автореферат диссертации по энергетике, 05.14.12, диссертация на тему:Мощные неоднородные формирующие линии высокого напряжения микро- и наносекундного диапазона для создания на малоомной нагрузке импульсов, близких по форме к прямоугольным

шкт-Петербургский государственный технический университет

На правах рукописи УДК 621.319.4

РГБ ОД

КОЖЕВНИКОВ Михаил Николаевич

, ? ^ т 2000

МОЩНЫЕ НЕОДНОРОДНЫЕ ФОРМИРУЮЩИЕ ЛИНИИ ЫСОКОГО НАПРЯЖЕНИЯ МИКРО- И НАНОСЕКУНДНОГО ИАПАЗОНА ДЛЯ СОЗДАНИЯ НА МАЛООМНОЙ НАГРУЗКЕ М ПУЛЬСОВ, БЛИЗКИХ ПО ФОРМЕ К ПРЯМОУГОЛЬНЫМ

05.14.12 — Техника высоких напряжений

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Санкт-Петербург 2000

Работа выполнена на кафедре Инженерной электрофизики и техник высоких напряжений Санкт-Петербургского государственного техническог университета

Научный руководитель: доктор технических паук

профессор Г.С. Кучинский

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук

профессор С.Н. Койков

кандидат технических наук доцент И.П. Кужекин

Ведущее предприятие - ГП НИИ ЭФА им. Ефремова

^¿f 2000г. в '

Защита состоится " //" ^f^K/f 2000г. в часов на зассдаии диссертационного совета К.063.38.2Г Сашсг-Петербургского государственног

технического университета по адресу:___195251^ Санкт-Петербур1

Политехническая ул., 29 ас \

Отзыв на автореферат в двух экземплярах с подписями, заверенным] печатью, просим направлять по вышеуказанному адресу.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке университета.

Автореферат разослан " /fn ^ 2000г.

им-О!го

Ученый секретарь диссертации кандидат технических щ C.JI. Кулаков

ого совета К.063.38.21

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА. РАБОТЫ

Актуальность темы

Формирующие линии высокого напряжения находят широкое применение мощных электрофизических установках, где требуются импульсы напряжения я тока, близкие по форме к прямоугольным, с большой амплитудой (десятки сотни киловольт или килоампер), длительностью порядка десятков — сотен носекунд, с малыми длительностями фронта и спада (единицы - десятки на-секунд). Импульсы с такими параметрами используются, например, для на-чки мощных лазерных систем, для питания ускорителей заряженных частиц, мощной радиолокационной и рентгеновской технике, в некоторых видах искательных установок. До недавнего времени для получения таких импульсов пользовались коаксиальные или полосковые линии с жидким или твердым электриком. В последнее время нашли применение импульсные источники, полненные по схеме замещения однородной длипной линии с применением сций импульсных конденсаторов, изготовленных по стандартной технологии, иду малой толщины диэлектрика в таких установках применяются значи-шно большие значения удельной энергии, а значит они имеют существенно ньшие габариты и стоимость.

Однако, вследствие ограниченного числа ячеек в схеме замещения длина линии, а также влияния различных конструктивных особенностей линии с вменением конденсаторных секций, форма генерируемых импульсов может п.но ухудшаться по сравнению с импульсами, формируемыми линиями с :пределенными параметрами. В настоящей работе исследуется возможность шенения мощных искусственных формирующих линий с неодинаковыми )аметрами ячеек (неоднородных формирующих линий) для получения им-гьсов близких к прямоугольным при малом числе ячеек линии с учетом осо-шостей применения в них секций импульсных конденсаторов.

Цель и задачи работы

Целью данной работы является разработка методики нахождения парамет-I неоднородных формирующих линий для получения на согласованной на-зке импульсов, близких по форме к прямоугольным, разработка методики чета и конструкции мощных неоднородных формирующих линий высокого [ряжения для получения на малоомной нагрузке импульсов микро- и наносе-■дного диапазона.

Для достижения этой цели были намечены следующие задачи:

1. Разработка методики численной оптимизации простейшей цепе чечной схемы замещения длинной линии и схемы, учитывающей попере1 ные индуктивности ячеек, для получения импульса, близкого к прямоугош ному, при малом числе ячеек.

2. Определение основных конструктивных особенностей мощных ш кусственных линий с использованием конденсаторных секций, влияющих в форму импульса на нагрузке. Проведение оптимизации параметров схем ш однородных линий с различным числом ячеек, в которых поперечная инду! тивность задается различными способами и варьируется в широких пред£ лах.

3. Разработка методики расчета и конструкции мощных формирук щих линий с использованием секций импульсных конденсаторов, и изгото! ление макетов однородных и неоднородных формирующих линий для пс следующего исследования на низком и высоком напряжении.

4. Разработка низковольтного стенда для исследования формирующи линий, включающего установки для измерения малых индуктивностей и ем костей элементов линий и исследования импульса на нагрузке линии. Прс ведение исследования макетов линий на низком напряжении и сравнена экспериментальных данных с расчетными.

5. Разработка методики исследования формирующих линий на высс ком напряжении. Исследование макетов на высоком напряжении и сравне ние с результатами исследований на низковольтном стенде и с расчетом.

6. Разработка конструкции и методики расчета мощных формирук щих линий с использованием секций импульсных конденсаторов, выпол ценных по стандартной технологии, с учетом особенностей, присущих нео£ нородным искусственным формирующим линиям.

Методика исследований

Нахождение параметров ячеек схем неоднородных формирующих лини производилось по разработанной методики численной оптимизации схем заме щения длинных линий, основанной на минимизации специально построенног функционала. Для получения оптимальных значений элементов линий был раз работай графический итерационный метод нахождения начальных приближе ний параметров ячеек.

Экспериментальные исследования производились на упрощенных макетах юрмирующих линий, учитывающих основные конструктивные особенности гощных формирующих линий с использованием секций импульсных конденса-оров, выполненных по стандартной технологии.

Исследования работы линий на низком напряжении производились по ме-оду «зондирующего импульса» с применением генератора прямоугольных им-ульсов как источника питания линии. Метод позволяет исследовать импульсы а нагрузке линии с длительностями фронтов порядка 5 не без использования в хеме коммутатора. Измерение индукгивностей элементов линий производи-ось по методу «вольтметра-амперметра» с использованием частотного генера-ора тока и воздушного трансформатора. Метод позволяет с высокой степенью очноеги измерять индуктивности порядка единиц нГн.

Исследования работы линий на высоком напряжении производились мето-ом зарядки линии до рабочего напряжения и последующей разрядки на согла-эванную нагрузку через специально изготовленный твердотельный коммута-эр.

Научная иопнзна

Впервые для получения на нагрузке искусственной неоднородной форми-ующей линии импульса, близкого к прямоугольному, применен метода чис-енного подбора параметров ячеек линии исходя непосредственно из формы мпульса на нагрузке. Метод разработан совместно с сотрудниками кафедры ОЭ СПбГТУ. Для успешного решения задачи подбора параметров ячеек ли-ий разработан графический метод отыскания начальных приближений пара-етров ячеек. Проведен ряд машинных экспериментов по подбору параметров теек линий и найдены оптимальные параметры ячеек для простейшей цепо-гчной схемы линии и схемы с учетом поперечных индуктивностей ячеек, за-аваемых различными способами и варьируемых в широком пределе.

Разработана конструкция и методика расчета неоднородных формирую-(их линий с использованием секций импульсных конденсаторов, выполненных о стандартной технологии. Предложены рекомендации по выбору рабочей на-ряженности в изоляции секций неоднородных линий и по тепловому расчету годнородных линий.

Спроектированы и изготовлены макеты однородных и неоднородных фор-ирующих линий для исследования на низком и высоком напряжении. Макеты

линий были исследованы на специально спроектированных низковольтном к высоковольтном испытательных стендах. Исследования на низком напряжении проводились по схеме без использования коммутатора с применением генератора прямоугольных импульсов. Исследования на высоком напряжении проводились с применением изготовлепного простейшего твердотельного разрядника. Полученные по обоим вариантам исследований данные хорошо согласуются между собой и с расчетными данными.

Реализация результатов работы

Диссертационная работа являлась частью научно-исследовательских работ, выполняемых по грантам Министерства общего образования РФ, и в соответствии с Федеральной целевой программой «Интеграция». В результате работы разработал, изготовлен и исследован ряд макетов однородных и неоднородных формирующих линий с использованием секций импульсных конденсаторов, выполненных по стандартной технологии. Результаты исследований использовались при изготовлении формирующих линий на опытном производстве кафедры ИЭ и ТВН СПбГТУ, в том числе при изготовлении линий для НИИ-ЭФА им. Ефремова. В соответствии с ФЦП «Интеграция» разработана учебно-исследовательская лаборатория по исследованию высоковольтных формирующих линий на низком и высоком напряжении.

