, обобщающих результаты конструирования генераторов. В технической литературе имеется лишь описание отдельных построенных установок и их узлов. Настоящая работа имеет целью анализ конструкций крупнейших генераторов, построенных как у нас, так и в других странах, и является первым шагом к выяснению технико-экономических условий рационального конструирования генераторов. Анализ технико-экономических характеристик также кажется своевременным в связи с расширяющейся с каждым годом областью применения генераторов высокого импульсного напряжения. В приводимой таблице 1 собраны основные опубликованные данные о крупнейших импульсных установках, построенных за прошедшие годы.
Основные электрические параметры импульсного
генератора
Основными электрическими параметрами импульсного генератора высокого напряжения являются следующие величины:
1. Максимальная амплитуда импульса напряжения, определяемая
и'макс — и о 'Щ'%
где ио — напряжение, до которого заряжается конденсаторная группа, в (кв),
«0 — количество конденсаторных групп, у\ — коэффициент использования.
На фиг. 3 представлено изменение максимальной амплитуды импульса напряжения по годам сооружения генераторов.
2. Разрядная емкость генератора или емкость в ударе, определяемая
г
~ «о '
где С0 — емкость одной конденсаторной группы (в пикофарадах), п0 — количество конденсаторных групп.
На фиг. 4 приведено изменение емкости в ударе с максимальной амплитудой импульса напряжения для построенных генераторов по опубликованным данным. Основные генераторы имеют емкость в ударе порядка нескольких тысяч пикофарад. С ростом максимальной амплитуды емкость в ударе снижается, так как величина емкости и рабочего напряжения одного конденсатора ограничена, а увеличение амплитуды импульса связано с увеличением количества конденсаторов, находящихся в последовательном соединении при разряде генератора. Генераторы, имеющие более высокую емкость в ударе, позволяют выполнять испытания стандартной волной изоляции крупных высоковольтных установок, представляющих большую нагрузку для генератора.
3. Количество энергии, запасаемой в генераторе,
марс
SODO
8000
7000
eooi
5000
ifOOO
зооо
гооо
1000
1 ' t ! ! I 1 I j
h-пестничнЫе генераторы 1 о
ген ера О - кояонховЬ л \ mopbi ¡в zeHBt оаторЫ
о о
I i
/ Ь а ао
J ь. о I
а о 1
......... 9,
1915 1920 1925 w 1930 1935 19+0 iSiS 1950
год сооружения
Фиг. 3. Изменение максимальной амплитуды импульса напряжения по годам сооружения для построенных импульсных генераторов.
Фиг. 4. Изменение емкости в ударе в зависимости от напряжения генератора.
£
'.ООО Я 00 ■'СО ьоо
¡60 юо
SO ео
! \
4
\
а ^ Ч.......... V X
а* а f ъ $ «ч ч 6
5
w S 4-
f + ? „ +
* о . о + f
L. о
1 + с. j.
— — ~ _ _ ~
/ 2 4 S в Ю
--о— U мг8
*- СССР Швеция
+ - СШЙ а - Франция
с- Германия я- Итапия
а-Йнгпия л-Голландия
ь - Япония д - Швейцария
где Суд — емкость генератора в ударе в пкф.
и макс — максимальная амплитуда импульса напряжения в кв. На фиг. 2 приведены значения энергии при разряде для крупнейших построенных импульсных генераторов. Значения указанных электрических параметров (амплитуды импульса напряжения, емкости в ударе и запасаемой энергии) определяются областью применения генератора импульсов.
Удельные технико-экономические характеристики
Сооружение любой установки должно быть оправдано не только технически, но и экономически, поэтому целесообразно связать электрические параметры генератора с его строительными данными: объемом, высотой и площадью застройки, которые определяют затраты на сооружение генератора, помещений и эксплуатацию установки. Введение таких характеристик даст возможность более полного анализа и сравнения различных конструкций импульсных генераторов и поможет, указать пути создания новых малогабаритных генераторов с высокими электрическими параметрами. В качестве характеристик предполагаются следующие удельные условные величины.
10.0 що
ЦО
\0
г,о
tfi
це
1
42
0,1
qo2
......!
j
О
|
У0 ч
& t.: О
h. n
!
Ь
ti
№? ЫО !№$ I9ÎÛ M* №№ wy ItSO -—Sog сооружения
Фиг. -5. Изменение удельной энергии в кет. сек ¡м* в зависимости от года сооружения.
1. Удельная энергия
Степень технического совершенства-конденсатора характеризуется величиной энергии, запасаемой в единице объема, так как основной частью генератора являются конденсаторы, целесообразно' для него применить понятие удельной энергии, измеряемой в, кет - сек мг
Кг
Vf
где Ч?Г — запасаемая генератором энергия в кет■ сек, Уг ~ строительный объём генератора в мъ. На фиг. 5 представлено изменение коэффициента К1 в зависимости от года сооружения генераторов.
