CC BY
37
УДК 621.3.027.3 ББК 31.2
ВВ. АШМАРИН, А.А. БЛОХИНЦЕВ
РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ ШУНТИРУЮЩЕГО РАЗРЯДНИКА ДЛЯ МОЩНЫХ ЕМКОСТНЫХ НАКОПИТЕЛЕЙ ЭНЕРГИИ, РАБОТАЮЩИХ НА МАЛОИНДУКТИВНЫЕ ЭЛЕКТРОДИНАМИЧЕСКИЕ УСТРОЙСТВА
Ключевые слова: шунтирующий режим, цепь разряда, ускорители масс, коммутатор, интеграл действия, оптимизация параметров.
Предложены аналитические выражения для расчета шунтирующего режима емкостного накопителя энергии при его работе на малоиндуктивные ускорители масс. Проведен анализ экспериментальных исследований по влиянию параметров цепи шунтирования на эффективность режима. Установлено, что использование шунтирующего режима накопителя с целью повышения эффективности работы электродинамических ускорителей масс целесообразно при следующих соотношениях параметров цепи шунтирования и нагрузки: индуктивности Ь2 < 0,05 Ь3; сопротивлении канала Я < 0,05 аЬ3. Разработана и исследована конструкция твердотельного многоканального разрядника, позволяющая реализовать приведенные соотношения: сопротивление канала Я < 1 мОм, индуктивность Ь2 < 5 нГн.
Для исследования процессов, связанных с силовым воздействием сильных импульсных магнитных полей мегагауссового диапазона на проводящие материалы, широкое применение нашли экспериментальные стенды с электродинамическими ускорителями масс, в которых в качестве источника энергии используют мощные емкостные накопители энергии (ЕНЭ) многомодульного использования с запасаемой энергией сотни килоджоулей. Результаты моделирования на таких стендах процессов высокоскоростных соударений в широком диапазоне изменения масс и скоростей взаимодействующих тел позволяют разработать методику проектирования средств микрометеорной защиты элементов конструкций летательных аппаратов. Для этой цели применяют электродинамические ускорители масс с раздельным регулированием тока в метаемом теле и тока в соленоиде, в рабочей зоне которого создается ускоряющее магнитное поле. Плотность тока в метаемом проводнике выбирается из условия получения предельно допустимых по условиям нагрева скоростей метания таким образом, чтобы в момент соударения с преградой проводник был в твердом состоянии. На получение максимально достижимых индукций внешнего ускоряющего магнитного поля накладываются ограничения, связанные с прочностными характеристиками материала соленоида. Существенное замедление скорости нарастания поля с индукцией более 50 Тл связано с резко нелинейной диффузией магнитного поля в металл и разрушением токонесущего скин-слоя окна соленоида, в зоне которого происходит процесс метания. Разрушение происходит вследствие выброса металла из нагретого импульсным током разряда ЕНЭ (сотни килоампер) скин-слоя возникающими пондеромоторными силами и сопровождается радиальным и осевым течением металла за счет его пластической деформации. При
этом происходят увеличение начального размера окна соленоида, возрастание его индуктивности и снижение достижимых в эксперименте индукций ускоряющего магнитного поля и скорости метания. Существенное увеличение первоначальных размеров окна за счет взрыва скин-слоя наблюдается лишь после первого максимума тока разряда ЕНЭ ^ > Т/4, где Т - период разрядного тока) и происходит со скоростью более 500 м/с при Вт= 75 Тл. Так как пластическая деформация металлов развивается сравнительно медленно, электрический взрыв токонесущей поверхности окна соленоида является основным препятствием при получении быстронарастающих полей и больших значений скорости метания.
Одним из способов снятия этого ограничения является использование униполярной формы импульса разряда. Это может быть достигнуто включением в момент максимума тока разряда ЕНЭ малоиндуктивного устройства, шунтирующего нагрузку. При этом форма напряжения на конденсаторах ЕНЭ близка к апериодический, что значительно повышает ресурс работы конденсаторов накопителя энергии и позволяет более эффективно использовать запасенную в конденсаторах энергию.