Личный вклад автора в работу

Автором предложено применение метода численного подбора параметров ячеек неоднородной формирующей линии для получения на нагрузке импульса, близкого по форме к прямоугольному. Метод разработан совместно с сотрудниками кафедры ТОЭ СПбГТУ. Автором разработан графический метод отыскания начальных приближений параметров ячеек, который является важной частью метода оптимизации параметров линий. Проведен ряд машинных экспериментов по подбору параметров ячеек линий и найдены оптимальные параметры ячеек для простейшей цепочечной схемы линии и схемы с учетом поперечных индуктивностей ячеек, задаваемых различными способами. Спроектированы и изготовлены макеты однородных и неоднородных формирующих линий для исследования на низком и высоком напряжении. Разработана конструкция и методика расчета неоднородных формирующих линий с использованием секций импульсных конденсаторов, выполненных по стандартной технологии. Автором, совместно с сотрудниками кафедры ИЭ и ТВН СПбГТУ спро-

стирован и смонтирован лабораторный стенд для исследования макетов линий проведены исследования макетов однородных и неоднородных линий на низ-зм и высоком напряжении.

Апробация работы

Основные положения и результаты работы докладывались и обсуждались 1 Российской студенческой конференции в рамках 25-й неделе науки (г. анкт-Петербург, 1996 г.), 5-й российской научно-технической конференции Электромагнитная совместимость технических средств и биологических объ-сгов» ЭМС-98 (г. Санкт-Петербург, 1998 г.), международной научно-гхнической конференции «Изоляция-99» International Conference on Electrical isulation I.C.E.I.-99 (г. Санкт-Петербург, 1999 г.), международной научно-зхнической конференции ИЭЭ по импульсной технике 12-th IEEE International ulsed Power Conference PPC-99 (Monterey, California, USA, 1999 г.), междуна-эдном симпозиуме по высоковольтной технике 11-th International Symposium 1 High-Voltage Engineering ISH-99 (London, UK, 1999 г.).

Публикации

По теме диссертации опубликовано 7 работ, из них 2 статьи, 4 доклада на знференциях (в том числе трех - международных) и отчет по гранту Мини-герства общего образования РФ.

Объем работы

Диссертационная работа состоит из введения, шести глав и заключения, зложена на 160 страницах машинописного текста, включая 53 рисунка и 20 1блиц. Список литературы содержит 61 наименование.

При выполнении диссертационной работы автор пользовался научными энсультациями сотрудников кафедры ИЭ и ТВН СПбГТУ к.т.н. П.И. Шкуро-ата, к.т.н. О.В. Шилина, ст.н.с. JI.T. Вехоревой, сотрудников кафедры ТОЭ ПбГТУ д.т.н. Н.В. Коровкина, к.т.н. Е.Е. Селиной, ст.н.с. A.A. Потиенко, а нсже помощью ряда сотрудников лаборатории высоковольтных импульсных энденсаторов СПбГТУ.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована необходимость проведения исследований, св; занных с разработкой компактных мощных неоднородных формирующих ш ний микро- и наносекундного диапазона нового поколения с применением се1 ций импульсных конденсаторов, выполненных по стандартной технологии.

В главе 1 приведен литературный обзор по формирующим линиям выс< кого напряжения, неоднородным искусственным формирующим линиям и с< временному состоянию развития мощных формирующих линий на основе се] ций импульсных конденсаторов.

По результатам обзора сформулированы осповные цели и задачи работы.

В главе 2 описана разработанная методика оптимизации параметров пр< стейшей неоднородной схемы замещения линии, не учитывающей влияние ш перечной индуктивности пакетов секций. Задача оптимизации параметров яч< ек сводилась к задаче минимизации специально построенного функционала

который можно интерпретировать как площадь между кривой импульса генерируемого линией, и кривой заданного прямоугольного импульса ио(0- Дл упрощения задачи нахождения глобального минимума функционала на облает поиска параметров был паложен ряд ограничений, и задача была сведена к з; даче безусловной многомерной оптимизации. Для успешного отыскания гл< бального минимума был разработан специальный графический итерационны метод нахождения начальных приближений параметров задачи.

По разработанной методики была проведена оптимизация простейше схемы без учета поперечной индуктивности с числом ячеек от трех до 10. Н< однородные линия с подобранными параметрами ячеек формируют импульсы более крутыми фронтами и спадами и меньшими амплитудами колебаний в плоской части по сравнению с однородными линиями при том же числе ячее] Значения емкостей и индуктивностей ячеек в неоднородных линиях увелич! ваются с помером ячейки, причем наибольший рост наблюдается к концу Л1 нии, а волновые сопротивления уменьшаются вдоль линии. Рассматривая фо{ мирование импульса тока в нагрузке как суммы импульсов токов в ячейка

«й

2р

важно отметить, что в первом приближении амплитуды импульсов токов в ячейках равны импульсу тока в нагрузке, но длительности импульсов в ячейках меньше длительности импульса в нагрузке в п, раз, где пя - число ячеек линии.

В главе 3 описано решение задачи оптимизации параметров ячеек линии с учетом отрицательного влияния на форму импульса как однородной, так и неоднородной линии поперечной индуктивности пакетов секций. Для этого были проанализированы возможные значения этой индуктивности. Основные способы соединения конденсаторных секций в пакетах - так называемое соединение секций «фольгой», при котором токосъем производится по всей ширине фольги с конца фольги, и соединение «по торцам секций», при котором токосъем производится с середины фольги. В первом случае индуктивность пакета определяется только индуктивностью фольги секций. Второй способ применяют для уменьшения активного сопротивления фольги и индуктивности фольги секций, причем чем больше число выводов вдоль обкладок, тем меньше сопротивление и индуктивность фольги. Однако в этом случае поперечная индукгавность определяется не только фольгой, но и выводами секций, и так называемой индуктивностью растекания тока по токоведущим шинам.

В дальнейших расчетах в условии оптимизации поперечная индуктивность задавалась либо связанной с индуктивностью ячейки, либо постоянной для всех ячеек линии. На рис. 1 представлены результаты оптимизации параметров ячеек пятиячеечной схемы линии при разных соотношениях поперечной и основной индуктивности ячеек. Видно, что поперечная индуктивность, как и в случае однородной линии, значительно ухудшает форму импульса, однако после подбора параметров удается практически полностью устранить ее влияние при значениях поперечной индуктивности даже превышающих значение основной индуктивности ячеек. Видно, что исправление формы импульса происходит за счет большей неоднородности емкостей линии и большего спадания волнового сопротивления ячеек вдоль линии.

Правильность и надежность работы выбранного метода оптимизации подтверждается тем, что при задании в условии оптимизации поперечной индуктивности равной расчетной постоянной индуктивности из схемы с резонансными контурами в результате оптимизации получается распределение емкостей,

практически совпадающее с расчетными емкостями схемы с резонансным! контурами. Формы импульсов при этом также практически совпадают.

в) г)'

Рис.1, а - импульсы до и после оптимизации при к1,=Ь1,/Ья=1/4, б - распределе^ ние соответственно емкостей, волновых сопротивлений и индуктивностей пс ячейкам линии, полученное при кп=Ьц/Ь,=соп51.

Далее были рассмотрены частные случаи задачи формирования на нагрузке импульса заданной формы, а именно - получение импульса с предельно крутым фронтом при допущении ухудшения формы импульса на спаде, и получение импульса с линейно меняющейся плоской частью. Задача получения предельно крутого фронта импульса решалась введением в выражение минимизируемого функционала весового множителя, обеспечивающего более тщательную оптимизацию в первые моменты времени импульса. Расчеты показали, чтс удается увеличить крутизну импульса примерно на 20%, однако при этом значительно увеличивается амплитуда колебаний на плато импульса.

В результате подбора параметров линии для получения импульса с линейно нарастающей и линейно спадающей плоской частью в первом случае рас-

гределение волновых сопротивлений становиться более неоднородным и спа-(ающем (по сравнению с распределением, соответствующем прямоугольному импульсу на нагрузке), а во втором случае - волновые сопротивления нараста-эт с помером ячейки.

В главе 4 описаны проведенные исследования макетов однородных и неоднородных линий на низком напряжении. Для исследований на низком наряжении макеты изготавливались в упрощенном виде, а именно - уменьшено исло секций в пакетах, линии выполнялись без корпуса и корпусной изоляции [ чисто пленочная изоляция не пропитывалась жидким диэлектриком. Емкости чеек измерялись по схеме с замкнутыми токоведущими шинами. При этом на [змеряемую емкость не влияют емкости пакетов остальных ячеек. Малые ин-(уктивности элементов линии измерялись с применением генератора звуковой :астоты как частотного генератора тока. Измерялось падение напряжение на |бъекте на частотах, при которых индуктивное падение напряжения значитель-ю превосходит активное падение напряжения. Исследование работы макетов :иний на нагрузку на низком напряжении проводилось с помощью так назы-аемого метода зондирующего импульса. Он заключался в подаче на исследуе-гую линию через сопротивление много большее сопротивления нагрузки ли-дш прямоугольных импульсов с достаточно крутыми фронтами и срезами. То-да срез импульса генератора эквивалентен работе коммутатора, и можно наблюдать импульс линии на нагрузке. На рис.2.а приведены импульсы макетов днородной и неоднородной линий с поперечной индуктивностью одинаковой ¡ля всех ячеек линии и равной приблизительно 25 нГн что было примерно рав-¡о основной индуктивности ячейки однородной линии. Видно, что в этом слу-:ае импульс однородной линии далек от прямоугольного. Импульс же линии с :араметрами, подобранными с учетом поперечной индуктивности имеет кру-ыс фронт и спад и малую амплитуду колебаний на вершине. Некоторое откло-ение формы колебаний на плато импульса объясняется отклонением парамет-ов изготовленного макета от оптимальных расчетных параметров в пределах -10% в результате погрешности изготовления. На рис.2.б. приведена фотогра->ия исследуемого импульса на срезе зондирующего импульса генератора.