2. Средний градиент напряжения по строительной высоте
генератора
Конструкцию импульсного генератора можно также охарактеризовать средним градиентом напряжения по высоте генератора. Для того чтобы при работе генератора искра проходила не по произвольному пути, необходимо, чтобы средний градиент при разряде был ниже разрядного градиента в воздухе на импульсном напряжении. Величина среднего градиента напряжения по строительной высоте генератора будет определять степень использования воздушной изоляции, а также будет зависеть от конструкции и расположения конденсаторов. Средний градиент определяется, как
и макс
К0
Нг
ГДё 1]Мкс
Нг
максимальная амплитуда импульса напряжения в кв, строительная высота генератора в м.
3. Коэффициент — К3
Для ориентировочной оценки изменения объема генератора с увеличением максимальной амплитуды импульса напряжения необходимо ввести удельную величину, равную количеству кв амплитуды напряжения, приходящихся на единицу строительного объема генератора,
гу имакс
К, =
Уг
4. Коэффициент использования строительного объема генератора — К<
Данная величина характеризует компактность всей установки и степень использования строительного объема, равна отношению удельных энергий генератора и конденсатора и выражает, какую часть от всего строительного объема генератора занимает суммарный объем конденсаторов
К = —. Ю0%,
где Я", — удельная энергия генератора в кет. сек/м3,
Кй - удельная энергия одной конденсаторной группы в кет■ сек'м*.
С и2 1
Так как К0——-—----, где С0, У0, £/0 относятся к конденсатор-
2 У0
ной группе,
тогда К, = "~макс. = .Л...'_•••..'< 1« . 100%
Суд Ц*макс 2У0 = С0Ц0*п0*г? у0 2 С0 и0г щС0и0\У~
или окончательно К. — г,2 • 100%.
Уг
На фиг. 6 представлено изменение коэффициента использования строительного объема по годам для генераторов различной конструкции.
Необходимо подчеркнуть, что каждый параметр импульсного генератора характеризует установку односторонне; лишь сравнение и анализ всех параметров и предложенных удельных характеристик дает полное представление об установке.
Исследование конструкций импульсных генераторов
По конструктивному исполнению импульсные генераторы высокого напряжения очень просты и могут быть классифицированы следующим ■образом:
а) одноконденсаторные генераторы,
б) генераторы лестничного типа,
в)! генераторы этажерочного типа,
г) генераторы колонкового типа.
Кроме того, все генераторы можно разделить на стационарные и передвижные, на установки, построенные для работы в закрытом помещении
и на открытом воздухе. Каждый импульсный генератор можно охарактеризовать количеством ступеней умножения напряжения и типом использованного конденсатора. Для импульсных генераторов применяются в основном два типа конденсаторов: а) с металлическим кожухом и вводом, б) с изолирующим цилиндрическим кожухом.
о
см
<ъ
г**
§
О .
•II
«з
5 о. $ «
О <\1 в»
■Э 0
§ ?
с-- 0}
-з о
%
60 40
го
ю
/
ь-лестничные генераторЬ/
а-эп ге о-ко ге южеро черат Л0НК01 нерат чно/е оры %/е ОРО! о
и
а
и о I 1
к I
/9/5 1920 ¡925 /930
/935 19^0 /345 /950 год сооружения.
Фиг. 6. Изменение коэффициента использования строительного объема по годам сооружения для некоторых построенных импульсных генераторов.
Иногда в качестве конденсаторов используют катушки высоковольтного кабеля, применение которых впервые предложено проф. А. М. За-лесским.
1. Одноконденсаторные генераторы
Основными элементами конструкции импульсного генератора являются конденсаторы, сопротивления и искровые промежутки. Простейший генератор (фиг. 7) состоит из конденсатора С, питаемого от зарядного трансформатора Т через защитное сопротивление и выпрямитель В. При пробое искрового промежутка 5 конденсатор разряжается на сопротивление Я.
Одноконденсаторная схема генератора отличается простотой регулировки амплитуды и формы импульса напряжения, малыми значениями паразитной емкости и внешней индуктивности контура. Амплитуда импульса напряжения в такой схеме ограничивается рабочим напряжением конденсатора и обычно не превосходит 300—400 кв. Вследствие указанных качеств такая* простейшая конструкция генератора делается временной, разборной и используется для исследовательских работ по пробою газов, жидкостей и образцов из твердого диэлектрика и для других лабораторных целей.
2. Генераторы лестничного типа
Генераторы лестничного типа состоят из деревянного или дерево-металлического ступенчатого каркаса с фарфоровой изоляцией между ступенями и землей. На ступенях каркаса размещаются конденсаторы, обычно в два ряда, иногда параллельными группами по несколько штук. Лестничная конструкция может быть 1-маршевой, 2-маршевой и 3-маршевой. Установки, работающие на открытом воздухе, обычно имеют один марш, а установки, работающие внутри здания, 2—3 марша, так как площадь пола в высоковольтном зале ограничена.
