Автореферат: Быстрые ступени линейного трансформатора (LTD) с масляной изоляцией

Запуск разрядника осуществляется подачей пускового импульса на средний промежуточный электрод, который при зарядке имеет нулевой потенциал.

Коммутационная характеристика разрядника исследовалась в контуре, содержащем два конденсатора GA35436 (8 нФ, 100 кВ), заряженных в противоположной полярности, которые при срабатывании разрядника включались последовательно на резистивную нагрузку R_L ~ 5-20 Ом, выполненную в виде набора резисторов ТВО-20. Напряжение на нагрузке регистрировалось с помощью высоковольтного делителя напряжения и использовались в дальнейшем для сравнения с расчетами, для которых использовалась программа PSpice.

Было проведено две серии расчетов. В первой серии разрядный контур, включая разрядник, замещался эквивалентной схемой на линейных элементах, показанной на рис. 4. Здесь С₂ -емкость двух последовательно включенных конденсаторов, заряженная до напряжения 2U_S, где U_S - амплитуда зарядного напряжения каждого конденсатора, R₂ - внутреннее сопротивление конденсаторов, L₂ - индуктивность конденсаторов, L_L -индуктивность нагрузки, резистор 114 Ом - эквивалентное сопротивление делителя напряжения. Постоянные R_SW и L_SW - сопротивление и индуктивность разрядника, которые определялись из сравнения расчетных

Рис. 4. Схема RLC-контура на линейных элементах, использованная для определения эквивалентных сопротивления R_SW и индуктивности L_SW разрядника в зависимости от протекающего через него тока.

осциллограмм напряжения на нагрузке с зарегистрированными в эксперименте. На рис. 5 показаны, для примера, расчетная и экспериментальная осциллограммы при U_S=100 кВ, R_L =8.7 Ом по окончании итерационного процесса сравнения при R_SW = 0.2 Ом, L_SW =70 нГн.

Описанная первая серия расчетов показала, что эквивалентные сопротивление и индуктивность разрядника падают при увеличении протекающего по нему тока (рис. 6 и 7, соответственно).

Если падения сопротивления можно было ожидать, то падение индуктивности разрядника с ростом тока требовало объяснения. Для этого была выполнена вторая серия расчетов с использованием схемы с нелинейными элементами, показанная на рис. 8.

Рис. 6. Зависимость эквивалентного сопротивления разрядника R_SW от протекающего по нему тока. Серыми треугольниками показаны данные, полученные при U_S=100 кВ, черными квадратами - при 90 кВ, черными треугольниками - при 80 кВ, серыми квадратами - при 70 кВ, черным точками - при 60 кВ.

Рис. 7. Зависимость эквивалентной индуктивности разрядника L_SW от протекающего по нему тока. Серыми треугольниками показаны данные, полученные при U_S=100 кВ, черными квадратами - при 90 кВ, черными треугольниками - при 80 кВ, серыми квадратами - при 70 кВ, черным точками - при 60 кВ.

Здесь разрядник представлен в виде индуктивности L_SW = 60 нГн (минимальное значение, к которому сходятся индуктивность разрядника при больших токах) и блока RBR, представляющего собой нелинейное сопротивление разрядника R_BR, расcчитанное согласно

(1)

где р - давление сухого воздуха в разряднике в ата, d=3.6 см - суммарная длина искрового промежутка, I - ток через разрядник в А, t - время в с, R_BR - сопротивление в Ом. Отметим, что при = 2/3 выражение (1) совпадает с сопротивлением искрового канала в сухом воздухе по модели С.И. Брагинского.

Рис. 8. Схема Pspice, моделирующая разрядник в виде последовательного включения постоянной индуктивности L_SW и нелинейного сопротивления R_BR, рассчитанного по (1) при = 0.85.

Вторая серия расчетов показала, что при = 0.85 результаты расчета с точностью не хуже 10% (по величине зарядного напряжения) позволяют воспроизвести (как на рис. 5) все осциллограммы напряжения на нагрузке, полученные в эксперименте, т.е. объяснить графики, представленные на рис. 6 и 7. Соотношение (1) представляет собой коммутационную характеристику разрядника, при этом идеальному разряднику соответствует = (при этом сопротивление R_BR обращается в нуль при любом отличном от нуля токе). Конечная величина свидетельствует о несовершенстве коммутационной характеристики, что проявляется во внесении в разрядный контур, как дополнительного сопротивления, так и дополнительной индуктивности, зависящих от протекающего по разряднику тока.

