Лабораторные работы 1_2
реклама
УДК 621.039.6. Методические указания к лабораторным работам по курсу «Мощная импульсная техника» для магистров направления 140200 «ЭЛЕКТРОЭНЕРГЕТИКА» программы «Электроэнергетические сети и высоковольтная техника». - Томск: Изд. ТПУ, - 23 с. Составители: доцент, канд. техн. наук М.Т. Пичугина Рецензент доцент, канд. техн. наук Ю.Н. Кузнецов Лабораторный практикум рассмотрен и рекомендован к изданию методическим семинаром кафедры электроэнергетических систем «___»_______ 2014 г. Зав. кафедрой ЭЭС проф., д.т.н. наук Ю.С.Боровиков 2 1. Исследование режимов работы ГИТ Цель работы: изучение режимов работы генератора импульсных токов на основе емкостных накопителей энергии. Определение параметров разрядного контура генератора импульсных токов (индуктивности и сопротивления) по осциллограммам импульса тока. 1. Разрядные процессы в ГИТ Различные схемы разрядных контуров можно представить в виде последовательно соединенных С, L, R , K (рис 1). Параметры L и R включают в себя индуктивности и активные сопротивления нагрузки LH, и RH, дуги разрядного устройства (LД и RД), конденсаторов накопителя С (LC и RC), токоведущих шин или кабелей (Lm и Rm), соединительных элементов (LM и RM). В общем случае параметры L (I) и R (I) являются переменными, зависящими от разрядного тока, причем зависимости могут быть нелинейными. Нелинейность определяется электромагнитными процессами в разрядных устройствах и нагрузке. При постоянных L и R можно записать d 2 I R dI 1 I 0. 2 dt L dt LC Это уравнение может иметь различные решения в зависимости от соотношения активного сопротивления и волнового сопротивления контура. Рис.1. Разрядная схема ГИТ 1. R 2 L C - апериодический процесс Rt U I 0 t e 2 L Sh t L где R 1 ( P )2 0 2 1 ; 2L LC 3 (1) (2) 0 1 LC - угловая частота собственных незатухающих колебаний контура при R=0; R C 2 L - параметр, характеризующий разрядную цепь ГИТ. 2. R 2 L C - колебательный процесс Rt 2L U0 I e Sin t , L (3) 0 1 2 . где Апериодический разряд конденсаторов в контуре имеет место при > 1, а колебательный разряд - при <1. Из анализа формул (1) и (3) следует, что для увеличения тока ГИТ необходимо увеличивать емкость накопителя и всемерно уменьшать индуктивность и активное сопротивление разрядного контура. Наибольшая амплитуда разрядного тока будет в контуре без потерь (R = 0) I0 U0 L ; I I 0 Sin t. (4) Период колебаний тока T0 2 LC . (5) Если обозначим время достижения первого максимума тока через t01 = T0/4, то при наличии активного сопротивления в разрядной цепи ГИТ максимальное значение тока в цепи I m достигается к моменту времени t m . Выражения для определения I m и t m можно представить через параметр контура . При апериодическом режиме в контуре ( > 1) 4 Im ( 2 1) I0 2 1 , (6) tm 2 ln( 2 1). t01 2 1 (7) При колебательном режиме в контуре ( <1) Im exp( arc Sin 1 2 . I0 1 2 (8) tm 2 arc Sin 1 2 ). t01 1 2 (9) Определение L и R контура по затуханию кривой тока. В этом случае по осциллограмме тока определяют амплитуды первой и третьей полуволны и период колебания (рис. 2). Затем определяют значение декремента затухания кривой тока. R T 1 2 e L 1 I3 I или ln R T . 2L 1 (10) Рис.2. Кривая разрядного тока ГИТ Сопротивление разрядного контура воспользовавшись соотношением (10) 5 можно определить, Тогда индуктивность разрядного контура можно определить из соотношения (2) 2 T1 L 2 C 4 (ln ) 2 R (11) 2 L ln T1 (12) L пренебрежимо мало, можно C воспользоваться более простыми формулами В том случае, если m R / L T12 4 2 C и R T1 ln . 