Фиг. 7. Схема простейшего импульсного генератора.
Генераторы лестничного типа в первые годы построения импульсных установок были наиболее часто применяемой конструкцией и строились до 1940 года. На фиг. 3 можно видеть, что основные установки лестничного типа построены в период с 1930 г. по 1940 г., в том числе 7 генераторов на 3 млн. вольт и один на 8,4 млн. вольт с самой большой энергией, выделяемой при разряде.
Значение удельной энергии для лестничных генераторов сравнительно невелико и равняется от 0,01 до 0,5 квт-сек/м3. Малая величина удельной энергии обусловлена степенью использования строительного объема, большим „подлестничным" объемом. Коэффициент использования строительного объема мал и составляет 1,6—2,8%.
На фиг. 8 представлен график изменения коэффициента Кг в кв/мг с ростом амплитуды импульса напряжения для построенных генераторов различных типов. Уменьшение К3 с ростом и макс показывает, что объем генератора лестничного типа возрастает не пропорционально амплитуде импульса, а гораздо быстрее. Степень возрастания объема можно выразить эмпирической зависимостью К% — А — В и макс
г /• менее
или, так как К3 — —;-, то можно написать, что
У г
уг=-Ум™.-, где Л = 30, В = 0,002, имакс в кв.
Л. и макс
На фиг. 9 представлено изменение коэффициента К2 в кв/м—
среднего градиента напряжения по строительной высоте генератора с ростом амплитуды импульса напряжения для построенных генераторов. Высокие значения градиента, до 600 кв/м, для генераторов лестничного типа обусловлены хорошим использованием воздушной изоляции, так как в отличие от других конструкций общая строительная высота лестничного ге-
то
и о ^ 120
100 80 60 4-0 20 0
\
и ъЛг
о - этажерочнЬ/е генераторЬ/ - е> - пестничнЫе
генераторЬ/ о-келцнковЫе генераторы
1000 2000 3000 ^000 _ 5000 6000 7000 8000
-икб
Фиг. 8. Изменение коэффициента Кд /«/.к3 в зависимости от амплитуды импульса напряжения для построенных импульсных генераторов.
500
К
\зоо
200 100
1 < а ь ; 1 < >
I 0 о ° о о Л < ; >
О : О О /
к * юстни енераг чнб/е тпорЬ/
генераторы 0 о -колонкоВЫе генераторш 1 1 1
1000 2000 3000 ЬООО 5000 6000 7000 8000 -— Цкв
Фиг. 9. Изменение коэффициента К, в кв\м в зависимости от амплитуды импульса напряжения для построенных импульсных генераторе».
нератора не включает сумму высот каждого конденсатора. Внешняя индуктивность вследствие значительной длины пути разряда имеет порядок сотен микрогенри.
Паразитная емкость между ступенями мала по сравнению с емкостью ступеней на землю.
В настоящее время генераторы лестничного типа для работы в закрытых помещениях уже не строятся вследствие значительных габаритов и низких удельных характеристик; их заменили ' конструкции этажерочного и колонкового типа.
Для создания же наружной установки сверхвысокого напряжения и большой энергии лестничная конструкция может быть использована и сейчас,. так как имеет большую механическую устойчивость по сравнению с этажерочными генераторами и большую емкость в ударе по сравнению с: колонковыми генераторами.
3. Генераторы этажерочного типа
Генераторы этажерочного или башенного типа имеют каркас в виде этажерки, на полках которой расположены конденсаторы. Каркас выполняется из деревянных или металлических рам, разделенных фарфоровыми опорными изоляторами. Конденсаторы располагаются друг над другом или по винтовой линии. В последнем случае строительная высота генератора получается ниже. Количество полок может исчисляться десятками и. ограничивается механической устойчивостью и высотой помещения, так как этажерочные генераторы в основном строятся для работы в закрытом помещении. Генераторы этажерочного типа начали строиться позже лестничных (фиг. 3). Самый большой генератор этажерочного типа построен в 1940 году в Ленинградском политехническом институте—амплитуда 4,3 млн. вольт и энергия в разряде 155 кет-сек.
Удельная энергия в этажерочных генераторах имеет более высокие значения, чем у генераторов лестничного типа, и находится в пределах от 0,2 до 1,2 кет ■ сек/м3. Коэффициент использования строительного объема у генераторов этажерочного типа выше, чем у генераторов лестничного типа, и достигает 4 -¡-7%. Объем генератора возрастает, с ростом амплитуды импульса непропорционально. Эмпирическое выражение, связывающее объем генератора с максимальной амплитудой импульса, имеет такой же вид, что. и для лестничных генераторов:
у_ ^макс
•"1 В и макс
где А =110, В — 0,025, .где объем в мг, а амплитуда напряжения в кв. Невысокие значения среднего градиента напряжения по строительной высоте генератора, равные 250-4- 350 кв/м (фиг. 9), обусловлены тем, что в строительную высоту входит суммарная высота конденсаторов,
Нг = 2 киз -}- Е Нк,
где киз — высота межконденсаторного пространства, кК — высота конденсатора, лежащего на полке, Нг — строительная высота генератора, а также значительной неравномерностью электрического поля в межконденсаторном пространстве. Внешняя индуктивность самого крупного генератора (ЛПИ на 4, 3 млн. в) равна 170 мкгн, а паразитная емкость равна 250 пкф.