Однако к шунтирующим разрядникам предъявляются более жесткие требования по сравнению со стартовыми разрядниками по собственной индуктивности, рабочему току и управлению их синхронным срабатыванием в условиях, когда напряжение на главных электродах стартового разрядника близко к нулю. Обзор публикаций по шунтирующим разрядникам [5-7] показывает, что отсутствуют описания конструкций шунтирующих разрядников, позволяющих организовать стабильный многоканальный искровой разряд с малой индуктивностью и активным сопротивление цепи разряда. Особенно это важно в случае, когда величина токов коммутации составляет сотни ки-лоампер и встает вопрос о повышении эрозионной стойкости электродов разрядника, влияющей на стабильность срабатывания с минимальным разбросом временных характеристик.
Реализация шунтирующего режима ЕНЭ на практике затруднена ввиду отсутствия аналитического выражения для определения основных параметров шунтирующего разрядника, влияющих на форму кривой тока в нагрузке. Кроме того, нет инженерно обоснованных технических решений, позволяющих обеспечить шунтирование нагрузки в виде электродинамических устройств с малой индуктивностью (Ь3 =50-700 нГн) при рабочем напряжении ЕНЭ, близком к нулю.
В настоящей статье приведены результаты теоретических и экспериментальных исследований, позволяющих обоснованно определять параметры шунтирующих разрядников, обеспечивающих эффективность режима шунтирования малоиндуктивной нагрузки.
Схема замещения ЕНЭ с шунтирующим разрядников приведена на рис. 1, где С0 - емкость накопителя; Ь1 - индуктивность кабельной ошиновки и стартового разрядника; Ь2 и Я - индуктивность и активное сопротивление
шунтирующего разрядника, соответственно; L3 - индуктивность кабельной ошиновки токосборного коллекторного узла и нагрузки.
L, ^ Ра
Г
/ р ГКР
г
i'i ц L
R
Г
Рис. 1. Схема замещения ЕНЭ с шунтирующим разрядником
Процесс коммутации происходит следующим образом. После срабатывания стартового разрядника Рст накопитель энергии начинает разряжаться на нагрузку. Напряжение на емкости С0 изменяется по косинусоидальному закону. В момент максимума тока, когда напряжение на емкостях накопителя близко к нулю, происходит срабатывание шунтирующего разрядника Ркр, и ток в нагрузке будет экспоненциально затухать с постоянной времени, определяемой параметрами Я-Ь-С цепи.
Используя метод контурных токов, запишем уравнения, позволяющие провести численный анализ переходных процессов в приведенной схеме замещения при шунтировании нагрузки в момент времени = Т/4.
т dii + R(i + i ч + L d(h -h)
L1— + R(i3 + ^ + L2---
dt dt
T di3 + R(i i Ч + T d(i3 -ii)
L3 — + R(i3 -ii) + L2---
dt dt
dy i1 ; dQ
dt C'dt
= U n -
1 rt
C Jo
f ildt;
o
= 0;
(1)
=i
1 г'
где ?1(') и i3(t) - токи в контурах; ф(?) = ио(0)--I - напряжение на
С »О
2
?3 & - интеграл действия тока.
•>0
Для решения исходной системы (1) приведем ее в безразмерный вид, вводя базисные величины:
иб = ио; Сб = Со; Ьб = Ьз; Яб =
. ем-
^б = UeJ сб = UoJ C ; t5 = yJL6C6 = VL3C0 .
В безразмерных переменных приведенная система уравнений имеет вид
1
X 0 + X 3 + X 0X 3
X 0 + X 3 + X 0X 3
[(1+ X 3)Ф + (13 - /j)p];
■[Х3Ф +(13- /1)pX0];
(2)
dт
& 2
dт
dф I ; d0 . 2
dt 1' dt 3'
, г' А Я . Т t и0 где / = -;х0 = т^; р=—; х3= х=Г;ф=и^ •
гб тб Я б тб tб и б
Начальные условия для момента т = т0 = 0 можно записать следующим образом:
/1(0) = /3(0) = /0 = -1- = 0,9; ф(0) = ф0.
1 + х 0
Система приведенных уравнений (2) решалась методом Кутта - Мерсона для широкого диапазона изменяющихся параметров при следующих исходных данных: С0 = 108 мкФ, и0 = 20 кВ, Т1 = 137 нГн, Т3 = (50-750) нГн, Т/4 = 13 мкс. Зависимости тока в нагрузке от времени при различных параметрах шунтирующего разрядника, полученные в результате проведенного численного моделирования, приведены на рис. 2.