2 2 C (13) В настоящее время широкое распространение при измерении импульсных токов получили в основном два способа: использование низкоомных измерительных сопротивлений (токовых шунтов) и специального трансформатора тока (катушки Роговского). В обоих случаях получают напряжение, которое в большей или меньшей степени пропорционально изменению измеряемого тока во времени. Измерение импульсных токов с помощью шунтов. Широко применяется способ регистрации импульсных токов, основанный на измерении падения напряжения на измерительном сопротивлении (шунте), включенном в разрядную цепь (рис.3) Измерительный сигнал Uм(t) передается к осциллографу по коаксиальному кабелю с Рис. 3. Схема измерения импульсных токов с волновым сопротивлением Z. помощью шунта Кабель на конце имеет согласующее сопротивление. ЭО – электроннолучевой осциллограф. Падение напряжения пропорционально изменяющемуся во времени току, если сопротивление шунта является чисто активным в определенном диапазоне частот: UM(t) = i(t) R. В качестве сопротивления шунта используются материалы с высоким удельным сопротивлением (манганин, нихром, константан и 6 др.). Материалы с большим удельным сопротивлением обладают более равномерным распределением тока по сечению. Они, обладая низким температурным коэффициентом сопротивления, обеспечивают практически независимость сопротивления шунта от температуры. Сопротивление R выбирается очень малым. Для высокочастотных процессов существенное влияние оказывает место соединения кабеля с шунтом. Измерительную петлю пронизывает магнитный поток, вызванный измеряемым током. При измерении быстроизменяющихся во времени токов необходимо считаться с изменением сопротивления шунта за счет поверхностного эффекта, влиянием способа и места подключения, собственной индуктивностью шунта и влиянием посторонних магнитных полей на контур подсоединения шунта. В общем виде напряжение шунта можно представить как UШ(t)=IШ(t)RШ+dФ/dt, где последнее слагаемое правой части представляет из себя индуктивную составляющую, обусловленную потокосцеплением с контуром 1-2-3-4 (рисунок 3) собственного магнитного поля токовой цепи Рис. 4. шунта и посторонних магнитных полей, Трубчатый шунт создаваемых прилегающими к шунту участками токопровода, и собственной индуктивностью. Устранить влияние магнитного поля, вызванное током i(t), можно лишь в том случае, если съем напряжения UM производить в области, где полностью отсутствует поле. Это достигается применением трубчатых цилиндрических шунтов, симметрично обтекаемых током (рисунок 4). Шунт представляет собой закороченный кабель, определенный участок оболочки которого заменен втулкой из сплава с высоким удельным Рис. 5. сопротивлением. Диаметр шунта целесообразно Конструкция брать больше. Для снижения собственной коаксиального индуктивности шунта между точками А и В шунта обратный токопровод выполняют в виде трубы из хорошо проводящего материала (рис. 5). При этом измерительная часть шунта экранируется от внешних полей. Реакция шунта g(t) = UM(t)/(I0R), если амплитуда тока равна I0, будет иметь вид 7 k 2π2 t . g t 1 2 1k exp μσδ2 k 1 (14) Полоса пропускания fB и время реакции Т определяются как fB 1,46 ; μσδ 2 T μσδ 2 , 6 (15) где − электропроводность материала шунта, − толщина трубы трубчатого шунта, − магнитная проницаемость. Из рассмотрения измерительной цепи следует, что трубчатый шунт не дает индуктивную составляющую напряжения, а передаточные характеристики определяются прежде всего проникновением тока. Использование абсолютно немагнитных материалов (=0) с возможно меньшей проводимостью является первым непременным условием получения хороших характеристик и широкой полосы пропускания, при этом большую роль играет толщина стенки шунта. Ее определение связано с максимальным допустимым нагревом за счет импульсного тока. При частотах выше 1ГГц длина трубки уже не может, как правило, считаться короткой по сравнению с длиной волны. В этих случаях активный элемент шунта выполняется в виде шайбы, перпендикулярной оси токоведущей коаксиальной системы, в результате чего достигается очень хорошее высокочастотное согласование измерительного кабеля. Конструкция Рис. 6. Конструкция такого шунта приведена на рис.6. где шунта с активным токоподвод 1 соединяется с шайбой 2, 3 – элементом