Можно отметить, что импульсные генераторы этажерочного типа являются наиболее распространенными стационарными установками для ра-
боты в закрытых помещениях при амплитудах импульса до \ 2 млн. а. Конструкция генератора отличается простотой и может быть применена для временных импульсных установок, когда требуется увеличение емкости в разряде за счет снижения амплитуды импульса напряжения. Выравнивание электрического поля между конденсаторами позволит уменьшить габариты установки.
4. Генераторы колонкового типа
Возрастающие требования к импульсным генераторам в отношении высоких строительных и электрических характеристик привели к созданию генераторов колонкового типа. Простейшей конструкцией такого генератора является одноколонковый импульсный генератор, состоящий из поставленных друг на друга бумажных и фарфоровых цилиндров. Внутри цилиндров, наполненных маслом, находятся плоские конденсаторные элементы, соединенные в параллельные и последовательные группы.
Эксплуатационные неудобства—затруднительность ремонта и текущего наблюдения за конденсаторами—привели к созданию 2, 3, 4 и 6-колонко-вых генераторов. В многоколонковых генераторах конденсаторные элементы образуют самостоятельную единицу и располагаются друг над другом, будучи разделены изолирующими цилиндрами того же диаметра, что и конденсаторы. Цилиндры изготовляются либо из лакированной прессованной бумаги, либо из фарфора. Фарфоровые цилиндры можно брать приблизительно на 15% короче бумажных для одного и того же напряжения, но технология изготовления фарфоровых гораздо сложнее. Для компактности и однообразного вида элементы зарядного устройства, трансформаторы накала выпрямителей и некоторые другие элементы также помещают внутрь цилиндров, заполненных маслом.
Колонковые генераторы начали строиться со второй половины 30-х годов XX века (фиг. 3). Много генераторов на напряжения 2—3 млн. вольт построено уже в послевоенный период. Самый большой генератор колонкового типа построен в 1939 г. и имеет амплитущу импульса в 5,1 млн. вольт по отношению к земле, а при зарядке конденсаторов до испытательного напряжения—в 7,5 млн. вольт. Удельная энергия генераторов имеет значения, приближающиеся к удельной энергии конденсаторов, и равна 1 ч-З кет.1 ■ сек\м%. О значительном совершенстве колонковых конструкций говорят и высокие значения коэффициента использования строительного объема. Для построенных генераторов он достигает 25% (фиг. 6). Изменение объема с ростом амплитуды импульса напряжения может быть описано эмпирической формулой, присущей всем типам импульсных генераторов:
у_ и макс
А В U.naKc
где А — 180, В — 0,025, V — вм\ a UMaKc — в кв.
Значения градиента напряжения по строительной высоте генератора находятся в пределах 300 -г- 500 ке м и указывают на эффективное использование изоляционной поверхности опорных цилиндров. Паразитная емкость каждой ступени по отношению к земле незначительна. Внешняя индуктивность также меньше для колонковых конструкций за счет короткого пути разряда и зависит от расположения колонн в общем объеме зала и числа ступеней в колоннах.
Генераторы колонкового типа в настоящее время являются наиболее совершенной конструкцией. Все современные импульсные генераторы с амплитудой импульса выше миллиона вольт строятся колонкового типа. Компактность генераторов позволяет применить их как для стационарной
работы в закрытых помещениях, так и для работы на открытом воздухе-в качестве передвижных установок.
Общие замечания и выводы
Технический уровень высоковольтного конденсаторостроения определяет совершенство конструкций генератора импульсов напряжения, так как его основной частью являются конденсаторы высокого напряжения.
Первые импульсные генераторы всех конструкций имели низкие характеристики, так как строились на основе косинусных конденсаторов—специальных конденсаторов для импульсных схем высокого напряжения в то время еще не было. С ростом совершенства высоковольтных конденсаторов (с увеличением удельной энергии в единице «объема, с увеличением рабочих градиентов, с разработкой специальных конструктивных типов, и т. п.) резко улучшались конструкции импульсных генераторов. Возрастание рабочего напряжения конденсаторов привело к увеличению зарядного напряжения ступени генератора. Современные генераторы имеют зарядное напряжение ступени, достигающее 400 кв (табл. 1). Рост зарядного напряжения приводит к снижению числа ступеней, последнее же связано с уменьшением индуктивности контура и увеличением емкости в ударе,— и то и другое желательно.