Рис. 2. Зависимость тока нагрузки от времени в шунтирующем режиме при 1 - Т3 = 511 нГн, Т2 = 20 нГн, Я = 5 мОм; 2 - Т2 = 20 нГн, Я = 10 мОм; 3 - Т2 = 20 нГн, Я = 15 мОм; 4 - Т2 = 40 нГн, Я = 5 мОм
Для оценки эффективности применения шунтирующего режима ЕНЭ принималось условие, что интеграл действия тока Окр за первый период T его изменения должен быть больше или равен половине суммы интегралов действия тока для синусоидальной формы кривой
1 T
Осин = -í II sin2 -td(-t) = 0,5/mt (3)
— J0
и для идеального шунтирования
1 ¡-Г/4 т2 • 2
бил = /4С 5Ш2 Ш(м) = 0,511 < + £41т^ = 0,875/,.
Или можно записать это условие в виде
б _ бсин ^ бид
кр _ £>крит 2
0,6875/,:
(4)
(5)
Экспертная оценка степени влияния активного сопротивления Я и индуктивности Ь2 шунтирующего разрядника на интеграл действия бкр показала, что его значение уменьшается с увеличением активного сопротивления и индуктивности цепи шунтирования, причем основной вклад вносит изменение активного сопротивления. С целью определения значений бкр в зависимости от величин Я и Ь2 при варьировании индуктивности нагрузки Ь3 в диапазоне, характерном для электродинамических ускорителей, были приведены экспериментальные исследования на разработанной конструкции четырехка-нального канального разрядника с искажением поля и двумя управляющими электродами на канал, описанной в [1, 2]. Принципиальная электрическая схема электрофизической установки с накопителем энергии многомодульного исполнения с шунтирующими разрядниками приведена на рис. 3.
Рис. 3. Принципиальная электрическая схема емкостного накопителя энергии с шунтирующими разрядниками С0 = 108 мкФ - емкость модуля емкостного накопителя; Рст - стартовый разрядник; = 137 нГн - индуктивность кабельной ошиновки и стартового разрядника; Ркр - шунтирующий разрядник; Ь2 и Я - индуктивность и активное сопротивление шунтирующего разрядника; Ь3 - индуктивность нагрузки; ГИН1, ГИН2 - генераторы импульсных напряжений; М1..Мц - модули емкостного накопителя энергии; БП - блок поджига; БЗ - блок задержки
В эксперименте использовался один модуль установки с запасаемой энергией Ж1 = 45 кДж (15 конденсаторов марки ИК-25/12, ираб = 20 кВ). По-
сле срабатывания стартового разрядника Рст модуль ЕНЭ разряжается в колебательном режиме на нагрузку с индуктивностью L3. Управление срабатыванием Рст осуществлялось от трехступенчатого генератора импульсов напряжения ГИН-1 с параметрами импульса - Um1 = 100 кВ, Тфр1 = 80 нс. В момент максимума тока (t = T/4) на управляющие электроды шунтирующего разрядника Ркр подавался импульс напряжения от генератора импульсов ГИН-2 с параметрами - Um2 = 100 кВ, Тфр2 = 10 нс. Требуемая задержка времени срабатывания ГИН-2 обеспечивалась блоком задержки БЗ. Управляющие высоковольтные импульсы на срабатывание блоков ГИН-1, ГИН-2, БЗ формировались блоком поджига БП и подавались на них по системе коаксиальных кабелей. Значение индуктивности нагрузки L3 варьировалось в диапазоне от 100 до 750 нГн, характерном для электродинамических ускорителей масс. С целью выяснения влияния индуктивности L2 шунтирующего разрядника на интеграл действия тока Q^ последовательно с ним включалась металлическая петля с изменяющейся площадью витка. Величина индуктивности L2 определялась по периоду разрядного тока i2(t) в цепи шунтирования. Влияние активного сопротивления R шунтирующего разрядника на значение Q^ учитывалось путем изменения числа параллельных каналов разряда в коммутаторе. При этом сопротивление R определялось путем деления активной составляющей падения напряжения на дуговом канале на величину тока, протекающего в цепи шунтирования. Напряжение на дуге измерялось омическим делителем напряжения с коэффициентом деления Кдел = 28, а амплитудные значения токов i2(t) и i3(t) и их форма контролировались измерительными поясами Роговского РП и РП2. Характерная осциллограмма токов в нагрузке и в шунтирующей цепи приведена на рис. 4.