в виде изолятор, 4 – провод с измерительным шайбы сигналом, 5 – коаксиальный разъем. Такой шунт может использоваться для измерения очень высокочастотных токов с ограниченной длительностью, так как время нарастания реакции на прямоугольный импульс порядка 1 нс. Измерение импульсных токов с помощью пояса Роговского. Импульсный ток вызывает образование вблизи проводников переменного электромагнитного поля. Магнитное поле индуктирует в 8 витках катушки, охватывающей провод с током, напряжение Ui(t), пропорционально производной тока di1(t)/dt (рис. 5.5). С помощью интегрирующей схемы, на которую подается сигнал с катушки, можно получить импульс напряжения, пропорциональный измеряемому току. Принцип действия пояса Роговского (трансформатора тока) основан на законе полного тока: BdS 0i . (16) c Линейный интеграл магнитной индукции В пропорционален полному току, заключенному внутри контура интегрирования по замкнутой Рис. 7. Схема пояса кривой. Путь интегрирования может быть Роговского любым, однако он должен быть замкнутым и охватывать измеряемый ток. Индуктированное при изменении магнитного поля напряжение в катушке, навитой вокруг силовых линий, с числом витков n и площадью витка S равно U 1( t ) Mdi1( t ) / dt , (17) где М – коэффициент взаимной индукции между проводником с током i1 и катушкой. Получить напряжение UM(t), пропорциональное току i1(t), можно при помощи пассивной схемы, состоящей из LR или RC контура (рис. 8, а, б), если i2(t)< i1(t). При интегрировании RL-цепочкой (рис. 8, а) катушка присоединяется к сопротивлению R. Если соблюдается условие L(R+RS), где RS – сопротивление катушки, то ток в RLцепочке будет определяться индуктивным сопротивлением. В этом случае UM(t) RMi1(t)/L. Рис. 8. Принципиальные схемы с интегрирующей RLцепочкой (а) 9и RC-цепочкой (б) (18) При интегрировании RC-цепочкой (рис. соблюдаться условие 1/НСR и ВL<<R, тогда UM(t) MI1(t)/RC. 8.6, б) должно (19) Быстро изменяющееся электромагнитное поле всегда связано с электрическим полем. Для ослабления нежелательных емкостных связей, катушка пояса экранируется. Экран должен иметь разрез, чтобы он не представлял короткозамкнутый виток. Для соединения катушки пояса с осциллографом желательно использовать коаксиальный кабель с двойной оплеткой. Внешняя оплетка припаивается к экрану катушки, и вместе с ним по всей длине кабеля они должны быть изолированы от остальных элементов измерительной цепи, чтобы не создавать токи в оболочке кабеля и заземленных петлях, связанных с оболочкой. Заземлять измерительную схему следует только в одной точке у осциллографа. 2. Описание экспериментальной установки Принципиальная электрическая схема установки представлена на рисунке 3. В схеме предусмотрена зарядка высоковольтных конденсаторов типа ИМ-50-3 от зарядного устройства, состоящего из регулировочного трансформатора АТ, высоковольтного трансформатора Т на рабочее напряжение 50 кВ и выпрямителя V на рабочее напряжение. Для защиты выпрямителя и трансформатора предусмотрено токоограничивающее (защитное) сопротивление R. 10 Рис.9. Принципиальная электрическая схема установки АT – автотрансформатор; Т – высоковольтный трансформатор; V – выпрямитель высоковольтный; R – защитное сопротивление; С1-С 4– высоковольтные конденсаторы; Р – шаровой разрядник; RД– омический делитель напряжения; RШ – токовый шунт; Генератор состоит из 4 высоковольтных конденсаторов, рассчитан на амплитуду до 50 кВ. Емкость одного конденсатора равна С=3мкФ. Суммарная емкость конденсаторов равна С=12мкФ . Время зарядки конденсаторов tз =60 сек. Генератор смонтирован на опорных изоляторах. Шаровой разрядник, закрепленный в изолирующей трубе, перемешается вручную. Плавная регулировка позволяет изменять амплитуду импульсов напряжения на выходе генератора от 1 до 50 кВ. Он использовался для снятия вольт-амперных характеристик нелинейных элементов вентильных разрядников. Для регистрации тока в нагрузке используется активный шунт. Сигнал с регистрирующих элементов подается на электронный осциллограф. 