На низком напряжении был подробно исследован разряд одной конденса-орной секции на нагрузку. В неоднородных линиях емкости первых ячеек ма-

лы, и для обеспечения требуемых размеров секций фольга и диэлектрик наматываются на диэлектрические оправки. Эксперимент показал, что при этом секция разряжается на нагрузку как две параллельно включенные емкости, но через разные индуктивности. В результате на экспоненциальную форму разряде емкости накладываются колебания. При работе таких секций в линии импульс на нагрузке может существенно искажаться. Наиболее удобным способом устранения этого явления является экранировка диэлектрической оправки корот-козамкнутым фольговым витком.

Рис.2, а - импульсы макетов однородной и неоднородной пятиячеечной лиши при соединении секций в пакетах «по торцам секций» (Ьп«25 нГн, ти=140 не), б' фотография импульса макета на срезе зондирующего импульса генератора.

Во время эксперимента обнаружено значительное влияние на форму импульса линии контактных сопротивлений, обусловленных сопротивлением оксидных пленок, покрывающих фольгу секций. Поэтому при исследованиях нг низком напряжении рекомендуется предварительно зарядить макет повышен ным напряжением и разрядить в режиме короткого замыкания. Это приводит I точечному свариванию контактов токами порядка килоампер и уменьшении сопротивления контактов до пренебрежимо малых значений.

В главе 5 описаны исследования макетов неоднородных линий на высоко!* напряжении. Макеты исследовались на напряжении до 10 кВ в схеме с использованием коммутатора. Обнаружено, что в этом случае основные искаженш формы импульса вносят коммутаторы, к которым предъявляются высокие требования по быстродействию (времена коммутации менее 5 не) и малой индуктивности (менее 10 нГн) при заданном уровне зарядного напряжения и комму-

гируемых токах. Наиболее близкими к требуемым характеристиками обладают твердотельные коммутаторы. В данной работе использовался простейший гвердотельный разрядник, обеспечивающий приемлемые времена коммутации * малую индуктивность. Полученные формы импульсов хорошо согласуются с жспериментом на низком напряжении и с расчетными формами импульсов. На эис.З.а представлена фотография импульса неоднородной пятиячеечной линии три ее коммутации на нагрузку простейшим твердотельным разрядником.

*ис.З. а - импульс неоднородной пятиячеечной линии с оптимизированными тарамстрами ячеек при ее коммутации на нагрузку простейшим твердотельным разрядником; б - вариант конструкции формирующей линии с различными параметрами ячеек.

В главе 6 приведена методика расчета мощных неоднородных формирующих линий. Предложен вариант конструкции формирующей линии с раз-шчными параметрами ячеек (рис.З.б), в которой разная индуктивность обеспе-швается разной шириной токоведущей шины по ячейкам (и рассчитывать ее геобходимо с учетом различных коэффициентов краевого эффекта), а разная :мкость - разной длиной фольги секций, наматываемой на соответственно оправки разной толщины.

Выбор рабочей напряженности в секциях линии производился на основе результатов ранее проведенных ресурсных испытаний и предыдущего опыта »здания высоковольтных импульсных конденсаторов. При выборе допустимой рабочей напряженности необходимо с учетом формы воздействующего папря-кения на секциях выбрать ближайший эквивалентных режим разряда импульс-юго конденсатора, а затем по данным, полученным ранее на образцах конден-

а)

б)

саторных секций выбирать величину Ер^. Нижнюю границу Ераб можно оценить по эквивалентному частотному режиму конденсатора промышленной частоты, а верхнюю границу - из условия отсутствия критических частичных разрядов при выбранпом Ераб в течение всего заданного срока службы линии. Принято, что для чисто пленочной изоляции толщиной 40-50 мкм пропитанной касторовым маслом и ресурсе порядка 107 импульсов можно принять рабочую напряженность на уровне 100 кВ/мм.

Особенность теплового расчета формирующей линии обусловлена ее значительно более тяжелым тепловым режимом работы по сравнению с конденсатором. Можно показать, что при чисто пленочной пропитанной изоляции на основе полипропилена на рабочих частотах линий потери в диэлектрике линии и конденсатора приблизительно равны, и они значительно меньше активных потерь в фольге секций. Потери же в фольге, например для однородной линии, больше в пя раз по сравнению с потерями в фольге конденсатора, что объясняется разным режимом работы секций в линии и в конденсаторе. Особенностьк теплового расчета неоднородной линии является то, что в пакетах секций разных ячеек выделяется разное количество энергии. Поэтому при тепловом расчете линии рекомендуется рассчитывать тепловыделение для каждой ячейки I отдельности, интегрируя соответствующие кривые квадратов токов.

Установлено, что в неоднородных линиях по сравнению с однородными ш форме импульса сильнее сказывается сопротивление фольги секций, т.к. в неоднородной линии большая часть емкости линии, а значит и большая часп фольги линии сосредоточена в последней ячейке. Были исследованы перенапряжения, возникающие между пакетами секций соседних ячеек в неоднородных линиях. Показано, что эти перенапряжения могут достигать значений напряжения на нагрузке, что необходимо учитывать при расчете изоляции междз пакетами секций.

На основании проведенных исследований были разработаны и изготовлены опытные образцы однородных и неоднородных формирующих линий с использованием секций импульсных конденсаторов. Результаты исследование использовались при изготовлении формирующих линий на опытном производстве кафедры ИЭ и ТВН СПбГТУ, в том числе при изготовлении линий дги НИИЭФА им. Ефремова.

В заключении приводятся результаты разработки и исследования мощных однородных формирующих линий и выводы.

Для рационального выбора параметров ячеек формирующей линии приме-на методика численной оптимизации цепочечной схемы замещения линии, дача поиска параметров ячеек неоднородной цепочечной формирующей лии численно решена как задача минимизации функционала, смыслом которого пяется площадь между кривой, соответствующей заданной форме импульса нагрузке, и кривой, соответствующей переходной характеристике напряже-я на выходе схемы замещения формирующей линии. Проблема отыскания чальных приближений параметров задачи решена графически с помощью ециалыю разработанного алгоритма. Получены значения параметров ячеек и |рмы импульсов на нагрузке для линий, содержащих от 3 до 10 ячеек. При эм формы импульсов неоднородных линий ближе к прямоугольным, чем для нородных линий при том же числе ячеек.

Индуктивности пакетов секций (поперечные индуктивности ячеек) оказыва-: значительное отрицательное влияние на форму импульса на нагрузке. В ограмму оптимизации было включено влияние поперечной индуктивности, ичем как связанной с величиной основной индуктивности ячейки (кп=Ьг/Ь,)> к и задаваемой постоянной для всех ячеек линии (Ьп=сош1). Получены пара-тры ячеек и формы импульсов на нагрузке для неоднородных формирующих ний с числом ячеек от 3 до 10 при поперечной индуктивности, варьируемой в фоких пределах. Влияние поперечной индуктивности удается практически лностью устранить, вплоть до ее значений, равных основной индуктивности еек. При этом форма импульса па нагрузке оказывается значительно ближе к ямоуголыюй по сравнению с однородной линией при том же числе ячеек. Экспериментальное исследование однородных и неоднородных формирую-IX линий с последовательным соединением секций в пакетах «фольгой сек-й» показали, что поперечная индуктивность в этом случае определяется пько индуктивностью фольги секций и она мала по сравнению с основной дуктивностью ячеек. Исследование однородных и неоднородных форми-ющих линий с соединением секций в пакетах на торцах секций показали, что перечная индуктивность в этом случае определяется кроме индуктивности льги секций индуктивностью выводов секций и индуктивностью растекания

тока по токоведущим шинам и может достигать значений, превышающих ос новную индуктивность ячеек. Импульс, формируемый однородной пятиячее1 ной линией, в этом случае сильно отклоняется от прямоугольного. Однако дл неоднородной пятиячеечной линии со специально подобранными параметрам с учетом заданной поперечной индуктивности ячеек форма импульса вссьм близка к прямоугольной. Крутизна фронта и спада полученного импульса прш тически не отличается от случая с соединением секций фольгой, т.е. попере1 ной индуктивности близкой к нулю.

4. Исследования формирующих линий на высоком напряжении показали, чт наибольшие искажения в форму импульса вносят коммутаторы, к которыз предъявляются высокие требования по быстродействию и малой индуктивнс ста. Наиболее приемлемым из исследованных коммутаторов является разря/ ник с твердым диэлектриком. Импульсы, полученные на макете неоднородно линии в схеме с простейшим твердотельным коммутатором, хорошо соответст вуют импульсам, полученным ранее на низком напряжении в схеме без комм) татора, а также расчетным формам импульсов.