h(t) к А
б
Рис. 4. Осциллограмма тока через нагрузку (а) и шунтирующий разрядник (б): Ь3 = 680 нГн, 1т = 44 кА; Т = 62 мкс; Ь2 = 35 нГн; Я = 3,7 мОм
Для оценки эффективности процесса метания в электродинамических устройствах при обеспечении шунтирующего режима принималось условие (2). Интеграл действия тока в
т
Окр =| II * (6)
0
определялся по осциллограмме, исходя из максимального значения тока в нагрузке. Если это значение оказывалось больше или равным критическому значению интеграла тока Qкр, определенному по выражению (2), то считалось что требуемое качество шунтирования обеспечено.
Результаты проведенных экспериментальных исследований по оценке эффективности шунтирующего режима применительно к электродинамическим ускорителям масс в виде зависимостей Q^ = f(L2) и QE? = f(R) приведены на рис. 5 и 6. Анализ приведенных зависимостей позволяет отметить следующее. Зависимость Q^ = f(L2) является монотонно убывающей, требуемый эффект от применения замыкающего разрядника при индуктивности нагрузки L3 = 444 нГц (кривая 1, рис. 6) достигается при значении L2 = 20 нГц, при этом интеграл действия
QKp = 98946АА • с > QKpHT = 96833А2 • с . (7)
При увеличении индуктивности L2 до значения 40 нГн Q^ < Q^m, условие (2) не выполняется, и требуемая эффективность метания не обеспечивается. Аналогичные выводы можно сделать и при других значениях индуктивности нагрузки: кривая 2 - L3 = 508 нГц, кривая 3 - L3 = 680 нГц.
Зависимость Q^ = f(R) также является монотонно убывающей, и требуемая эффективность от применения шунтирующего режима ЕНЭ для индуктивности L3 = 444 нГн (кривая 1, рис. 6) обеспечивается при значении сопротивления R = 2,7 мОм и Q^ > Qkj^. При дальнейшем увеличении сопротивления величина интеграла действия становится меньше критического значения (кривые 2 и 3, рис. 6). Во всех случаях уменьшение интеграла действий с ростом R связано с уменьшением постоянной времени затухания тока в нагрузке - х = L3/R, что приводит к уменьшению площади под кривой тока.
На основании анализа результатов экспериментальных исследований можно сделать следующий основной вывод. Использование шунтирующего режима ЕНЭ с целью повышения эффективности процесса метания твердых тел целесообразно при следующих соотношениях величин основных параметров шунтирующего разрядника и нагрузки L3:
L2 < 0,05L3; R < 0,05<L3 , (8)
где < = i- - круговая частота основной цепи разряда ЕНЭ.
л/ад+lb)
Из (8) следует, что уменьшение индуктивности нагрузки L3 влечет за
собой ужесточение требований к основным параметрам замыкающего кроу-бар-разрядника.