Схема на рис. 8 (без резистора 114 Ом) при = 0.85 была использована для определения потерь энергии в разряднике и эффективности передачи энергии в согласованную нагрузку в зависимости от емкости накопительных конденсаторов секции. Расчет проводился для определения того, насколько коммутационная характеристика разрядника ограничивает возможность снижения длительности выходного импульса ступеней LTD за счет снижения емкости конденсаторов. Результаты расчета приведены в Таблице 1, где С₂ - эквивалентная емкость двух последовательно включенных накопительных конденсаторов, каждый из которых заряжен до напряжения U_S = 100 кВ, R_М - согласованная нагрузка (т.е. нагрузка, на которой мощность достигает максимального значения P_MAX), _ф - длительность фронта импульса напряжения на нагрузке, Е₀ - запасенная энергия, E_R2 - энергия потерь в сопротивлении конденсаторов R₂, E_SW - энергия потерь в разряднике, E_RМ - энергия, переданная в нагрузку R_М, _R2 = 100E_R2/E₀ - доля потерь полной энергии в сопротивлении конденсаторов, _SW = 100E_SW/E₀ - доля потерь полной энергии в разряднике, = 100E_RМ/E₀ - эффективность передачи энергии из накопителя в нагрузку R_М.

Таблица 1. Характеристики нелинейного RLC-контура на рис. 8 при разряде на согласованную нагрузку в зависимости от емкости накопительных конденсаторов.

Из таблицы 1 следует, что при уменьшении C₂ доля потерь энергии в разряднике увеличивается, а доля потерь энергии в сопротивлении конденсаторов падает. В результате этих двух противоположных тенденций эффективность передачи энергии в согласованную нагрузку контура остается на примерно одном и том же уровне (~76-81%). При С₂ = 20 нФ схема на рис. 8 примерно соответствует схеме секции с конденсаторам GA35426 (40 нФ, 0.27 Ом, 25 нГн, 100 кВ), которые используются в ступени LTD, описанной в Главе 3. При С₂ = 4 нФ схема на рис. 8 примерно соответствует схеме секции с конденсаторами GA35436 (8 нФ, 0.3 Ом, 35 нГн, 100 кВ), которые используются в ступени LTD, описанной в Главе 4. Из таблицы следует, что в том и другом случае предельная эффективность перевода энергии из накопителя в согласованную нагрузку примерно одинакова и составляет ~80%. Эти расчеты подтверждаются экспериментами (см. далее), в которых получена эффективность ступеней LTD на уровне ~70-75%.

Из таблицы 1 следует, что при снижении емкости конденсаторов до единиц нФ эффективность остается на уровне ~75%. При С₂ = 1 нФ напряжение на согласованной нагрузке равно ~97 кВ, длительность импульса на полувысоте ~30 нс. Таким образом, с помощью технологии LTD можно строить установки с с длительностью на полувысоте выходного импульса напряжения до ~ 30 нс и эффективностью до ~70%.

Рис. 9. Конструкция ступени 1MA LTD: 1 - индуктор, 2 - разрядник типа Fast LTD, 3 - пусковой провод, 4 - центральный изолятор, 5 - конденсаторы секции (GA 35426), 6 - один из двух боковых изоляторов, 7 - ферромагнитный сердечник, 8 - изолятор масло-вакуум, 9 - разрез индуктора.

В третьей главе дано описание, а также результаты испытаний и моделирования быстрой ступени LTD (ступень 1МА LTD) с мощностью ~100 ГВт и током ~1 МА, нарастающим в согласованной нагрузке за время ~100 нс.