3. Порядок выполнения работы 1. Ознакомиться с принципом работы, устройством ГИТ, мерами, обеспечивающими безопасность проведения работы. 2. Ознакомиться с использующимися для регистрации тока элементами и их градуировкой. 3. Подготовить осциллограф к работе. 4. Провести регистрацию кривой разрядного тока для колебательного и периодического режимов работы ГИТ, включив сопротивление нагрузки определенной величины (по указанию преподавателя). 5. Повторить пункт 4 для нескольких сопротивлений. Данные занести в таблицу. 6. Определить R и L разрядного контура ГИТ. 7. Провести компьютерное моделирование режимов работы ГИТ, используя результаты эксперимента и формулы 1- 9. Данные занести в таблицу. 8. Проанализировать полученные результаты, рассмотреть достоинства и недостатки используемых в работе методов измерения импульсных токов, сравнить экспериментальные результаты и компьютерного моделирования режимов работы ГИТ. Таблица 11 № п/п R,Ом L, мкГн I,А U,кВ W,Дж P, вт 4. Содержание отчета 1. Привести принципиальную схему установки и объяснить назначение ее элементов. 2. Привести осциллограммы колебательного, апериодического разряда. 3. Привести пример определения значение сопротивления и индуктивности разрядного контура. 4. Привести данные компьютерного моделирования различных режимов 5. Ответить на контрольные вопросы 5. Контрольные вопросы 1. Принцип действия и назначение ГИТ. 2. Какое влияние оказывает сопротивление разрядной цепи и нагрузки на параметры разрядного тока? 3. Методы регистрации тока в разрядном контуре ГИТ. 4. С чем связана погрешность при измерении тока с помощью шунтов и меры по ее снижению. 5. Опасен ли пробой одного из конденсаторов накопителя ГИТ в процессе его работы? 12 2. ФОРМИРОВАНИЕ ВЫСОКОВОЛЬТНЫХ ИМПУЛЬСОВ С ПОМОЩЬЮ ВЗРЫВА ПРОВОДНИКОВ Цель работы: Ознакомиться с электрическим взрывом проводников и индуктивным накопителем энергии, используемыми для формирования импульсов высокого напряжения. 1. Общие сведения Развитие ускорительной техники, получение высокотемпературной плазмы и решение других задач физики требуют увеличение энергии импульсов до 10-100 МДж при развиваемой мощности до 10 ТВт. Анализ различных методов формирования высоковольтных импульсов с помощью емкостных накопителей энергии показывает, что создание конденсаторных установок с указанными параметрами представляет собой практически неразрешимую задачу. Из-за малой плотности энергии (80 кДж/м3) установки оказываются громоздкими, и в них трудно добиться малой индуктивности при обеспечении достаточной электрической прочности изоляции. В индуктивных накопителях сравнительно просто обеспечить плотность энергии до 40МДж\м3, а при сжатии индуктивности с током взрывом ВВ плотность энергии может быть увеличена до 0,5 ГДж/м3. Применение индуктивного накопителя энергии (ИНЭ) требует быстродействующего высоковольтного выключателя больших токов: чтобы использовать накопленную в индуктивности энергию, необходимо разорвать индуктивную цепь с большим током и переключить этот ток на нагрузку. L K2 K1 ЗУ Рис. 1. Принципиальная схема генератора с ИНЭ 13 ZН Работа генератора с ИНЭ осуществляется следующим образом. При замкнутом состоянии коммутатора К1 и разомкнутом К2 (рис. 1) через индуктивность протекает ток и запасается энергия магнитного поля. При размыкании К1 и замыкании К2 часть этой энергии выделиться в нагрузке. При выборе зарядного устройства (ЗУ) необходимо учитывать важное достоинство схемы с ИНЭ и быстрыми прерывателями тока возможность повышения напряжения на нагрузке при обрыве тока по сравнению с напряжением зарядного устройства (U0). В зависимости от параметров контура и скорости обрыва тока через прерыватель коэффициент увеличения напряжения меняется от 0,1 до 20. Для увеличения энергии, запасаемой в ИНЭ и выделяемой в