Рис. 5. Зависимости интеграла действия тока QKp от индуктивности L2: 1 - L3 = 444 нГн; R = 2,7 мОм; Im = 51,5 кА; T = 23 мкс; Q^ = 96883 А2с; 2 - L3 = 508 нГн; R = 2,9 мОм; Im = 49,2 кА; T = 55,5 мкс; Q^ = 92537 А2с 3 - L3 = 680 нГн; R = 3,7 мОм; Im = 44,2 кА; T = 62 мкс; Q^ = 79600 А2с; 4 - результат численного моделирования при L3 = 280 нГн, L2 = 20 нГн
Рис. 6. Зависимости интеграла действия тока Qкр от активного сопротивления Я:
1 - ¿з = 444 нГн; Ь2 = 20 нГн; 1т = 51,5 кА; Т = 53 мкс; Qкpит = 96883 А2с;
2 - Ь3 = 508 нГн; Ь2 = 30 нГн; 1т = 49,2 кА; Т = 49,2 мкс^^ = 92537 А2с;
3 - Ь3 = 680 нГн; ¿2 = 35 нГн; 1т = 44,2 кА; Т = 62 мкс^крит = 79600 А2с;
4 - результат численного моделирования при Ь3 = 280 нГн, Ь2 = 20 нГн
Из (8) следует, что уменьшение индуктивности нагрузки Ь3 влечет за собой ужесточение требований к основным параметрам замыкающего кроубар-разрядника. При значениях Ь3 < 100 нГц, что характерно для электродинамических ускоряющих систем малых масс кондукционного типа, необходимы шунтирующие разрядники со следующими параметрами: ¿2 < 5 нГц, Я < 1 мОм. Это может быть достигнуто уменьшением длины канала разряда, увеличением его проводимости и поперечного сечения. Для этой цели разработана конструкция многоканального шунтирующего разрядника с твердым диэлектриком, описанная в [6]. Разрядник позволяет организовать многоканальный искровой разряд с высокой проводимостью при напряжении на основных электродах разрядника, близком к нулю. В качестве диэлектрика используется многослойная полиэтиленовая изоляция общей толщиной 5 ~ 1 мм. Между слоями изоляции размещаются два управляющих электрода, способствующие резкому искажению поля в промежутке. При подаче на управляющие электроды твердотельного разрядника в момент максимума
тока высоковольтного импульса от ГИН с параметрами ^имп = 80 кВ, длительностью фронта Тфр = 10 мс происходит синхронный пробой всех четырех каналов в полиэтиленовой изоляции. Плазменная струя из камеры поджига заполняет места предварительного пробоя в полиэтиленовой изоляции, обеспечивая сопротивление канала пробоя R < 1 мОм и малую индуктивность разрядника.
Основные результаты теоретических и экспериментальных исследований шунтирующего режима ЕНЭ [3, 4] с электродинамическими ускорителями масс могут быть сформулированы следующим образом:
- предложены аналитические выражения для расчета шунтирующего режима и определения формы импульса тока в нагрузке, исходя из параметров кроубар-разрядника и нагрузки;
- результаты экспериментальных исследований показали, что индуктивность шунтирующей цепи влияет на провал тока после достижения его максимального значения за счет осцилляций, а активное сопротивление - на время затухания тока в нагрузке;
- экспериментально установлено оптимальное соотношение основных параметров кроубар-разрядника и нагрузки, обеспечивающее необходимую эффективность шунтирующего режима;
- разработана конструкция твердотельного шунтирующего разрядника с малым активным сопротивлением и индуктивностью, позволяющая организовать многоканальный искровой пробой при рабочем напряжении накопителя энергии, близком к нулю;
- показано, что применительно к электромагнитным ускорителям целесообразно использовать многоканальные малоиндуктивные плоские разрядники с искажением поля. Такие разрядники обеспечивают как синхронное включение параллельных контуров электродинамического устройства, так и шунтирование малоиндуктивной нагрузки в момент максимума тока.
Литература
1. А.с. СССР № 983858 МКН3 HOIT3/00 HOIT5/00. Многоканальный искровой разрядник / Ашмарин В.В., Блохинцев А.А., Калихман С.А. Опубл. 23.12.82. Бюл. № 4c-2c.
2. А.с. СССР № 1264798 МКН3 HOIT2/02. Многоканальный управляемый разрядник / Ашмарин В.В., Блохинцев А.А., Калихман С.А. Опубл. 15.06.86.
3. А.с. СССР № 1557613 МКН3 HOIT2/02. Шунтирующий разрядник / Ашмарин В.В., Абрамов А.М. и др. Опубл. 20.07.88.
4. Ашмарин В.В. Коммутаторы емкостного накопителя энергии для электродинамического ускорителя массы: автореф. дис. ... канд. техн. наук. М., 1994. 19 с.
5. Finist G., Wetter M., Meyer T. New spark-gap technology with efficient line-follow current suppression for the protection of powerful LV distribution systems. Int. Conf. on Lightning Protection (ICLP). Estoril, 2016, pp. 1-7. DOI: 10.1109/ICLP.2016.7791513.
6. Grabowski C., Derman J.H., Domonkos M. Operation of rail-gap switches in a high-current, low-inductance crowbar switch. IEEE Pulsed Power Conference (PPC), Austin, TX, 2015, pp. 1-6. doi: 10.1109/PPC.2015.7296980.