5. Определены основные принципы выбора рабочей напряженности Ер^ в изс ляции секций формирующих линий, а именно, - отсутствие критических час тичных разрядов и обеспечение заданного ресурса при выбранном Ераб. Пр выборе Е^б необходимо с учетом формы воздействующего напряжения на сер циях выбрать ближайший эквивалентных режим разряда импульсного конде» сатора, а затем по данным, полученным ранее на образцах конденсаторных се» ций выбирать величину Ераб. Приведены основные положения расчета форми рующих линий. Предложен вариант конструкции, обеспечивающий неодноро^ ность параметров емкости и индуктивности ячеек вдоль линии.

6. Показано, что потери в фольге секций однородной линии превышают потер; в фольге эквивалентного конденсатора в п, раз, что объясняется различным] режимами разряда секций в линии и в импульсном конденсаторе. Рекомендует ся при расчете потерь в ячейках неоднородной линии интегрировать квадрат! токов в каждой ячейке отдельно.

7. Как в однородных, так и в неоднородных линиях в процессе разряда могу возникать перенапряжения между пакетами соседних ячеек. Наибольшие вели чины перенапряжений наблюдаются между последней и предпоследней ячей

ками, и они могут достигать напряжения, равного напряжению на нагрузке. Это необходимо учитывать при расчете изоляции между пакетами секций в линии. 8. На основании проведенных исследований были изготовлены и исследованы макеты однородных и неоднородных формирующих линий с использованием секций импульсных конденсаторов, выполненных по стандартной технологии. Результаты исследований использовались при изготовлении формирующих линий на опытном производстве кафедры ИЭ и ТВН СПбГТУ, в том числе при изготовлении линий для НИИЭФА им. Ефремова. Исследования проводились в рамках работы по грантам Министерства общего образования РФ и в соответствии с Федеральной целевой программой «Интеграция». Разработана учебно-исследовательская лаборатория по исследованию высоковольтных формирующих линий на низком и высоком напряжении.

По теме диссертации опубликованы следующие работы:

1. Кучинский Г.С., Шилин О.В., Вехорева Л.Т., Кожевников М.Н., Коровкин Н.В., Селина Е.Е., Потиенко A.A. Мощные неоднородные формирующие линии высокого напряжения микро- и наносекундного диапазона. // Электричество, №8,1999. с.24-32

2. Кучинский Г.С., Шилин О.В., Вехорева JI.T., Шкуропат П.И., Кожевников М.Н. Экспериментальные исследования мощных искусственных формирующих линий высокого напряжения микро- и наносекундного диапазона. Тезисы докладов международной научно-технич. конф. «Изоляция-99», -СПб: СПбГТУ, 1999. с.56-57

3. Кучинский Г.С., Шилин О.В., Вехорева JI.T., Кожевников М.Н. мощные неоднородные формирующие линии высокого напряжения для создания импульсов микро- и наносекундного диапазона квазипрямоугольной формы с большой крутизной напряжения и тока. Сборник докладов 5-й Российской научно-технич. конф. «Электромагнитная совместимость технических средств и биологических объектов ЭМС-98», - СПб, 1998. с.431-436

4. G.S. Kuchinsky, M.N. Kozhevnikov, O.V. Shilin, L.T. Vekhoreva, N.V. Ko-rovkin, E.E. Selina, A.A. Potienko. Nanosecond forming line based on compact power high-voltage pulse capacitors. High Voltage Engineering Symposium, London UK 22-27 August 1999, Conference Publication №467, 1999. p.5.429.P6

5. G.S. Kuchinsky, M.N. Kozhevnikov, O.V. Shilin, L.T. Vekhoreva, N.V. Ko-rovkin, E.E. Selina, A.A. Potienko. Compact power high-voltage pulse capacitor for quasi-rectangular nanosecond impulses formation. Abstracts of 12th ШЕЕ International Pulsed Power Conference, California USA 27-30 June 1999, 1999. p.W-150

6. Кучинский Г.С., Шилин O.B., Вехорева Л.Т., Кожевников М.Н., Коровкин Н.В., Селина Е.Е., Потиенко A.A. Мощные неоднородные формирующие линии высокого напряжения микро- и наносекундного диапазона. // Электротехника и электроэнергетика. Проблемы управления электроэнергетическими системами. Труды СПбГТУ, №471,1998. с.58-69

7. Кучинский Г.С., Шилин О.В., Вехорева JI.T., Кожевников М.Н. Отчет по гранту Мин. общ. образования 25Гр-96 Разработка и создание блоков для импульсных источников питания, предназначенных для испытания оборудования и средств их защиты при воздействии импульсов микро- и наносекундного диапазона при большой крутизне напряжения и тока. Гос. регистрация №01980001652, 1997.

ВВЕДЕНИЕ

1. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ И ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ.

1.1. Общие сведения о формирующих линиях.

1.2. Искусственные формирующие линии.

1.3. Неоднородные формирующие линии.

1.4. Особенности конструкции и изоляции мощных формирующих линий высокого напряжения

1.5. Постановка задачи исследования

2. НАХОЖДЕНИЕ ОПТИМАЛЬНЫХ ПАРАМЕТРОВ ЯЧЕЕК ПРОСТЕЙШЕЙ СХЕМЫ ЗАМЕЩЕНИЯ НЕОДНОРОДНОЙ ФОРМИРУЮЩЕЙ ЛИНИИ

2.1. Постановка задачи йсследования.

2.2. Построение минимизируемого функционала

2.3. Проблема отыскания начальных приближений параметров задачи.

2.4. Результаты нахождения оптимальных параметров простейшей схемы замещения неоднородных формирующих линий.

2.5. Выводы по главе

3. НАХОЖДЕНИЕ ОПТИМАЛЬНЫХ ПАРАМЕТРОВ ЯЧЕЕК В СХЕМАХ НЕОДНОРОДНЫХ ФОРМИРУЮЩИХ ЛИНИЙ С УЧЕТОМ ПОПЕРЕЧНОЙ ИНДУКТИВНОСТИ ЯЧЕЕК

3.1. Постановка задачи исследования

3.2. Расчет поперечных индуктивностей при различных способах соединения секций в пакетах и способы задания поперечной индуктивности в программе оптимизации

3.3. Подбор параметров ячеек неоднородной формирующей линии при различных значениях кп^Ьд/Ья

3.4. Подбор параметров ячеек неоднородной формирующей линии при условии Ьп(к)==соп

3.5. Нахождение оптимальных параметров для получения импульса с предельно крутым фронтом.

3.6. Нахождение оптимальных параметров для получения на постоянной активной нагрузке импульса с наклонной вершиной

3.7. Выводы по главе

4. ИССЛЕДОВАНИЕ МАКЕТОВ НЕОДНОРОДНЫХ ФОРМИРУЮЩИХ ЛИНИЙ НА НИЗКОМ НАПРЯЖЕНИИ

4.1. Постановка задачи исследования

4.2. Методика исследования макетов линий на низком напряжении

4.2.1.Конструктивные особенности макетов для исследований на низком напряжении

4.2.2. Методика измерения емкостей и индуктивностей элементов линий

4.2.3. Методика исследования на низком напряжении импульсов, генерируемых формирующими линиями

4.3. Результаты исследования разряда конденсаторной секции на нагрузку

4.3.1. Влияние распределенности параметров секции на форму импульса

4.3.2. Влияние короткозамкнутой оправки секции на форму импульса

4.4. Результаты исследования разряда макетов однородных и неоднородных линий на нагрузку

4.5. Влияние сопротивления контактов на форму импульса на нагрузке

4.6. Выводы по главе.

5. ИССЛЕДОВАНИЕ МАКЕТОВ НЕОДНОРОДНЫХ ФОРМИРУЮЩИХ ЛИНИЙ НА ВЫСОКОМ НАПРЯЖЕНИИ.

5.1. Постановка задачи исследования

5.2. Методика осциллографирования импульсов формирующих линий на высоком напряжении

5.2.1. Описание возможных современных измерительных схем для исследования высоковольтных формирующих линий.

5.2.2. Описание измерительной схемы с применением осциллографической установки 6ЛОР

5.3. Описание высоковольтного испытательного стенда, используемого для исследования формирующих линий

5.4. Влияние типа коммутатора на форму импульса на нагрузке. Результаты исследования формирующих линий при различных типах коммутаторов

5.5. Выводы по главе

6. РАЗРАБОТКА КОНСТРУКЦИЙ МОЩНЫХ НЕОДНОРОДНЫХ ФОРМИРУЮЩИХ ЛИНИЙ

6.1. Постановка задачи исследования

6.2. Выбор рабочих напряженностей в главной изоляции мощных неоднородных формирующих линиях высокого напряжения.

