RU2037278C1

RU2037278C1 - Plasma-erosion release

Info

Publication number: RU2037278C1
Authority: RU
Inventors: П.И. Зубков; Л.А. Лукьянчиков; К.А. Тен; Г.М. Горяинов
Original assignee: Институт гидродинамики СО РАН
Priority date: 1989-06-26
Filing date: 1989-06-26
Publication date: 1995-06-09

Abstract

FIELD: electrical engineering. SUBSTANCE: coaxial electrodes of plasma-erosion release have through slots filled with insulator which reduces eddy-current loss; electrodes are connected to unlike-polarity terminals of pulse voltage source. External electrode mounts plasma guns radially arranged in respect to discharge channel. Insulator with acute-profile spiral channel is placed on path of movement of plasma jumper. EFFECT: improved inductance of plasma jumper according to predetermined law. 2 cl, 1 dwg

Description

Изобретение относится к электротехнике, а именно к коммутирующим устройствам для выключения и переключения импульсных токов и может быть использовано в народном хозяйстве в качестве аварийных выключателей в энергетических установках и в экспериментальной технике для получения больших мощностей. The invention relates to electrical engineering, namely to switching devices for switching off and switching pulsed currents and can be used in the national economy as emergency switches in power plants and in experimental equipment for large capacities.

Известны плазмоэрозионные размыкатели [1] содержащие вакуумную камеру, источник импульсного напряжения, подключенный к коаксиально расположенным электродам, систему радиально расположенных плазменных пушек. Основным недостатком их является нестабильность работы и сравнительно низкий КПД передачи энергии в нагрузку, обусловленные самопроизвольным ростом индуктивности плазмы в результате развития неустойчивости по отношению к росту индуктивности. Known plasma erosion switches [1] containing a vacuum chamber, a pulse voltage source connected to coaxially arranged electrodes, a system of radially located plasma guns. Their main disadvantage is the instability of the work and the relatively low efficiency of energy transfer to the load due to spontaneous increase in plasma inductance as a result of the development of instability with respect to the increase in inductance.

Наиболее близким из известных технических решений к предлагаемому является плазмоэрозионный размыкатель [2] Известный размыкатель содержит вакуумную камеру, источник импульсного напряжения, подключенный к коаксиально расположенным электродам, систему радиально расположенных плазменных пушек, причем центральный электрод выполнен в виде спирали, угол захода которой определяется выражением
90^°>α>arcsin

где σ_пл, σ_м электропроводность плазмы и материала электрода соответственно; R радиус спирали, d толщина витка спирали, а ее длина l_сп определяется выражением
[d_пл -/D 2R/] < l_сп ≅ 2[d_пл + /D 2R/] где d_пл диаметр плазменных пушек, D диаметр внешнего электрода.The closest known technical solutions to the proposed one is a plasma erosion switch [2] The known switch contains a vacuum chamber, a pulse voltage source connected to coaxially arranged electrodes, a system of radially located plasma guns, and the central electrode is made in the form of a spiral, the angle of approach of which is determined by the expression
90 ^° >α> arcsin

where σ _PL , σ _{m the} electrical conductivity of the plasma and electrode material, respectively; R is the radius of the spiral, d is the thickness of the coil of the spiral, and its length l _sp is determined by the expression
[d _pl - / D 2R /] <l _sp ≅ 2 [d _pl + / D 2R /] where d _{pl the} diameter of the plasma guns, D the diameter of the external electrode.

Недостатком этого размыкателя является низкий КПД передачи энергии в нагрузку, а также отсутствие стабильности работы. The disadvantage of this breaker is the low efficiency of energy transfer to the load, as well as the lack of stability.

Цель изобретения повышение стабильности работы и увеличение мощности, коммутируемой в нагрузку. The purpose of the invention is to increase stability and increase the power switched to the load.

Поставленная цель достигается тем, что в отличие от известного плазмоэрозионного размыкателя, содержащего вакуумную камеру, коаксиально расположенные электроды, образующие разрядный канал, подключенные с одной стороны к разноименным клеммам источника тока, а с другой стороны к нагрузке, и систему плазменных пушек, установленных во внешнем электроде в радиальном направлении относительно разрядного канала, предлагаемый размыкатель снабжен блоком контролируемого роста индуктивности, выполненным в виде изолятора и размещенным между коаксиальными электродами со стороны нагрузки, торцевая поверхность которого, обращенная к разрядному каналу, выполнена со спиральным каналом остроугольного профиля. При этом коаксиальные электроды со стороны блока контролируемого роста индуктивности выполнены со сквозными пазами, заполненными диэлектриком. This goal is achieved by the fact that, in contrast to the known plasma erosion switch containing a vacuum chamber, coaxially arranged electrodes forming a discharge channel, connected on one side to opposite terminals of the current source, and on the other hand to the load, and a system of plasma guns installed in the external the electrode in a radial direction relative to the discharge channel, the proposed breaker is equipped with a block of controlled growth of inductance, made in the form of an insulator and placed between paraxial load side electrodes, an end surface of which facing the discharge channel is formed with a spiral channel acute-angled profile. In this case, the coaxial electrodes from the side of the block of controlled growth of inductance are made with through grooves filled with a dielectric.