7. Reddy C.S., Sharma A., Mittal K.C. Experimental Investigations Into Pulse-Charged Spark Gap Recovery Times and Influencing Factors. IEEE Transactions on Plasma Science, 2016, vol. 44, no. 3, pp. 331-337. doi: 10.1109/TPS.2015.2509162.
АШМАРИН ВАСИЛИИ ВАСИЛЬЕВИЧ - кандидат технических наук, доцент кафедры безопасности жизнедеятельности и инженерной экологии, Чувашский государственный университет, Россия, Чебоксары ([email protected]).
БЛОХИНЦЕВ АНАТОЛИЙ АЛЕКСАНДРОВИЧ - кандидат технических наук, старший научный сотрудник, доцент кафедры безопасности жизнедеятельности и инженерной экологии, Чувашский государственный университет, Россия, Чебоксары.
V. ASHMARIN, A. BLOKHINTSEV DEVELOPMENT AND STUDY OF SHUNT DISCHARGER FOR HIGH-POWER CAPACITIVE ENERGY STORAGE TO RUN LOW-INDUCTANCE ELECTOMAGNETIC APPARATUSES Key words: bypass mode, discharge circuit, mass accelerators, switch, action integral, parameters optimization.
The analytical expression is proposed to calculate the bypass mode of the capacitive energy storage device during its work for the little inductance mass accelerators. The analysis of experimental studies showing the influence of bypass circuit parameters on the mode efficiency was carried out. It was found that it is useful to apply by-passing mode to increase the efficiency of the electrodynamics mass accelerators in case of the following proportions of bypass circuit parameters and load h2 < 0,05 L3; R < 0,05 mL3. The design of multi-channel solid state arrester was developed and studied, it allowing to realize given relations: channel resistance is R <1 mOm, inductance is L2 < 5 nHn.
References
1. Ashmarin V.V., Blohintsev A.A., Kalihman S.A. Mnogokanal'nyi iskrovoi razryadnik [Multichannel spark arrester]. Author's certificate USSR, no. 983858, 1982.
2. Ashmarin V.V., Blohintsev A.A., Kalihman S.A. Mnogokanal'nyi upravlyaemyi razryadnik [Multichannel controlled arrester]. Author's certificate USSR, no. 1264798, 1986.
3. Ashmarin V.V., Abramov A.M. et al. Shuntiruyushchii razryadnik [Shunt arrester]. Author's certificate USSR, no. 1557613, 1988.
4. Ashmarin V.V. Kommutatory emkostnogo nakopitelya energii dlya elektrodinamicheskogo uskoritelya massy: avtoref. dis. ... kand. tekhn. nauk [Switches of the capacity drive of energy for the electrodynamic accelerator of weight. Abstract of Doct. Diss.]. Moscow, 1994, 19 p.
5. Finist G., Wetter M., Meyer T. New spark-gap technology with efficient line-follow current suppression for the protection of powerful LV distribution systems. Int. Conf. on Lightning Protection (ICLP). Estoril, 2016, pp. 1-7. doi: 10.1109/ICLP.2016.7791513.
6. Grabowski C., Derman J.H., Domonkos M. Operation of rail-gap switches in a high-current, low-inductance crowbar switch. IEEE Pulsed Power Conference (PPC), Austin, TX, 2015, pp. 1-6. doi: 10.1109/PPC.2015.7296980.
7. Reddy C.S., Sharma A., Mittal K.C. Experimental Investigations Into Pulse-Charged Spark Gap Recovery Times and Influencing Factors. IEEE Transactions on Plasma Science, 2016, vol. 44, no. 3, pp. 331-337. doi: 10.1109/TPS.2015.2509162.
ASHMARIN VASILY - Candidate of Technical Sciences, Associate Professor of Life Safety and Environmental Engineering Department, Chuvash State University, Russia, Cheboksary ([email protected]).
BLOKHINTSEV ANATOLY - Candidate of Technical Sciences, Senior Researcher, Associate Professor of Life Safety and Environmental Engineering Department, Chuvash State University, Russia, Cheboksary.
Ссылка на статью: Ашмарин В.В., Блохинцев А.А. Разработка и исследование шунтирующего разрядника для мощных емкостных накопителей энергии, работающих на малоиндуктивные электродинамические устройства // Вестник Чувашского университета. - 2018. -№ 1. - С. 14-23.