6.3. Основы методики расчета искусственных формирующих линий с использованием секций импульсных конденсаторов

6.4. Влияние сопротивления фольги секций на форму импульса на нагрузке неоднородных линий

6.5. Особенности теплового расчета неоднородной линии

6.6. Перенапряжения между соседними пакетами секций

6.7. Реализация результатов работы

6.8. В ывод ы по главе

Интерес ученых и инженеров к методам генерирования мощных наносекундных импульсов постоянно растет, так как генераторы мощных наносекундных импульсов можно применять для решения таких задач, как создание мощных импульсных лазеров, установок для быстрого нагрева плазмы, генерирование мощных электронных и ионных пучков и т. д. Широкие перспективы применения таких генераторов обусловлены тем, что они способны реализовать за промежутки времени в единицы и десятки наносекунд огромные энергии от сотен джоулей до мегаджоулей и поэтому являются источниками большой мощности. Уже сейчас имеются установки мощностью порядка 1013 Вт [1-3].

Особый интерес, проявляемый в последние годы к генераторам мощных наносекундных импульсов, вызван возможностью их использования для получения мощных наносекундных электронных пучков, применяемых в экспериментах по термоядерному синтезу, по коллективному методу ускорения заряженных частиц, для получения мощных импульсов жесткого тормозного излучения и т. д. Энергия электронов таких пуч

7 А (\ Я 7 ков составляет до 10 эВ, ток 10-10 А, длительность 10" -10 с [4]. В первых генераторах наносекундных электронных пучков в качестве накопителей использовались как двойные, так и простые коаксиальные формирующие линии. Ускорители с импульсным зарядом линий получили преимущественное развитие, т.к. при этом существенно сокращаются габариты устройства из-за увеличения электрической прочности изоляции. В качестве источников зарядного напряжения используются генераторы Маркса или импульсные трансформаторы.

В последнее время созданы генераторы весьма мощных наносекундных импульсов ренгеновского излучения. Увеличение интенсивности излучения достигается повышением энергии электронов и увеличением тока. Наиболее мощным среди таких генераторов является установка «Гермес-2», в которой генератор Маркса заряжает двойную коаксиальную линию. В конденсаторах генератора Маркса запасается около 106 Дж. При длительности импульса 70 не, амплитуда тока составляет 200 кА, а напряжение на трубке 12 МВ. Доза импульса излучения на расстоянии 1 м составляет около 7000 рад.

Генераторы наносекундных импульсов высокого напряжения применяются также в радиолокации, при исследовании быстропротекающих процессов в электрических разрядах, в высокоскоростной фотографии, для быстрого управления потоками заряженных частиц в ускорителях, в различных областях квантовой электроники и т. д. [57].

Генераторы мощных наносекундных импульсов играют важную роль в мощной лазерной технике. Области применения СОг-лазеров высокого давления - дальномет-рия, локация, дистанционный анализ газа, нелинейная оптика, целенаведение, зондирование атмосферы, технологии и т.д. В таких лазерах энергии в импульсе достигают де-1 сятков^мДж при КПД до 25 %. Важной составной частью схем возбуждения при любом способе накачки электроразрядных лазеров является генератор высоковольтных импульсов. Выбор типа генератора и его параметров в значительной мере определяет количество энергии, рассеянной в газе, и КПД лазера. В настоящее время при создании газовых лазеров широкое применение нашли высоковольтные импульсные источники, такие, как генератор Аркадьева-Маркса, генератор Блюмлейна (двойная формирующая линия). Накопительные конденсаторы этих генераторов могут заменяться отрезками линий с распределенными параметрами. Электрическая накачка импульсных газовых лазеров осуществляется напряжением с амплитудой от единиц до десятков киловольт при длительности от долей до единиц мкс. Длительность импульса накачки может определяться выбранным режимом импульсного газового разряда (тлеющим, дуговым). Фронт и спад импульса электрической накачки стремятся сделать возможно более коротким при получении генерации в условиях нестационарной плазмы газового разряда [8,9].

Эксимерные лазеры в настоящее время являются наиболее мощными источниками когерентного излучения в УФ спектре. Их возбуждение производится пучком электронов, желательно в квазистационарном режиме (равномерная накачка импульсами длительностью до 0,1 мкс). Области применения мощных эксимерных лазеров - управляемый термоядерный синтез (УТС), стратегическая оборонная инициатива (СОИ). Наибольшая энергия излучения (около 10 кДж) при длительности импульса 500 не получена в Лос-Аламосе на установке "Ашога" [10].

До последнего времени в технике формирования мощных наносекундных импульсов с амплитудой напряжения от единиц до сотен киловольт широко используются коаксиальные и полосковые линии, питаемые в импульсном режиме от генераторов Аркадьева-Маркса или от импульсных трансформаторов [11-13]. При генерировании импульсов напряжений до 106 В и более используются коаксиальные линии с жидкой изоляцией (трансформаторное масло, глицерин, вода). При генерировании импульсов большого тока с амплитудой до 105 - 106 А, когда волновое сопротивление линий должно быть малым, применяются полосковые линии передачи. Линии выполняются на полное напряжение и имеют относительно малые рабочие напряженности, малые ч значения удельной энергии, большие габариты и значительную стоимость.

Для формирования импульса квазипрямоугольной формы с крутым фронтом и спадом можно воспользоваться волновыми свойствами конденсаторной секции, рассматривая ее, как линию с распределенными параметрами. Уменьшая толщину диэлектрика можно значительно повысить рабочую напряженность такой секции. Соединяя такие секции-линии последовательно можно создать формирующую линию на требуемое напряжение. Линии такого типа были созданы на напряжения до 2,5 кВ [14,15]. Опыт создания линий на напряжения порядка десятков кВ показал невозможность применения такой схемы соединения секций, т.к. при большом количестве последовательно соединенных секций на форму импульса значительно сказывается активное сопротивление фольги секций, в результате сильно затягиваются фронт и спад импульса.

Уменьшение активного сопротивления фольги секций возможно за счет последовательно-параллельного соединения конденсаторных секций. Такая схема была реализована в виде компактной установки, выполненной по цепочечной схеме замещения длинной линии и состоящей из пакетов конденсаторных секций, соединенных параллельно токоведущими шинами [16-19]. В такой линии за счет малой толщины диэлектрика применена значительно большая рабочая напряженность, что обеспечивает высокую удельную энергию, малые размеры и меньшую стоимость линии. Конструкция таких линий позволяет их малоиндуктивное параллельное и последовательное соединения для создания источников напряжения до нескольких МВ при токах порядка сотен

1 о кА. При этом крутизна напряжения на нагрузке может достигать значений 10 В/с, а крутизна тока -1013 А/с.

Теория формирования на нагрузке импульсов прямоугольной формы искусственными формирующими линиями хорошо разработана применительно к импульсным модуляторам, используемым в низковольтной радиотехнике [20-24]. Разработанные ранее методики синтеза неоднородных искусственных линий использовались для получения прямоугольных импульсов на активной нагрузке шунтированной индуктивностью, на активной нагрузке при соединении линии последовательно с конденсатором, в форми-рующе-трансформирующих схемах или для согласования комплексных сопротивлений. Коррекция же формы импульса на чисто активной нагрузке производилась путем приближения свойств искусственной линии к свойствам лини с распределенными параметрами (например, - увеличением числа ячеек), априори полагая отрезок длинной линии как лучшее формирующее устройство. Многие авторы, проводившие подобные исследования, отмечают, что правильнее было бы синтезировать схемы неоднородных линий исходя непосредственно из формы импульса на нагрузке. Однако для многозвенной схемы линии аналитически решить эту задачу весьма сложно.

Между мощными формирующими линиями, рассматриваемыми в данной работе, и схемами линий для низковольтных импульсных модуляторов существуют принципиальные отличия. В радиотехнике считается, что для формирования импульсов длительностью более 0,1 мкс целесообразно применять линии с сосредоточенными параметрами, а для импульсов менее 0,1 мкс - отрезки линий с распределенными параметрами. При этом нагрузками линий являются сопротивления порядка сотен Ом, емкости и индуктивности искусственных линий выполняются на радиотехнической элементной базе, конденсаторы ячеек запасают сравнительно малые энергии. В исследуемых высоковольтных линиях для обеспечения заданных длительностей импульса (десятки - сотни не) на малоомных нагрузках (1-10 Ом) сочетаются свойства линии с распределенными параметрами (основная индуктивность линии формируется токоведущими плоскими шинами) и линии с сосредоточенными параметрами (емкости ячеек обеспечиваются пакетами конденсаторных секций). Емкости ячеек запасают значительные энергии, а конструкция высоковольтных импульсных конденсаторных секций и их изоляция существенно отличаются от конструкции и изоляции низковольтных радиотехнических конденсаторов. Конструктивные особенности, присущие пакетам секций высоковольтных импульсных конденсаторов, усложняют схему замещения линии, а именно, - появляется индуктивность пакетов секций, которая существенно ухудшает форму импульса на нагрузке. Возникает задача оптимизации параметров ячеек мощных формирующих линий высокого напряжения для получения на низкоомной нагрузке импульса максимально близкого к прямоугольному при малом числе ячеек линии.

Актуальность темы

Мощные формирующие линии высокого напряжения нового поколения, выполненные с применением пакетов секций импульсных конденсаторов, изготовленных по стандартной технологии, значительно выгоднее экономически по сравнению с громоздкими коаксиальными или полосковыми линиями. Однако, вследствие ограниченного числа ячеек в схеме замещения длинной линии, а также влияния различных конструктивных особенностей реальных искусственных линии, собранных из пакетов конденсаторных секций, форма генерируемых импульсов может сильно ухудшаться, по сравнению с импульсами, генерируемыми естественными длинными линиями с распределенными параметрами. В настоящей работе исследуется возможность применения мощных искусственных формирующих линий с неодинаковыми параметрами ячеек неоднородных формирующих линий) для получения импульсов, близких к прямоугольным при малом числе ячеек линии с учетом ее конструктивных особенностей.