Ступень 1МА LTD содержит 40 идентичных секций, расположенных равномерно вокруг оси ступени. Каждая секция состоит из двух конденсаторов GA35426 (100 кВ, 40 нФ, 25 нГн, 0.27 Ом ), искрового разрядника типа Fast LTD и плоских шин, соединяющих конденсаторы секции с разрезом индуктора. На рис. 9 показано сечение ступени в плоскости одной из секций, на рис. 10 - фотография ступени при снятом боковом фланце и изоляторе. Ступень имеет форму диска с внешним диаметром ~3 м и высотой ~22 см. Полный вес ступени, заполненной трансформаторным маслом, составляет ~2.5 тонны.

Ступень 1 МА LTD испытывалась с низкоиндуктивной резистивной нагрузкой, выполненной в виде кольцевой полости вблизи разреза индуктора, заполненной водным раствором NaCl. В ходе испытаний регистрировались: ток через нагрузку I_L - калиброванным магнитным зондом; активная составляющая напряжения на нагрузке U_L - с помощью выносного резистивного делителя напряжения с входным сопротивлением 75 Ом; ток в контуре сердечника I₁ - калиброванным магнитным зондом. Сопротивление нагрузки рассчитывалось как R_L = U_L/I_L, величина R_L варьировалась в пределах ~0.05-0.2 Ом изменением концентрации NaCl в растворе. Отметим, что в описываемых испытаниях использовалась самая первая ступень типа 1МА LTD, у которой ферромагнитные кольца были намотаны анизотропной электротехнической ленты марки ЭТ3425 толщиной 80 мкм, при этом полное сечение стали в сердечнике равнялось S = 56 см². Вольт-секундный интеграл этого сердечника при пассивном подмагничивании равнялся .

Рис.10. Фотография ступени 1МА LTD в процессе сборки.

Результаты испытаний при зарядном напряжении U_S=100 кВ приведены на рис. 11-14 в виде зависимости амплитуды импульса напряжения на нагрузке, максимальной мощности в нагрузке, длительности фронта импульса мощности на нагрузке, и энергии, выделенной в нагрузке, от величины сопротивления нагрузки R_L.

Рис. 11. Напряжение на нагрузке.

Рис. 12. Мощность на нагрузке.

Рис. 13. Время нарастания импульса

Рис. 14. Энергия E_L, поглощенная в мощности на нагрузке.

Точками показаны экспериментальные данные, сплошными кривыми - результаты расчетов в Pspice, описанные ниже. Выходная мощность достигает максимума ~ 96 ГВт при R_L ~ 0.1 Ом, указывая, что данная нагрузка является согласованной для разрядного контура ступени 1МА LTD. Напряжение на такой согласованной нагрузке составляет ~100 кВ (ток ~1 МА), длительность фронта импульса мощности на нагрузке ~ 90 нс.

На рис. 14 энергия, поглощенная в нагрузке, рассчитана по формуле:

, (2)

где, t₀ - момент времени, когда напряжение на нагрузке первый раз обращается в нуль. В согласованном режиме при R_L ~ 0.1 Ом эта энергия достигает максимума E_L ~ 11.4 кДж, что соответствует эффективности передачи энергии из накопителя в нагрузку ~ 71%. При больших R_L энергия E_L уменьшается, причем в эксперименте это падение происходит заметно быстрее, чем в расчете. Результаты испытаний (см. рис. 15-16) позволяют утверждать, что это расхождение происходит из-за насыщения сердечника ступени при больших R_L, которое не учитывалось при расчетах в PSpice.

Рис. 15. Напряжение на нагрузке и ток в контуре сердечника, а также

Сплошные кривые на рис. 11-14 дают результаты расчетов выходных характеристик ступени 1MA LTD, выполненных в PSpice для линейного RLC контура, показанного на рис. 17.

Для ступени 1MA LTD параметры этого контура принимались равными:

С = 800 нФ

=0.5С_КN, С_К = 40 нФ - емкость конденсатора GA35426, N = 40 - число секций в ступени 1МА LTD; U₀=100 кВ.

R₁=0.0165 Ом

=[2R_K + R_SW]/N, R_K = 0.27 Ом - внутреннее сопротивление конденсатора GA35426, R_SW = 0.12 Ом;

L₁ = 6 нГн

=L_i/N, L_i = 240 нГн;

R_CORE = 0.65 Ом