На чертеже представлен в разрезе плазменно-эрозионный размыкатель, общий вид. The drawing shows in section a plasma erosive switch, General view.

Размыкатель состоит из коаксиальных электродов 1, 2, источника тока 3, вакуумной камеры 4, образованной электродами, плазменных пушек 5, диэлектрической преграды 6 со спиральным каналом 7, стенки которого имеют остроугольный профиль; при этом электроды выполнены с пазами 8, заполненными диэлектриком; 9 нагрузка. The disconnector consists of coaxial electrodes 1, 2, a current source 3, a vacuum chamber 4 formed by electrodes, plasma guns 5, a dielectric barrier 6 with a spiral channel 7, the walls of which have an acute-angled profile; while the electrodes are made with grooves 8 filled with a dielectric; 9 load.

Предлагаемое устройство работает следующим образом. The proposed device operates as follows.

При включении плазменных пушек 5, в пространство вакуумной камеры 4 между электродами 1 и 2 инжектируется плазма. При достижении плазмой внутреннего электрода к электродам подводится ток от источника 3. По цепи: источник тока электроды плазма начинает течь ток. Ток создает в пространстве между электродами магнитное поле. Со стороны магнитного поля на плазму с током действуют электромагнитные силы, ускоряющие плазму вдоль коаксиальных электродов. Втекание ускоренной плазмы в спиральный канал 7 приводит к перестройке тока и магнитного поля и к резкому увеличению ее индуктивности, сопротивления и длины, что приводит к переключению тока и выключению его в плазменной перемычке. When you turn on the plasma guns 5, plasma is injected into the space of the vacuum chamber 4 between the electrodes 1 and 2. When the plasma reaches the internal electrode, current is supplied from the source 3 to the electrodes. Circuit: current source the plasma electrodes begin to flow. The current creates a magnetic field in the space between the electrodes. From the side of the magnetic field, electromagnetic forces act on the plasma with current, accelerating the plasma along the coaxial electrodes. The flow of accelerated plasma into the spiral channel 7 leads to a restructuring of the current and magnetic field and to a sharp increase in its inductance, resistance, and length, which leads to switching the current and turning it off in the plasma jumper.

Плазма с током в магнитном поле не устойчива по отношению к росту индуктивности. Электромагнитные силы действуют всегда в направлении ее увеличения. Из-за развития неустойчивости рост индуктивности плазмы происходит самопроизвольно, неконтролируемым образом. A plasma with a current in a magnetic field is not stable with respect to an increase in inductance. Electromagnetic forces always act in the direction of its increase. Due to the development of instability, the increase in plasma inductance occurs spontaneously, in an uncontrolled manner.

Экспериментальная проверка осуществлялась в коаксиальной линии. Материал электродов медь. В качестве диэлектрической преграды был использован фторопласт со спиральным каналом. Запитка линии производилась от конденсаторной батареи с напряжением 4 кВ. Индуктивность подводящих проводов и линии от преграды ≈ 0,5˙10^-6 Гн. Нагрузкой являлась индуктивность ≈ 0,5˙10^-6 Гн. Плазма, замыкающая электроды, создавалась взрывом алюминиевой фольги, масса 50 мг. В нагрузку был переключен ток в соответствии с законом сохранения потока. Максимальное напряжение на нагрузке 56 кВ. Прерыватель работает стабильно. При наиболее "тяжелой" для переключения индуктивной нагрузке осуществлено увеличение мощности в 28 раз.The experimental verification was carried out in a coaxial line. The material of the electrodes is copper. A fluoroplastic with a spiral channel was used as a dielectric barrier. The line was powered by a 4 kV capacitor bank. Inductance of supply wires and lines from the barrier ≈ 0.5˙10 ^-6 GN. The load was the inductance ≈ 0.5˙10 ^-6 GN. The plasma closing the electrodes was created by the explosion of aluminum foil, mass 50 mg. The current was switched to the load in accordance with the law of conservation of flow. Maximum voltage at load 56 kV. The chopper is stable. With the most “inductive” load switching, an increase in power by 28 times was carried out.