нагрузке, а также для увеличения мощности в нагрузке, ЗУ должно обладать достаточно малым внутренним сопротивлением. В качестве ЗУ могут использоваться следующие генераторы импульсного тока: генераторы на основе емкостных накопителей энергии, синхронные и ударные генераторы, взрывомагнитные генераторы, химические источники тока. Использование ЕНЭ в качестве зарядного устройства целесообразно, если в нагрузке необходимо развить мощность ~ 1011 Вт при напряжении порядка (105 ÷106) В. В качестве ИНЭ обычно используются однослойные цилиндрические соленоиды или собственная паразитная индуктивность контура ЗУ-НЭ-К1 (рис.1). Ошиновка контура и соленоид выполняются из высокопроводящих материалов, так как для увеличения коэффициента полезного действия контур должен обладать малым активным сопротивлением, много меньшим волнового сопротивления. Прерыватель тока К1 является наиболее трудновыполнимым элементом в данном генераторе. К нему предъявляются следующие требования. 1. В замкнутом состоянии прерыватель должен обладать малым сопротивлением R(0) = 0, L (0) = 0, а в разомкнутом - R = , L = . Проводимость прерыватель должен потерять в момент максимума тока. 2. Скорость нарастания сопротивления должна быть большой, так как амплитуда формируемого импульса U ~ L dI/dt . 3. В разомкнутом состоянии прерыватель должен выдерживать импульс напряжения. 14 В настоящее время в генераторах с ИНЭ используются размыкатели, работающие по следующим принципам: 1. Разрывание контактов либо искры (дуги, тлеющего разряда) под действием поступательного движения или вращательного движения электродов. Прерывателями этого типа являются электромеханические и электродинамические размыкатели (движение электродов осуществляется под действием силы электромагнитного поля). Они способны отключать большие токи, но имеют большое время переключения (10-4 ÷ 10-1)с. 2. Нарушение механической сплошности металлического прерывателя при воздействии внешних источников: взрыва или удара. С помощью взрывных прерывателей отключают токи до 107 А за время >10-6 с. 3. Нарушение механической сплошности проволочек или фольг при тепловом воздействии протекающего через них прерываемого тока – электрически взрываемые проводники (ЭВП). С помощью ЭВП отключают токи до 105 А за время (10-8 ÷ 10-5) с. 4. Вырождение сверхпроводимости под влиянием либо теплового действия прерываемого тока, либо магнитного поля. Прерываемые токи до 105 А за время (10 ÷ 100) нс. Основное преимущество – многократность действия. Генераторы с индуктивнми накопителями энергии имеют следующие достоинства: Высокие значения запасаемой энергии в ИНЭ и малую стоимость его и размеры. Возможность увеличения амплитуды импульса напряжения на нагрузке, а значит снижение стоимости и размеров зарядного устройства ИНЭ. Генераторы с ИНЭ позволяют менять амплитуду импульса на нагрузке за счет изменения только параметров прерывателя. Существенным недостатком таких генераторов является то, что прерыватели с напряжением больше 105 В – однократного действия. 2. Явление электрического взрыва проводников. В качестве быстродействующего выключателя в лабораторной работе используется электрически взрываемый проводник. Для выбранного напряжения Uo, емкости С генератора и индуктивности контура Lк (рис. 2,а) можно подобрать материал, диаметр, длину ВП так, чтобы при взрыве возникала пауза тока ПТ (рис. 3). При этом взрывное испарение проводника приводит к образованию 15 непроводящего канала паров и отключению тока в разрядной цепи. С расширением канала паров давление в нем падает и, если для одного из текущих давлений остаточное напряжение Uпт на конденсаторе оказывается равным пробивному, происходит вторичный дуговой разряд по парам взорванного проводника. а б Рис. 2. Разрядный контур, применяемый для взрыва проводников (а), и контур для исследования параметров импульса, возникающих на соленоиде при отключении ВП (б) Рис . 