Индуктивность контура определяется индуктивностью конденсаторов,, сопротивлений и подводящих проводов и может быть оценена на основе следующих формул:
а) индуктивность двух параллельных проводов длиной I см, диаметром й- см и расстоянием между осями О см равна:
/ 9П Л 1
Ъх = 0,004 I { 2,303 1о|г-~---— + —мкгн
\ 6 1 4
б) индуктивность квадрата со сторонами в а см и квадратным сечением провода аX« см"1 равна:
1Л —8а Лп —— +0,447 —— + 0,033 ). 10-3 мкгн; \ а а /
в) индуктивность одного конденсатора колеблется в пределах от 0,01 до 3,5 мкгн.
Из всех конструктивных типов импульсных генераторов наибольшее развитие получили генераторы колонкового типа, которые в настоящее время обладают наиболее высокими электрическими и строительными характеристиками. С увеличением емкости конденсаторов в изолирующем цилиндрическом кожухе, а в настоящее время удельная энергия в них ниже, чем в конденсаторах с металлическим кожухом и вводом, колонковые генераторы будут единственной практической конструкцией для получения импульсного напряжения в несколько миллионов вольт.
Вследствие значительных успехов в конденсаторостроении и аппара-тостроении в настоящее время можно строить компактные генераторы с различной амплитудой и энергией импульса. Максимальные электрические параметры и габариты современного импульсного генератора весьма высокого напряжения можно приближенно оценить следующим образом: наиболее реальной конструкцией представляется многоколонковый генератор (8—10 параллельных колонн), так как с ростом числа колонн повышается механическая устойчивость генератора и его емкость в ударе. Опыт эксплуатации многоступенчатых генераторов показал, что максимальное количество ступеней умножения напряжения ограничивается цифрой порядка ,50. Исходя из величины рабочего напряжения современного конденсатора в.
Таблица 1
Основные данные о построенных импульсных генераторах высокого напряжения с амплитудой импульса более миллиона вольт
№ ГШ Страна и наименование установки Максимальная амплитуда импульса напряжения Емкость в ударе Запасаемая энергия Строительная высота генератора Строительный объем генератора Удельная энергия генератора ' 1 _________________ .... . 1 Строительный средний ] градиент напряжения по высоте генератора Количество конденса- 1 торов в одной группе Количество конденсаторных групп Рабочее напряжение конденсатора Емкость одного конденсатора Объем конденсатора Запасаемая энергия в конденсаторе 'Удельная энергия конденсатора Коэффициент использован. строительного объема генератора Коэффициент к3 Тип конденсатора Конструктивый тип генератора га с. о СЗ О, й Р о 3
Омане Суд т Нг 1¥г /?1 = У7" и м к --- Нг я„ Щ ик • С к V* Шк -- 1 У к ь 14 к __ — - к' 1 Пмакс V, а, о о с ь- сй а.
пкф пет-сек м м3 квт-сек кв/м | кв мкф .-к3 квт-сек квт-сек % кв/м3 Ч О ь.
Кв м* -М3 и ^
1 2 3 д п. и 6 Россия, генератор игок. Баклина СССР, ЗФИ СССР, лзми СССР, хэти . СССР, ЛЭ1 и СССР, взи 120 1800 1500 3000 3200 3000 100 800 3800 12500 4700 7500 0,001 1,3 4,16 56,0 24,0 34,0 6,0 4,0 6,0 9,3 9,7 40 50 144,0 125,0 443,0 0,033 0,083 ■ 0,39 0,192 0,077 300 375 500 345 ' 310 1 1 1 1 1 14 9 40 32 80 135 165 75 100 75 0,0008 0,0112 0,033 0,5 0,15 0,15 0,12 0,(197 0,265 0,1 0,45 1,4 0,75 0,42 3,75 14,5 2,83 4,2 2,2 2,68 6,9 1,8 45,0 30,0 20,8 25,6 7,5 Лейденская банка Кабель ХЭТИ .Буревестник" КСМ-75 М.Т.З. Лестница Этажерка Двухмаршевая лестница 1914 1931 1933 1933 1936 1937 4 1 1 5 6 2