Цель и задачи работы

Целью данной работы является разработка методики нахождения параметров неоднородных формирующих линий для получения на согласованной нагрузке импульсов близких по форме к прямоугольным, разработка методов расчета и конструкции мощных неоднородных формирующих линий высокого напряжения с использованием секций импульсных конденсаторов, изготовленных по стандартной технологии, для получения на малоомной нагрузке импульсов микро- и наносекундного диапазона.

Для достижения этой цели были намечены следующие задачи:

1. Разработка методики численной оптимизации простейшей цепочечной схемы замещения длинной линии для получения импульса, близкого к прямоугольному при малом числе ячеек.

2. Определение основных конструктивных особенностей мощных искусственных линий на основе конденсаторной изоляции .влияющих на форму импульса на нагрузке. Разработка методов расчета элементов линий. Проведение оптимизации схем линий, учитывающих конструктивные особенности линий при различном числе ячеек.

3. Разработка конструкции и изготовление макетов однородных и неоднородных формирующих линий с использованием секций импульсных конденсаторов для последующего исследования на низком и высоком напряжении.

4. Разработка низковольтного стенда для исследования формирующих линий, включающего установки для измерения малых индуктивностей и емкостей элементов линий и исследования импульса на нагрузке линий. Исследование макетов линий на низком напряжении и сравнение результатов с расчетом.

5. Разработка методики исследования формирующих линий на высоком напряжении. Исследование макетов на высоком напряжении и сравнение результатов с исследованием на низковольтном стенде и с расчетом.

6. Разработка конструкции мощных формирующих линий с использованием секций импульсных конденсаторов, выполняемых по стандартной технологии, с учетом особенностей, присущих неоднородным искусственным формирующим линиям. Разработка методики расчета мощных неоднородных формирующих линий на основе секций импульсных конденсаторов, выполняемых по стандартной технологии.

Научная новизна

Впервые для получения на нагрузке искусственной неоднородной формирующей линии импульса, близкого к прямоугольному, применен метода численного подбора параметров ячеек линии исходя непосредственно из формы импульса на нагрузке. Метод разработан совместно с сотрудниками кафедры ТОЭ СПбГТУ. Для успешного решения задачи подбора параметров ячеек линий разработан графический метод отыскания начальных приближений параметров ячеек. Проведен ряд машинных экспериментов по подбору параметров ячеек линий и найдены оптимальные параметры ячеек для простейшей цепочечной схемы линии и схемы с учетом поперечных индуктивностей ячеек, задаваемых различными способами и варьируемых в широком пределе.

Разработана конструкция и методика расчета неоднородных формирующих линий с использованием секций импульсных конденсаторов, выполняемых по стандартной технологии. Предложены рекомендации по выбору рабочей напряженности в изоляции секций неоднородных линий и по тепловому расчету неоднородных линий.

Спроектированы и изготовлены макеты однородных и неоднородных формирующих линий для исследования на низком и высоком напряжении. Макеты линий были исследованы на специально спроектированных низковольтном и высоковольтном испытательных стендах. Исследования на низком напряжении проводились по схеме с использованием генератора прямоугольных импульсов и без использования коммутатора. Исследования на высоком напряжении проводились с применением специально изготовленного простейшего твердотельного разрядника. Полученные по обоим вариантам исследований данные хорошо согласуются между собой и с расчетными данными.

Реализация результатов работы

Диссертационная работа являлась составной частью научно-исследовательских работ, выполняемых по гранту Министерства образования РФ и в соответствии с Федеральной целевой программой «Интеграция». В результате работы разработан, изготовлен и исследован ряд макетов однородных и неоднородных формирующих линий с использованием секций импульсных конденсаторов, выполненных по стандартной технологии. Результаты исследований использовались при изготовлении формирующих линий на опытном производстве кафедры ИЭ и ТВН СПбГТУ, в том числе при изготовлении линий для НИИЭФА им. Д.В. Ефремова. Разработана учебноисследовательская лаборатория по исследованию высоковольтных формирующих линий на низком и высоком напряжении.

Личный вклад автора в работу

Автором предложено применение метода численного подбора параметров ячеек неоднородной формирующей линии для получения на нагрузке импульса, близкого по форме к прямоугольному. Метод разработан совместно с сотрудниками кафедры ТОЭ СПбГТУ. Разработан графический метод отыскания начальных приближений параметров ячеек, который является важной частью метода оптимизации параметров линий. Проведен ряд машинных экспериментов по подбору параметров ячеек линий и найдены оптимальные параметры ячеек для простейшей цепочечной схемы линии и схемы с учетом поперечных индуктивностей ячеек, задаваемых различными способами. Спроектированы и изготовлены макеты однородных и неоднородных формирующих линий для исследования на низком и высоком напряжении. Разработана конструкция и методика расчета неоднородных формирующих линий с использованием секций импульсных конденсаторов, выполняемых по стандартной технологии. Автором, совместно с сотрудниками кафедры ИЭ и ТВН СПбГТУ спроектирован и смонтирован лабораторный стенд для исследования макетов линий и проведены исследования макетов однородных и неоднородных линий на низком и высоком напряжении.

На защиту выносятся:

- методика оптимизации параметров ячеек цепочечной схемы замещения формирующей линии с учетом и без учета поперечной индуктивности ячеек;

- результаты подбора параметров неоднородных формирующих линий, а именно -оптимальные распределения емкостей и индуктивностей по ячейкам линий при различных значениях поперечных индуктивностей ячеек;

- разработанная конструкция макетов неоднородных формирующих линий для исследования на низком и высоком напряжении

- методика исследования макетов линий на низком напряжении (измерение индуктивностей и емкостей макетов, исследование формы импульса на нагрузке);

- методика исследования макетов на высоком напряжении;

- результаты исследования макетов макетов неоднородных линий на низком и высоком напряжении (полученные формы импульсов на нагрузках линий);

- методика расчета неоднородных формирующих линий с использованием секций высоковольтных импульсных конденсаторов.

11

Апробация работы

Основные положения и результаты работы докладывались и обсуждались на Российской студенческой конференции в рамках 25-й недели науки (г. Санкт-Петербург, 1996 г.), 5-й российской научно-технической конференции «Электромагнитная совместимость технических средств и биологических объектов» ЭМС-98 (г. Санкт-Петербург, 1998 г.), международной научно-технической конференции «Изоляция-99» International Conference on Electrical Insulation I.C.E.I.-99 (г. Санкт-Петербург, 1999 г.), международной научно-технической конференции ИЭЭ по импульсной технике 12-th IEEE International Pulsed Power Conference PPC-99 (Monterey, California, USA, 1999 г.), международном симпозиуме по высоковольтной технике 11-th International Symposium on HighVoltage Engineering ISH-99 (London, UK, 1999 г.), на Российской студенческой конференции в рамках 28-й недели науки (г. Санкт-Петербург, 1999 г.).

Публикации

По теме диссертации опубликовано 7 работ, из них 2 статьи, 4 доклада на конференциях (в том числе трех - международных) и отчет по гранту Министерства образования РФ [25-31].

Объем работы

Материал диссертации изложен на 160 страницах, содержит 53 рисунка и 20 таблиц, состоит из введения, шести глав, заключения, списка литературы из 61 названия.

6.8. Выводы по главе

1. Определены основные принципы выбора рабочей напряженности Ераб в изоляции секций формирующих линий, а именно, исходя из условия обеспечения кратковременной и длительной электрической прочности изоляции при заданном ресурсе работы линии. Для выбора Ераб необходимо, исходя из формы импульсов напряжения на емкостях ячеек, выбрать наиболее близкий режим разряда импульсного конденсатора и затем выбирать Ераб, исходя из опыта создания соответствующих конденсаторов. В первом приближении разряд пакета секций ячейки линии можно эквива-лентировать апериодическим разрядом импульсного конденсатора. Выбор Ераб как из условия отсутствия критических ЧР, так и из эквивалентного частотного режима конденсатора при 50 Гц дает приблизительно одинаковые значение Ераб=1Ю-125 кВ/мм (для оптимальной толщины ёс=40-50 мкм полипропиленовой изоляции, пропитанной касторовым маслом, и ресурсе 107 импульсов). Однако, это значение несколько уменьшается вследствие влияния колебаний, наложенный на апериодический разряд конденсаторной секции в линии, и может быть принято на уровне 100 кВ/мм. Рекомендуется в формирующих линиях на основе секций импульсных конденсаторов при ресурсе порядка 107 импульсов и частоте разряда секций порядка 107-108 Гц применять чисто пленочный полипропиленовый диэлектрик, пропитанный касторовым маслом. При толщине изоляции секции с1с=40-50 мкм в такой диэлектрической системе рабочая напряженность может быть принята порядка 100 кВ/мм.