3. Осциллограмма напряжения на ВП (а) и тока в контуре (б) при взрыве с паузой тока. 1 – импульс тока через взрываемый проводник, 2 – пауза тока, 3 – дуговая стадия разряда по парам ВП, 4 – импульс напряжения, возникающий при отключении тока. Быстрая потеря проводником металлической проводимости при взрыве и высокая начальная электрическая прочность промежутка с ВП вызывают появление на индуктивности контура импульса напряжения 16 Uи Lk di dt Ограничим круг пригодных материалов, сравнивая их температуру кипения и работу выхода электронов. Если температура кипения металла достаточно высока, то еще до взрыва по поверхности проводника за счет термоэмиссии развивается шунтирующий разряд, и отключения тока не происходит. Экспериментально показано, что в нормальных условиях не удается получить взрыв с ПТ на вольфраме, молибдене, тантале и цирконии, Очевидно, эти металлы не пригодны для отключения тока. Чтобы передача энергии от первичного накопителя в Lк была высокоэффективной, следует брать металл с возможно меньшим удельным сопротивлением например, серебро, медь, золото, алюминий, цинк. Для передачи энергии в нагрузку необходимо нагреть проводник до температуры кипения и испарить его. Так как энергия, затраченная на нагрев и испарение, снижает к.п.д. установки, желательно иметь металл с малой теплотой нагрева до температуры кипения и теплотой испарения. Заметим, что сумма этих теплот близка к теплоте сублимации металла. Если учитывать только эти характеристики, то произведение удельного сопротивления на сумму теплот нагрева и испарения (температурный коэффициент сопротивления металла с высокой проводимостью имеет примерно равную величину), видимо можно принять за параметр, характеризующий пригодность металла. Расчеты показали, что наименьшее произведение и теплоты сублимации имеют серебро, золото, алюминий, цинк, медь. В таблице 1 приведены параметры импульсов напряжения, полученные в работе [1] при взрыве медных, серебряных, и алюминиевых проволочек в контуре с C=1,2 мкФ, Uo=7 кВ (рис.2.б). Сравнение показывает, что лучшим для отключения является серебро, затем следует медь и алюминий. Для медных проволочек установлено, что зависимость амплитуды импульса от длины ВП имеет максимум. Отмечается, что максимальная амплитуда импульса Uим набдюдается при длине проводника, обеспечивающей паузу тока длительностью t~0. 17 Параметры импульсов Таблица 1. Материал проволочки, диаметр, мм Параметры Медь Медь Серебро Алюминий 0,10 0,08 0,10 0,10 -6 LС = 4,810 Г 0,4 0,35 0,35 0,55 0,5 0,45 0,4 0,75** l, м 0,55* 0,475* 0,48* 0,95* 0,6 0,55** 0,55 1,1 0,7** 0,65 0,65** 1,2 2,2 1,8 2,25 1,75 2,2 1,75 2,2 1,75 3 Iм·10 ,А 2,18 1,72 2,2 1,63 2,15 1,72 2,2 1,6 2,1 1,7 2,15 1,6 -6 LС = 2,310 Г 0,3 0,3 0,25 0,55 0,35 0,35 0,35 0,6** l, м 0,375* 0,375* 0,375* 0,675* 0,45** 0,45** 0,45 0,7 0,55 0,55 0,53** 0,8 2,9 2,4 2,9 2,15 2,85 2,4 2,9 2,15 3 2,85 2,35 2,87 2,1 IМ10 , А 2,85 2,2 2,87 2,05 2,8 2,2 2,85 2,0 Примечания. Импульсы напряжения регистрировались по схеме рис. 1,б. LК = 0,3510-6 Г. Звездочкой отмечена критическая длина проволочки, двумя звездочками – оптимальная длина. Назовем эту длину критической lк. Установлено, что для медных и алюминиевых проволочек наибольшая амплитуда напряжения наблюдается при длине, несколько большей lк (см. табл. 1). Как видно из осциллограмм (рис.3), при lк ток отключается и сразу же переходит в ток дугового разряда, тогда как при длине lопт, обеспечивающей получение импульса Uим, ток полностью отключается и некоторое время (примерно 0.5 ÷ 1 мкс) I = 0. Из данных табл.1 видно, что фронт 18 импульса возрастает с увеличением l, а наибольшая длительность импульса имеет место при l ~ lопт. Таким образом, длина проводника, обеспечивающая полное отключение тока, позволяет получить наибольшую амплитуду напряжения при наибольшей его длительности. Оптимальная длина проводника зависит от материала и возрастает от серебра к