7 8 СССР, УФТИ СССР, УФТИ 5000 1000 5700 2600 71,5 1,3 12,0 1,6 75,0 2,4 0,95 0,54 416 625 10 1 10 25 50,0 40,0 0,17 0,065 — — — 66,7 410,0 Плоские конденсаторные элементы в масле Одна колонна Колонка 1938 1938 11
9 10 11 12 13 14 15 16 17 СССР, ЛИИ, БКР СССР, лпи СССР, хэти СССР, эииин СССР, тпи США, Питсфилд США, Питсфилд США, Питсфилд США, Шарон 1200 4300 8400 3600 1400 2X5100 2X5003 3000 3000 8300 16700 13200 18200 23=4)0 6500 5000 11000 8000 6,0 155,0 460,0 118,0 23,0 82,5 62,5 50,0 36,0 5,0 15,0 14,0 14,7 3,75 13,4 15,0 7,0 12,2 15,0 635,0 1200 132 20,0 8Ь,0 200,0 100 149,0 0,4 0,244 0,38 0,89 1,15 1,0 0,156 0,5 0,24 240 286 600 245 373 375 333 428 246 1 • 1 1 1 1 3 6 4 12 43 82 33 12 17 20 30 150 100 100 150 120 100 50 0,1 0,72 1,03 0,6 0,28 0,33 0,24 0,094 0,196 0,03 2,0 1,65 0,3 21,5 8,3 10,0 5,25 12,0 2,4 80,0 7,16 7,0 27,3 70,0 60,0 12,5 30,0 20,0 Метал, кожух с вводом Метал, кожух с вводом ХЭТИ я Герколитовый цилиндр А'етал. кожух с вводом я » Этажерка Этажерка Лестница Этажерка 6 колони Лестница Лестница Лестница в 3,5 марша 1939 1940 1940 1948 1950 1939 1930 1931 1932 12 7 8 3 13 14 19 19 17
18 19 20 21 22 США, Траффорд США, Барбертон США, Огайо, Брасс США. Виттон США, Вестингауз 3000 2000 3150 2500 1000 3300 3000 7850 12500 8300 15,0 6,0 39,0 40,0 4,15 7,01 5,0 7,8 78,5 20,0 340 0,5 2,0 0,012 450 500 128 5 1 2 1 1 3 30 1 21 16 20 20,0 2000 75 160 17,0 0,5 0,0003 0,33 0,2 0,5 0,01 0,0725 7,25 0,17 40,0 125 2,94 Воздушный Метал, кожух с вводом Бумажный цилиндр Метал, кожух с вводом Лестница Винтовая этажерка 4 колонны Лестница 1934 1929 1934 1949 1927 1929 1 1 2 20 16 1 32 31 32 18 В
23 США 5000 850 14,0 — — — ' — — 4 — — — — — — — »
24 США, Вестингауз 2000 7000 14,0 _ — — — 1 20 — — — — — — — —
25 26 27 28 США, Питсфилд США, Вест-Лафайет США, Вестингауз Германия 1200 1200 200 4000 1000 5200 100000 6250 1,125 3,75 2,0 50,0 2,5 8,5 25,0 42,5 0,04 1,18 80,0 470 1 4 48 2 16 25,0 20,0 0,25 0,8 — — — — 8,0 80,0 Метал, кожух с вводом Плоские шайбы Колонка 1934 1923 1938
Продолжение таблицы 1
№ пп » Страна и наименование установки Максимальная амплитуда импульса напряжения Емкость в ударе Запасаемая энергия Строительная высота генератора Строительный объем генератора Удельная энергия генератора Строительный средний градиент напряжения п о высоте генератора Количество конденсаторов в одной группе Количество конденсаторных групп Рабочее напряжение конденсатора Емкость одного конденсатора Объем конденсатора Запасаемая энергия в конденсаторе Удельная энергия конденсатора Коэффициент использования строительного объема генератора Коэффициент /г, Тип конденсатора Конструктивный тип генератора в а о н га О. 4) « и ЕЕ <и 15. я г 0 н и ¡X 1 е-.
Чмакс Суд.' Ш; Нг Уг 11 •аГ II «0 По ик О" Ук V« Цмакс
я- 4 к\ V г в. о о а <о ь я ч
кв пкф квт-сек м м>> квт-сек кв -м кв мкф м3 квт-сек квт-сек % ке\мг о ч
М?> м2 о и
29 Германия, Сименс-Шу-керт, Нюрнберг 3000 9000 42,0 12,0 315,0 0,133 250 4 15 0,14 9,5 Метал, кожух с вводом Лестница в 3 марша 1935 21
30 Германия, Розенталь 2200 1450 3,5 18,0 360 0,01 122 20 8 125,0 — — — — — 6,1 Мееровского 1930 1
-31 Германия 2400 4400 13,75 — — — — 20 12 40,0 0,066 — — — — — „ 1929 1
-32 Германия 1000 5000 2,5 3,7 7,7 0,325 270 — 1 — —" — — — — 130 Плоские шайбы Колонка 1936 27
33 Германия 3000 1100 4,95 7,0 35,0 0,143 430 12 4 — — — — — — 86,0 „ 1936 10
34 Германия, Хермсдорф 2X1000 800 1,6 _ _ — — 12 4 170 0,01 — — — — .— Мееровского 1
35 Германия, Фелтон 2>(700 120000 117,5 — — — — 1 2 700 0,2 — — — — — Кабель Два кабельных барабана 19.« 32