2. Приведены основные положения расчета формирующих линий. Предложен вариант конструкции, обеспечивающий неоднородность параметров емкости и индуктивности ячеек вдоль линии. Конструкция линии позволяет малоиндуктивное последовательное или параллельное соединение блоков-линий для создания источников напряжения до мегавольт и источников тока до мегаампер.

3. В неоднородных формирующих линиях влияние активного сопротивления фольги секций сказывается сильнее, по сравнению с однородными, т.к. большая емкость линии, а значит и больший объем фольги, сосредоточены в последней ячейке линии. При Кфл>0,1Кн в пятиячеечной линии рекомендуется уменьшать сопротивление фольги увеличивая ширину фольги, толщину фольги или применяя выводу на торцах секций (токосъем с середины фольги).

4. Показано, что потери в фольге секций линии превышают потери в фольге эквивалентного конденсатора в пя раз, что объясняется различными режимами разряда секций в линии и в импульсном конденсаторе. Потери в диэлектрике остаются приблизительно постоянными для обоих случаев. Поскольку токи во всех ячейках линии различны, рекомендуется в расчете потерь в ячейках линии интегрировать квадраты токов в каждой ячейке отдельно. Потери в последней ячейке линии значительно превосходят потери в остальных ячейках линии, т.к. в последней ячейке ток имеет большую амплитуду и длительность.

5. Как в однородных, так и в неоднородных линиях в процессе разряда могут возникать перенапряжения между пакетами соседних ячеек. В схеме их можно рассматривать как напряжения на Ья. Наибольшие величины перенапряжений наблюдаются между последней и предпоследней ячейкой и они могут достигать 0,5и3, т.е. напряжения, равного напряжению на нагрузке. Это необходимо учитывать при расчете изоляции между пакетами секций в линии.

6. На основании проведенных исследований были изготовлены и исследованы макеты однородных и неоднородных формирующих линий с использованием секций импульсных конденсаторов, выполненных по стандартной технологии. Исследования проводились в рамках работы по гранту Министерства образования РФ и в соответствии с Федеральной целевой программой «Интеграция». Результаты исследований использовались при изготовлении формирующих линий на опытном производстве кафедры ИЭ и ТВН СПбГТУ, в том числе при изготовлении линий для ГП НИИ-ЭФА им. Д.В. Ефремова. Для исследования изготовленных линий и их макетов в соответствии с ФЦП «Интеграция» разработана учебно-исследовательская лаборатория по исследованию высоковольтных формирующих линий на низком и высоком напряжении.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. Для рационального выбора параметров ячеек формирующей линии применена методика численной оптимизации цепочечной схемы замещения линии. Задача поиска параметров ячеек неоднородной цепочечной формирующей линии численно решена как задача минимизации функционала, смыслом которого является площадь между кривой, соответствующей заданной форме импульса на нагрузке и кривой, соответствующей переходной характеристике напряжения на выходе схемы замещения формирующей линии. Минимизируется функционал с помощью программы безусловной многомерной оптимизации. Проблема отыскания начальных приближений параметров задачи решена графически с помощью специально разработанного алгоритма. Получены значения параметров ячеек и формы импульсов на нагрузке для линий, содержащих от 3 до 10 ячеек. Величина крутизны фронта импульса одинакова для схем с 5 различными и 8 одинаковыми ячейками, но спад импульса в схеме с неодинаковыми ячейками значительно круче.

2. Индуктивности пакетов секций (поперечные индуктивности ячеек) оказывают значительное отрицательное влияние на форму импульса на нагрузке как в однородной, так и в неоднородной линии. В программу оптимизации включено влияние поперечной индуктивности, причем как связанной с величиной основной индуктивности ячейки (кп=Ьп/Ья), так и задаваемой постоянной для всех ячеек линии (¡^сопй). Получены параметры ячеек и формы импульсов на нагрузке для неоднородных формирующих линий с числом ячеек от 1 до 10 для значений к„ от 0,25 до 1. При этом отрицательное влияние поперечной индуктивности практически полностью удалось устранить и форма импульсов на нагрузке значительно ближе к прямоугольной, чем для линий с одинаковыми параметрами ячеек.

3. Исследования макетов однородных и неоднородных формирующих линий на низком напряжении проводилось с применением следующих методик:

- измерение малых индуктивностей элементов линий;

- измерение емкости пакетов секций в собранной макете линии, при которой на результаты измерений не влияют емкости остальных пакетов линии;

- исследование разряда секций, пакетов секций и формирующих линий в сборе на активную нагрузку по методу «зондирующего импульса». Главными достоинствами этого метода являются отсутствие в схеме коммутатора, возможность наблюдать на экране осциллографа квазистационарную картину разряда, возможность изменять параметры макетов непосредственно во время измерений и наблюдать, при этом, изменение картины разряда. Экспериментальных исследования проводились на упрощенных конструкциях макетов искусственных формирующих линий.

4. Исследования разряда макетов однородных и неоднородных искусственных формирующих линий, а также их отдельных элементов (секций, пакетов секций) на активную нагрузку на низком напряжении показали, что при намотке секции на диэлектрическую оправку на форму импульса разряда секции влияет индуктивность витка фольги, ближайшего к токосъемным выводам. Наиболее технологически удобный способ устранения этого явления - экранирование оправки короткозамкнутым фольговым витком. Экспериментальное исследование однородных и неоднородных формирующих линий с последовательным соединением секций в пакетах «фольгой секций» показали, что поперечная индуктивность в этом случае определяется только индуктивностью фольги секций и она мала по сравнению с основной индуктивностью ячеек. Форма импульса, полученного на нагрузке неоднородной пятиячеечной линии с параметрами ячеек, подобранными без учета поперечной индуктивности, значительно ближе к прямоугольной по сравнению с однородной пятиячеечной линией, а именно - круче фронт и спад импульса, меньше амплитуда колебаний на плоской части импульса.

5. Экспериментальное исследование однородных и неоднородных формирующих линий с соединением секций в пакетах на торцах секций показали, что поперечная индуктивность в этом случае определяется кроме индуктивности фольги секций индуктивностью выводов секций и индуктивностью растекания тока по токоведущим шинам и может достигать значений, превышающих основную индуктивность ячеек. Импульс, формируемый однородной пятиячеечной линией, в этом случае сильной отклоняется от прямоугольного и становиться ближе к колоколообразному. Однако для неоднородной пятиячеечной линии со специально подобранными параметрами с учетом заданной поперечной индуктивности ячеек форма импульса весьма близка к прямоугольной. Крутизна фронта и спада полученного импульса практически не отличается от случая соединения секций фольгой, т.е. при поперечной индуктивности близкой к нулю.

6. Исследования формирующих линий на высоком напряжении показали, что импульсы, полученные на макете неоднородной линии в схеме с твердотельным коммутатором, хорошо соответствуют импульсам, полученным ранее на низком напряжении в схеме без коммутатора, а также расчетным формам импульсов. Таким образом, наиболее приемлемым из исследованных коммутаторов является разрядник с твердым диэлектриком. Возможно также применение газонаполненных разрядников высокого давления с несколькими параллельными каналами разряда. Для импульса напряжения амплитудой 50 кВ на нагрузке 1 Ом возможно получение длительности фронта импульса

12 13 порядка 5-10 не что соответствует крутизне напряжения на нагрузке порядка 10 -10

12 13

В/с и крутизне тока в нагрузке 10 -10 А/с.

7. Определены основные принципы выбора рабочей напряженности Ераб в изоляции секций формирующих линий, а именно, - отсутствие критических частичных разрядов и обеспечение заданного ресурса при выбранном Ер3б. При выборе Ераб необходимо учитывать частоту разряда и декремент затухания разряда отдельного пакета в линии, а не всей линии на нагрузку. Для ресурса порядка 107 импульсов и частоте разряда секций порядка 107-108 Гц рекомендуется для чисто пленочной полипропиленовой изоляции, пропитанной касторовым маслом принимать Ераб=100 кВ/мм. Приведены основные положения расчета формирующих линий. Предложен вариант конструкции, обеспечивающий неоднородность параметров емкости и индуктивности ячеек вдоль линии.

8. Показано, что в неоднородных формирующих линиях влияние активного сопротивления фольги секций сказывается на форму импульса сильнее, по сравнению с однородными. При 11фл>0,1Кн в пятиячеечной линии рекомендуется уменьшать сопротивление фольги, увеличивая ширину фольги, толщину фольги или применяя выводу на торцах секций (токосъем с середины фольги). Показано, что потери в фольге секций однородной линии превышают потери в фольге эквивалентного конденсатора в пя раз, что объясняется различными режимами разряда секций в линии и в импульсном конденсаторе. Рекомендуется в расчете потерь в ячейках линии интегрировать квадраты токов в каждой ячейке отдельно. Потери в последней ячейке линии значительно превосходят потери в остальных ячейках линии, т.к. в последней ячейке ток имеет большую амплитуду и длительность.

9. Как в однородных, так и в неоднородных линиях в процессе разряда могут возникать перенапряжения между пакетами соседних ячеек. Наибольшие величины перенапряжений наблюдаются между последней и предпоследней ячейками, и они могут достигать 0,5U3, т.е. напряжения, равного напряжению на нагрузке. Это необходимо учитывать при расчете изоляции между пакетами секций в линии.