меди и алюминию. В многочисленных исследованиях было показано, что резкое увеличение сопротивления ЭВП начинается во время разлета проводника. Тогда из простых физических соображений следует, что при прочих равных условиях большая скорость нарастания сопротивления должна получаться на проводниках, геометрия которых обеспечивает наиболее быстрое расширение всей массы взрываемого металла. Прерыватель из тонких параллельных проволочек позволит получить меньшее время отключения и значительно большую мощность, чем один цилиндрический проводник или фольга с равным сечением. Исследование характеристик ЭВП в различных средах показало, что с увеличением плотности среды падают скорость нарастания и конечное сопротивление прерывателя, а поглощаемая им энергия возрастает. Однако, повышение давления окружающего газа в области (0,525)105 Па практически не ухудшает коммутационные характеристики из-за большой разницы между плотностями газа и расширяющимися продуктами взрыва. Рис. 4. Осциллограммы тока при взрыве медной проволочки диаметром 0,08 мм. U0 = 7103 В, С = 1,210-6 Ф, Lк = 610-7 Г. а) l= lОПТ = 23 мм; б) l= lК = 20 мм; в) l= 15 мм; калибровочная частота f = 11,5106 Гц. 19 Так как электрическая прочность газа существенно повышается с увеличением давления, то появляется возможность уменьшить габариты прерывателя за счет зигзагообразного расположения проводника. 3. Применение теории подобия к исследованию электрического взрыва проводников Теория подобия и моделирования дает возможность при минимальной информации о механизме явления уменьшить число переменных, установить вид зависимости искомых величин от критериев подобия и обобщить полученные зависимости на весь класс подобных явлений. Расчет по критериям подобия позволяет любому инженеру, знакомому с рассматриваемыми явлениями, оперативно и с достаточной для конструирования точностью оптимизировать схему по выбранному параметру и прогнозировать основные ее характеристики, такие, как амплитуда и длительность импульсов тока и напряжения, энергия, переданная в нагрузку, и т.д. LC -контур со взрывающимся проводником (ВП) характеризуется рядом величин: индуктивность L, емкость С, зарядное напряжение U0, диаметр проволочек d, их длина l, количество n, общее сечение S. В набор также входят величины, характеризующие материал проволоки: удельное сопротивление , удельная энергия сублимации (или связи) на единицу объема еS, удельное действие взрыва h (это величина 1 S 2 tв I 2 dt , 0 где tВ – момент взрыва, I – ток через ВП). V – характерная скорость разлета вещества при взрыве. Из этих величин можно составить три безразмерных комплекса подобия: П1 l ; S Z П2 С U 2 S2 Z h ; П3 V LC , d (1) где Z L / C - характеристическое сопротивление LC -контура; S = n d2/4 – сечение проводников, n – число параллельных проводников. Безразмерные величины, определяющие поведение ВП в ходе взрыва, на стадии нагрева (до начала собственно взрыва, или начала напряжения ) зависят от первых двух критериев, а на стадии собственно 20 взрыва – от всех трех. Эти безразмерные величины можно записать в следующем виде: y I Z - ток, U0 t / L C - время, U W - напряжение, - энергия W0 U0 W C U 02 (по отношению к запасенной в контуре W0 ), или - энергия S l es 2 (по отношению к энергии сублимации), и ряд других. Т.е. можно записать, например: Um f 2 ( П1 , П 2 , П3 ) U0 уm f1( П1 , П 2 ), и т.