Изобретение предназначено для согласования импульсных источников энергии с разного рода нагрузками. Нагрузкой, в зависимости от решаемых задач, могут быть накаливаемые и ненакаливаемые вакуумные диоды, источники ионов, ускорители заряженных частиц, плазменные устройства и др. Источником тока могут служить конденсаторные батареи (быстрые и медленные), индуктивные накопители энергии, взрывомагнитные и магнитогидродинамические генераторы и т.д. В качестве рабочего вещества в плазменных пушках могут быть использованы вещества с малой атомной массой. The invention is intended for matching pulsed energy sources with various kinds of loads. The load, depending on the tasks being solved, can be incandescent and non-incandescent vacuum diodes, ion sources, charged particle accelerators, plasma devices, etc. Capacitor batteries (fast and slow), inductive energy storage devices, explosive and magnetohydrodynamic generators, etc. can serve as a current source. .d. As a working substance in plasma guns can be used substances with a small atomic mass.

Кроме того, изобретение может использоваться для генерации высоковольтных электрических импульсов, при этом могут использоваться полные генерирующие импульсы и импульсы в различной фазе генерации. In addition, the invention can be used to generate high voltage electrical pulses, while full generating pulses and pulses in different generation phases can be used.

Преимуществом изобретения является то, что в предлагаемом техническом решении целенаправленный контролируемый рост индуктивности обеспечен затеканием ускоренной электромагнитными силами плазмы в спиральный канал в диэлектрической преграде. Стенки спирального канала имеют остроугольный профиль для предотвращения возникновения отраженных ударных волн, препятствующих затеканию плазмы в канал. Затекание плазмы в заранее заданный спиральный канал приводит к контролируемому росту индуктивности и к перестройке тока и магнитного поля. Первоначально плоский плазменный диск превращается в спираль с заранее заданной индуктивностью. Возрастает индуктивность плазмы, а вместе с ее перестройкой и сопротивление. При этом сопротивление возрастает на несколько порядков. В процессе изменения индуктивности на ней возникает ЭДС индукции, которая вместе с напряжением на сопротивлении плазмы приводит к уменьшению тока в плазме и к переключению его в нагрузку. Ток в плазме уменьшается, что приводит к ее распаду и полному выключению. An advantage of the invention is that in the proposed technical solution, a targeted controlled increase in inductance is ensured by the flow of plasma accelerated by electromagnetic forces into a spiral channel in a dielectric barrier. The walls of the spiral channel have an acute-angled profile to prevent the occurrence of reflected shock waves that impede the flow of plasma into the channel. The flow of plasma into a predetermined spiral channel leads to a controlled increase in inductance and to the restructuring of the current and magnetic field. Initially, a flat plasma disk turns into a spiral with a predetermined inductance. The inductance of the plasma increases, and along with its rearrangement, the resistance. In this case, the resistance increases by several orders of magnitude. In the process of changing the inductance, an induction emf arises on it, which, together with the voltage on the plasma resistance, leads to a decrease in the current in the plasma and to its switching to the load. The current in the plasma decreases, which leads to its decay and complete shutdown.

Чтобы исключить возникновение вихревых токов в коаксиальных электродах при перестройке тока и магнитного поля, уменьшающих индуктивность перестраиваемой плазмы, коаксиальные электроды выполнены со сквозными пазами, заполненными диэлектриком. To exclude the occurrence of eddy currents in coaxial electrodes during the tuning of the current and magnetic field, which reduce the inductance of the tunable plasma, the coaxial electrodes are made with through slots filled with a dielectric.

Таким образом, использование изобретения позволяет повысить стабильность работы размыкателя и увеличить мощность, коммутируемую в нагрузку. Thus, the use of the invention improves the stability of the circuit breaker and increase the power switched to the load.

Claims

1. PLASMOEROSION BREAKER containing a vacuum chamber, coaxially arranged electrodes forming a discharge channel, connected on one side to opposite terminals of the current source, and on the other hand to the load, and a system of plasma guns mounted in the outer electrode in a radial direction relative to the discharge channel, characterized in that, in order to increase the stability of operation and increase the power switched to the load, the disconnector is equipped with a block of controlled growth of inductance, made in the form zolyatora and placed between electrodes coaxial with the load side end face of which facing the discharge channel is formed with a spiral channel acute-angled profile.

2. The disconnector according to claim 1, characterized in that the coaxial electrodes on the side of the block of controlled growth of inductance are made with through grooves filled with a dielectric.