10. На основании проведенных исследований были изготовлены и исследованы макеты однородных и неоднородных формирующих линий с использованием секций импульсных конденсаторов, выполненных по стандартной технологии. Исследования проводились в рамках работы по гранту Министерства образования РФ и в соответствии с Федеральной целевой программой «Интеграция». Результаты исследований использовались при изготовлении формирующих линий на опытном производстве кафедры ИЭ и ТВН СПбГТУ, в том числе при изготовлении линий для НИИЭФА им. Д.В. Ефремова. Для исследования изготовленных линий и их макетов в соответствии с ФЦП «Интеграция» разработана учебно-исследовательская лаборатория по исследованию высоковольтных формирующих линий на низком и высоком напряжении.

1. Накопление и коммутация энергии больших плотностей. Под ред. У. Бостика, В. Нарди, О. Цукера. - М.: Мир, 1979.

2. Импульсные системы большой мощности. Сборник статей под ред. Э.И. Асинов-ского. М.: Мир, 1981.

3. Bernshtein В., Smith J. "Aurora", an electron accelerator. "IEEE. Trans.", 1973, v. NS-20, № 3, p. 294.

4. Denholm A.S. High voltage technology. "IEEE Trans.", 1965, v. NS-12, №3, p.780.

5. Месяц Г.А. Генерирование мощных наносекундных импульсов. M.: Советское радио, 1974.

6. Martin J.C. Nanosecond Pulse Technique, Proceedings of IEEE, Vol. 80, No. 6, 1992.

7. Lewis I.A.D., Wells F. Millimicrosecond pulse technique. New York: Pergamon, 1959.

8. Месяц Г.А., Осипов B.B., Тарасенко В.Ф. Импульсные газовые лазеры. М.: Наука, 1991.

9. Вакуленко В.М., Иванов Л.П. Источники питания лазеров. М.: Советское радио, 1980.

10. An overviea of Aurora: a multikilojoule KrF laser system for inertial confinement fusion / L.A.Rosocha, P.S.Bowling, M.D.Burrows et al.// Laser and Partical Beams. 1986, Vol.4, pt 1. P.55-70.

11. Г.А. Месяц, A.C. Насибов, B.B. Кремнев Формирование наносекундных импульсов высокого напряжения. -М.: Энергия, 1970.

12. В.В. Белогорский, Н.Г. Беручев, Е.П. Большаков и др. Исследование работы сильноточного наносекундного ускорителя электронов НЕВА-01. Л.: НИИЭФА, 1983.

13. Л.А. Буданова, A.M. Кирьяков, Н.Г. Лекомцева и др. Расчеты электростатических полей при конструировании наносекундных ускорителей с водяной изоляцией. -М.: ЦНИИатоминформ, 1984.

14. Беленький Б.П., Балан Г.Н. Искусственные формирующие линии с использованием собственной индуктивности конденсаторных секций. // Электронная техника. Радиодетали и радиокомпоненты. Выпуск 3(28), 1978.

15. Четвертков И.И., Смирнов В.Ф. Справочник по электрическим конденсаторам. М., 1983.

16. Кучинский Г.С., Вехорева Л.Т., Шилин О.В. Принципы конструирования мощных формирующих линий высокого напряжения для создания импульсов нано- и микросекундного диапазона. // Электричество, №9, 1997.

17. Бурцев В.А., Василевский М.А., Водовозов В.М. и др. Емкостные накопители энергии со свойствами формирующих линий. // Электричество, №7,1989.

18. Е.А. Morozov, S.N. Komin, T.G. Sokolova, V.l. Tzelisheva, V.S. Fedorova Capacitors -forming line, Proceedings of 9th IEEE Pulsed Power Conference, Albuquerque USA, Vol. 2, p. 839-840,1993.

19. Справочник по импульсной технике по ред. В.Н. Яковлева. К.: Техника, 1973.

20. Ицхоки Я.С. Импульсные устройства. М.: Советское радио, 1959.

21. Ицхоки Я.С., Овчинников Н.И. Импульсные и цифровые устройства. М.: Советское радио, 1972.

22. Литвиненко О.Н., Сошников В.И. Расчет формирующих линий. К.: Государственное издательство технической литературы УССР, 1972.

23. Литвиненко О.Н., Сошников В.И. Теория неоднородных линий и их применение в радиотехнике. -М.: Советское радио, 1964.

24. Кучинский Г.С., Шилин О.В., Вехорева Л.Т., Кожевников М.Н., Коровкин Н.В., Селина Е.Е., Потиенко A.A. Мощные неоднородные формирующие линии высокого напряжения микро- и наносекундного диапазона. // Электричество, №8, 1999.

25. Нейман Л.Р., Демирчан К.С. Теоретические основы электротехники. М.: Энерго-атомиздат, 1986.

26. Атабеков Г.И. Основы теории цепей. М.: Энергия, 1969.

27. P.M. Фостер, Реакгансная теорема, Bell System Techn. J. т.З, №2,1924.

28. Евтянов С.И., Редькин Г.Е. Импульсные модуляторы с искусственной линией. М.: Советское радио, 1973.

29. Кучинский Г.С. Частичные разряды в высоковольтных конструкциях. Л.: Энергия, 1979.

30. Кучинский Г.С. Высоковольтные импульсные конденсаторы. Л.: Энергия, 1973.

31. Дж. Дэннис, мл., Р. Шнабель. Численные методы безусловной оптимизации и решения нелинейных уравнений. М.: Мир, 1988.

32. Коровкин Н.В., Селина Е.Е. Моделирование волновых процессов в распределенных электромагнитных системах С.-Пб.: СПбГТУ, 1992.

33. Ракитский Ю.В., Устинов С.М., Чернорудский И.Г. Численные методы решения жестких систем. М.: Наука, 1979.

34. Воднеев В.Т. и др. Математический словарь высшей школы. М.: МПИ, 1989.

35. Демирчян К.С., Бутырин П.А. Моделирование и машинный расчет электрических цепей. М.: Высшая школа, 1988.

36. Демирчян К.С., Ракитский Ю.В., Бутырин П.А., Карташев E.H., Коровкин Н.В. Проблемы численного моделирования процессов в электрических цепях. // Изв. АН СССР. Энергетика и транспорт, № 2, 1982.

37. Анго А. Математика для электро- и радиоинженеров. М.: Наука, 1967.

38. Шнеерсон Г.А. Поля и переходные процессы в аппаратуре сверхсильных токов. -М.: Энергоатомиздат, 1992.

39. Ковальчук Б.М., Кремнев В.В., Поталицын Ю.Ф. Сильноточные наносекундные коммутаторы. Новосибирск, Наука, 1989.

40. Герасимов А.И., Кулешов Г.Д., Павловский А.И. и др. Пусковые характеристики наполненного SFö тригатрона на 100 кВ. Приборы и техника эксперимента, №5, 1975.

41. Шкуропат П.И. Импульсные источники энергии. Учебное пособие. JL: Ленинградский государственный технический университет, 1991.

42. В.А. Авруцкий, В.Л. Будович, В.Я. Киселев, И.П. Кужекин Накопители энергии и их применение. М.: МЭИ, 1982

43. Кучинский Г.С., Вехорева Л.Т., Шилин О.В. Пути создания импульсных конденсаторов с повышенной удельной энергией // Электротехника, №7,1979.

44. Сажин Б.И., Койков С.Н., Борисова М.Э. и др. Электрические свойства полимеров. -Л.: «Химия», 1986.

45. С.Н. Койков, А.Н. Цикин Электрическое старение твердых диэлектриков. Л.: Энергия, 1968.

46. Соколова Т.Г., Целищева В.И., Щекина Т.В. Экспериментальное исследование изоляции силовых конденсаторов. Современные проблемы электрофизики. Сборник научных трудов. СПб.: «Пластполимер», 1992.

47. Кучинский Г.С., Галахова Л.Н. Выбор допустимых рабочих напряженностей в силовых конденсаторах с пропиткой экологически безопасными диэлектриками. // Электричество, №1,1999.

48. Energy storage capacitors, British Insulated Calender's Cables Limited Capacitor devision, Helsby, Warrington, Great Britain, TDCA-1, May, 1962, Publ. N 530, July, 1967.

49. Maxwell Laboratories, High-voltage capacitors, San-Diego, California, 1967.160

50. Калантаров П.Д., Цейтлин J1.A. Расчет индуктивностей. Справочная книга. Л.: Энергоиздат, 1970.

51. Кучинский Г.С., Кизеветтер В.Е., Пинталь Ю.С. Изоляция установок высокого напряжения. Учебник для вузов / Под общ. ред. Г.С. Кучинского. М.: Энергоатомиз-дат, 1987.

52. С.Н. Койков, В.Г. Ульянова Применение ЭВМ для решения задач электроизоляционной техники и электрофизики диэлектриков. Учебное пособие. СПб.: СПбГТУ 1995.

53. Справочник по электрическим конденсаторам. Общие сведения, выбор и применение. Под общ. ред. В.В. Ермуратского. Кишинев: Штиинца, 1982.