д. Здесь уm – максимум тока, Um – максимум напряжения. Если исследовать один металл, то в комплексах (1.72) постоянные 0, е0, 0, характеризующие металл, можно опустить, тогда получится три размерных параметра: l nd2 Z , Ом-1, мм-1, L C d C U 02 n d 2 2 Z , мкс мм Дж , 4 мм Ом , (2) Начальные факторы имеют размерность: l и d – мм, С – мкФ, L – мкГн, L C - мкс. Проведенные исследования показали, что все характеристики контура LC с ЭВП моделируются параметрами (2.1) с погрешностью 20 % в широкой области изменения начальных факторов: U0 = 1500 кВ, C = 0,1 2000 мкФ, L = 0,4 50 мкГн, n = 1 80, d = 0,04 1 мм, l = 4 2600 мм. До начала взрыва характеристики зависят только от и . Формулы имеют степенной вид I Z уm m A 10 6 1 / 3 U0 m tm L C B 10 6 1 / 3 , 21 (3) (4) где Im - амплитуда тока в контуре, tm - время до максимума тока. Коэффициенты А и В и показатели и имеют значения, приведенные в табл. 2.1. Материал Сu Al - 0,25 - 0,31 A 0,9 0,78 Таблица 2. - 0,31 - 0,3 B 1,72 0,9 Наибольшая скорость роста сопротивления ЭВП и мощности достигаются при длине проводника, близкой к критической. Критическая длина проводника lк обеспечивает паузу тока нулевой длительности. С изменением длины l в (1) изменяется только параметр , причем минимальное значение l определяется прочностью перекрытия по поверхности проводника до его взрыва, а максимальное – из условия, что проводник не взрывается, если введенная энергия недостаточна для взрыва. Для медных проводников выражение критической длины имеет вид к l кр nd2 Z 1,35 10 3 10 6 0,36 , (5) Поглощенная проводников энергия Wn 0 ,5 W0 ( 10 6 )0 ,5 (6) Ток в момент максимума напряжения при = к I м 0,75U 0 ( 10 6 )0 ,3 / Z (7) Таким образом, можно рассчитать характеристики LC -контура с ЭВП к моменту максимума тока, максимума напряжения и др. Кроме того, можно выбрать тип взрыва с паузой тока, без нее, с паузой тока нулевой длительности. При переключении контура с ЭВП на активную нагрузку к параметрам (1) добавляются еще два: момент подключения нагрузки и ее сопротивление. Кроме того, анализ полученных зависимостей позволяет 22 определить максимальную мощность, развиваемую в ИН с ЭВП – прерывателем тока на активной нагрузке. 4. Порядок работы 1. Ознакомиться со схемой установки и инструкцией по ТБ. Укрепить проволочку на держателе, зарядить емкость С до напряжения Uo. Произвести взрыв. На осциллографе получить сигнал с датчика тока и делителя напряжения. 2. Используя моделирования ЭВП для контуров с параметрами С=1,2 мкФ, U0=7 кВ, LК=4,8 мкГн и LК=2,3 мкГн определить Imax и tmax для заданных размеров проводника из меди. Размеры проволочки (длину и диаметр) взять из экспериментальных данных. Повторить эксперимент для проводника из алюминия. 3. Определить критическую длину проводника для 1, 5, 10, проволочек. Суммарный диаметр остается постоянным. 4. Занести результаты моделирования в табл.3. N п/п d, мм lКР, см l, см Imax, кА tmax, мкс Таблица 3 Примечан ие 5. Содержание отчета 1. Привести принципиальную схему установки. 2. Занести результаты эксперимента и результаты компьютерного моделирования в таблицу 3. 3. Проанализировать результаты и сделать выводы. 6. Контрольные вопросы 1. Что понимается под термином "электрический взрыв проводника"? 2. Какие факторы влияют на электрический взрыв проводника? 3. Чем определяется длительность паузы тока? 4. Чем обусловлен выбор проводников, использующихся для обрыва цепей? 5. Что дает использование ЭВП в емкостных накопителях энергии? 23 Литература 1. Ю.А. Котов, Н.Г. Калганов, В.С. Седой. Формирование высоковольтных импульсов с помощью взрыва проводников. Сб. статей «Мощные наносекундные импульсные источники ускоренных электронов» под ред. Г.А. Месяца, Наука, Новосибирск, 1974, 167 с. 2. Ю.А. Котов, А.В. Лучинский. Усиление мощности емкостного накопителя энергии прерывателем тока на электрически взрываемых проводниках. Сб. статей «Физика и техника мощных импульсных систем» по ред. Е.П. Велихова, Энергоатомиздат, 1987, 352 с. 3. Г.А. Месяц. Генерирование мощных наносекундных импульсов. Москва, Сов. радио, 1974, 255 с. Формирование высоковольтных импульсов с помощью взрыва проводника Методические указания к лабораторной работе Составитель Мария Тимофеевна Пичугина Подписано к печати Формат 60х84/16. Бумага писчая № 2. Плоская печать. Усл. печ. л. . Уч.-изд. п. л. Тираж экз. Заказ № . Цена свободная. ИПФ ТПУ. Лицензия ПТ N 1 от 18.07.94. Ротапринт ТПУ. 634004, Томск, пр. Ленина 24 .