36 Германия, Нюрнберг 1000 14000 7,0 — — — — — — — — — — — — — 32
37 Германия 1700 1000 1,44 — — — _ — — — — — — — — — 32
38 Германия 2.300 3500 9,3 — — — — — — — — — — — _ — 32
39 Англия, Манчестер 20и0 10000 20,0 6,5 12,0 1,66 310 2 12 170 0,06 0,088 0,83 9,5 5,7 166 Бумажные цилиндры 4 колонны 1937 22
40 Англия, Манчестер 1000 2200 1,1 — — — — 1 4 250 0,0055 — — — .— — Мееровского Этажерка 1930 23
41 Англия, Чарльтон 1700 21000 30,0 5,5 10,0 3,00 310 2 6 142 0,255 0,035 2,55 73 4,1 170 Бумажные цилиндры 2 колонны 1950 25
42 Англия, Хейнлеп 1200 25000 17,0 4,0 6,0 2,35 300 2 7 167 0,0875 — — — — 200 Фарфоровые цилиндры 4 колонны 1947 26
43 Англия, Лнтзерхед 1400 20000 19,6 — — _ — 1 8 175 0,16 — '— — — — Колонны 1950 24
44 Англия 2500 12000 37,5 — — — — — — — — — — _ — — 32
45 Англия 1300 10000 8,45 — — — — — — — — — — _ — — 32
46 Англия 1200 11000 7,95 — — — — — — — — — _ — — — 32
47 Англия 1000 юооо 5.0 — — — — — — — — —. — _ — — 32
48 Япония, Токио 3600 5400 35,0 8,0 160 0,218 450 1 48 75,0 0,259 0,056 0,732 13,1 1,67 22,6 Метал, кожух с вводом Лестница 1937 28
49 Япония, Танаши 24и0 28 200 1:0,0 — _ — — 1 16 150 2,0 — — .— — - — 1940 29
50 Япония, Токио 1000 10000 5,0 2,7 13,0 0,384 370 1 20 50 2,0 — — — — 77 Лестница 1937 23
51 Швеция 3600 14000 90,0 9,5 30,0 3,0 385 1 9 400 0,126 0,8 10,0 12,5 24,0 12- Колонна 19-19 32
52 Швеция 23 Л .200 5,82 — — — —■ — — — — — — — — — 32
53 Швеция 0500 4,25 — — — — — — — — — — — — _ 32
54 Франция,г Лаб. Ампера ' ЗлЮ о000 22,5 — _ — — — — — — — — — — — 32
55 Италия, Соцнета Магри-ни 3000 8330 37,5 _ 1 30 110 0,25 Лестница в 3 мар ш а 1939 30
56 Г олландия, Э й и д х о в е 11 2000 125; 0 25,0 4,5 13,0 1,9 445 1 10 200 0,125 0,052 2,5 48 4,0 154 Цилиндры 4 колонны 1939 21 32 32 32 32
57 Швейцария 2000 5800 11,6 — — — — — — — — — — _ — —
58 Швейцария 140') 12000 И ,75 — — — — — — — — — .— — — —
59 Швейцария 1200 2000 1,44 — _ — — — — — — — — — — —
60 Швейцария, Бергер и Шнеебергер 1000 80000 40, и _ _ . _. 1 3 350 0,245 _ Кабель 1933
€1 ' Англия, Вулвич 1575 1775!-! 22,0 5,0 30,0 0,735 315 1 9 175 0,16 0,33 2,45 7,45 10,0 52,0 Цилиндры 4 колонны 1954 34
400 кв, максимальная -амплитуда может быть приближенно оценена равной 20 млн. вольт по отношению к земле.
Конденсатор с'£/=400 кв имеет емкость в 0,13 жкф при высоте Н—1 ж и диаметре D — 0,75 ж.
Так как желательно иметь 8—10 колонн, то вероятно параллельное соединение двух конденсаторов, и тогда емкость в ударе
■Суд, = - °'13'2 . 1000 — 5000 пкф 50 ■
и запасаемая энергия
5000.202 innnnnn W—---= 1000000 ет сек.
2
Приняв средний градиент напряжения по строительной высоте равным 500 кв;'м, получим Яг = 40 м и, взяв основание приближенно 5X5 м2, получим объем генератора Vг — 1000 мъ.
При сооружении двух генераторов противоположной полярности возможно получение импульсного напряжения в 40 млн. вольт.
Выводы
1. Импульсные генераторы высокого напряжения, работающие по искровому методу, предложенному проф. В. К. Аркадьевым, с каждым годом находят все более и более разностороннее применение в технике.
2. Установки, построенные в Советском Союзе, имеют наиболее высокие электрические параметры.
3. Все конструктивные типы импульсных генераторов претерпели значительное развитие, и их технико-экономические характеристики улучшились. Наибольшее развитие получил генератор колонкового типа.
4. Необходимо разработать специальную удобную для монтажа конструкцию импульсного конденсатора высокого напряжения с высокими удельными характеристиками.
5. Предложенные технико-экономические удельные характеристики дают возможность более конкретного и более полного сравнения конструкций импульсных генераторов.
6. При современном уровне развития техники практически возможно создание генератора с максимальной амплитудой импульса напряжения в 20 млн. вольт по отношению к земле и энергией в разряде порядка 1000 кет¡сек.
В заключение выражаю благодарность профессору Воробьеву А. А. за предложение темы и руководство настоящей работой.
ЛИТЕРАТУРА
1. Залесский А. М., Сорокин А. В., СтефановК. С. Руководство к работам в лаборатории высокого напряжения. Изд. КУБУЧ, 1934.
2. Техника высоких напряжений. В. 2, Госэнергоиздат, 1939.
3. С т е к о л ь н и к о в И. С. Исследование природы длинной искры. Изв. АН СССР, ОТН И, !936.
4. Аркадьев В. К. Генератор молний. Электричество, 10, 1940.
5. Потужный А. К. и Фертик С. М. Перевозной генератор импульсов. Электричество, 20, 19 i6.
6. Г о р е в А. А. и М а ш к и л л е й с о н Л. Е. Новый импульсный генератор лаборатории проф. А. А. Смурова. Электричество, 1, 1937.
7. Горев А. А и Рябов Б. М. Генератор импульсных напряжений на 4300 кв. Электричество, 5, 1941.
8. Техника высоких напряжений, Госэнергоиздат, ч. 1, 1951.
9. Типикин К. И. Передвижная установка па 4 млн. вольт (реферат). Электричество, 8, 1938.
10. Д о л г и и о в А. И. Импульсный генератор на 3000 кв. Энергетическое обозрение, 10, 1936.
11. Соломонов Н. М. Импульсный генератор высоких напряжений. ЖТФ, 1, 1937.
12. Б а л ы г и н И. Е. Импульсный генератор на средние напряжения. ЖТФ, 9, в. 12, 1939.
13. Воробьев А. А. Сверхвысокие электрические, напряжения. Госэнергоиздат, 1954.
14. X е н д р и к с А. Б., X е б б а р д X. С., В а л л и н Г. Л. Высоковольтное оборудование кампании Дженерал Электрик на международной выставке в Нью-Йорке. Американская техника и промышленность, II, 1939.
15. М. Newman and. О. Kemppainen. High-Voltage Installation of the Precipition-Static Project, Proc. Inst, cf Radio Eng., 1946, 34, p. 247.
16. D. F. Miner. „А Million volt Rectified Surge Generator," El. J. 1927, V. XXIV, №6, p. 287.
17. O. Ackermann. New Surge Generator for Testing Transformers. El. J. 1932, 29, p. 61.
18. D. F. Miner. Surge Generating Equipment. El. J. 1926, 23, p. 596,
19. J. Lis ton. Developments in the Electrical Industry during 1931. G.E.R. 1932, v. 35, JS-2 1.
20. A New Impulse Generator 2 500 000 volt. Gen. El. Rev. 1949, IV. V. 16, Ns 2, p. 85.
21. A. Bouwers. Elecktrische Hochspannungen. Springer, Berlin, 1941.
22. F. S. Edwards and G. J. S coles. A 2000 KV Impulse Generator, Engineering 1937,
v. 27, 144, p. 222.
23. High—Voltage Research Laboratory. Engineering, 1930, v. 129, p. 312.
24. British Electricity Research Laboratories at Leatherhead. Engineer, '1950, v. 190, № 4931, p. 102.
25. Twelw—stage Impulse Generator. The Electrician 1951, 2, 11, p 1361.
26. T.R.P. Harrison, The Henley 1200000 volt Impulse Testing Plant. The Electrician.
Part I, 1947, V. U8 № 3598.
27. Д о л г и н о в А. И. Передвижной генератор импульсов (реферат). Энергетическое обозрение. 5—6, 19:56.
28. Hidemichi R о к к а к u and J и к i h ir о S h i g и A 3600 kv Jmpulse Generator and A 100 kv, Impulse Generator for open Air Set. E.T.J. 1937, № 3, p. 7% 120.
29. Г а л о н e н Ю. M. Новый импульсный генератор на 2400 кв (реферат). Электричество, 7. 1940.
30. К а о a v л о в Н. А. Импульсный генератор на 3000 кв (реферат), Электричество, 12, 1940.
31. J. Н. Hagenguth. New High—Voltage Engineering Laboratory G.E.R. 1949, v. 52, Ks 9, p. 9.
32. F. S. Edwards, A. S. Husbands, F. R. Perry. The Development and Desiygn of High—Voltage Impulse Generators. Inst. El, Eng. 1951, v. 98, part II, N III, p. 155—180.
33. The Impulse Testing Transformers. El. Eng. 1952, v. 7i, № 8.
34. impulse Generator. El. Rev. v. 155, № 24, p. 922, 1954.
