RU2660171C1

RU2660171C1 - Pulse periodic charging system

Info

Publication number: RU2660171C1
Application number: RU2017133075A
Authority: RU
Inventors: Евгений Анатольевич Байдаков; Вячеслав Вячеславович Воронин; Артем Николаевич Максимов; Виктор Дмитриевич Селемир; Николай Владимирович Степанов
Priority date: 2017-09-21
Filing date: 2017-09-21
Publication date: 2018-07-05

Abstract

FIELD: electrical engineering.

SUBSTANCE: system of pulse periodic charging (PPC) with an intermediate capacitive storage refers to high-voltage pulse technology and can be used in the development of powerful pulsed-periodic electron accelerators and microwave generators based on them. System of pulse-periodic charging with an intermediate capacitive accumulator contains a high-voltage source, a buffer capacitive accumulator, a high-speed protective relay, two inductors, two high-voltage diodes, a spark gap with two groups of fixed spatially spaced and parallel electrodes and two superimposed rotating electrodes with three-pin contacts each, an intermediate capacitive accumulator, a high-voltage pulse generator, as well as a position sensor for rotating electrodes and two sliding contacts electrically connected on one side to the rotating electrodes, on the other through a current-limiting element with a grounded casing of the arrester.

EFFECT: increased stability of the operation of a system of pulse-periodic charging at the limiting frequencies, the reliability of its operation, and minimization of the consequences of the incorrect operation of the main elements included in the PPC and the high-voltage pulse generator.

1 cl, 2 dwg

Description

Изобретение относится к высоковольтной импульсной технике и может быть использовано при разработке мощных импульсно-периодических ускорителей электронов и СВЧ-генераторов на их основе.The invention relates to high-voltage pulse technology and can be used in the development of powerful pulse-periodic electron accelerators and microwave generators based on them.

При создании мощных электрофизических установок и, в частности, ускорителей электронов, работающих в импульсно-периодическом режиме с высокой средней мощностью электронного пучка, весьма актуальной задачей является разработка эффективной и надежной системы импульсно-периодической зарядки (СИЗ) емкостных накопителей генераторов высоковольтных импульсов (ГВИ). При уровнях средней мощности пучка в сотни киловатт и выше наиболее предпочтительным является подход с использованием предварительно заряжаемого высоковольтного буферного емкостного накопителя, энергия из которого с помощью коммутатора-прерывателя дозировано передается в емкостной накопитель генератора высоковольтных импульсов (рабочую емкость).When creating high-power electrophysical installations and, in particular, electron accelerators operating in a pulsed-periodic mode with a high average electron beam power, a very urgent task is to develop an effective and reliable system of repetitively-periodic charging (SIZ) of capacitive storage devices for high-voltage pulse generators (GVI) . At average beam power levels of hundreds of kilowatts and above, the most preferable approach is the use of a pre-charged high-voltage buffer capacitive storage, the energy from which is metered through a switch-interrupter to the capacitive storage of a high-voltage pulse generator (working capacity).

Основным элементом в схеме с дозированным отбором энергии из буферного накопителя является коммутатор-прерыватель, функции которого в высоковольтных вариантах СИЗ может выполнять разрядник с вращающимся электродом (РВЭ), который периодически замыкает буферную накопительную емкость на накопитель генератора высоковольтных импульсов и после окончания зарядки разрывает цепь. Основными проблемами при эксплуатации РВЭ и всей СИЗ на его основе в целом являются эффективное гашение высоковольтной дуги по окончании зарядки, надежное без пропусков закорачивание промежутков разрядника в начале зарядки и повышение надежности функционирования СИЗ за счет быстрого прерывания ее работы при возникновении нештатных ситуаций.The main element in the circuit with dosed energy extraction from the buffer storage is a switch-interrupter, the functions of which in high-voltage versions of SIZ can be performed by a rotating electrode discharger (REM), which periodically closes the buffer storage capacitance to the storage of the high-voltage pulse generator and breaks the circuit after charging. The main problems during operation of the electrical equipment and the entire PPE based on it as a whole are the effective quenching of the high-voltage arc at the end of charging, reliable short-circuiting of the gap of the arrester at the beginning of charging and increasing the reliability of the PPE due to the rapid interruption of its operation in case of emergency.

Следует отметить, что разрядники с вращающимся электродом для коммутации емкостного накопителя на нагрузку - разряд в воде - широко используются в промышленности для дробления щебня, очистки вагонеток от окалины и т.д. (Л.А. Юткин Электрогидравлическое дробление Л. ЛДНТП, ч. 1, 1959, 36 с.). Применение таких систем основано на электрогидравлическом эффекте. Указанные устройства работают в широком интервале запасенной в буфере энергии и питающих напряжений, однако частоты срабатываний ограничиваются единицами герц и лишь при средних мощностях до 50 кВт реализованы режимы с частотой следования импульсов 50…100 Гц.It should be noted that arresters with a rotating electrode for switching a capacitive storage device to a load - a discharge in water - are widely used in industry for crushing crushed stone, cleaning trolleys from scale, etc. (L.A. Yutkin Electro-hydraulic crushing L. LDNTP, part 1, 1959, 36 pp.). The use of such systems is based on the electro-hydraulic effect. These devices operate in a wide range of energy and supply voltages stored in the buffer, however, the response frequencies are limited to units of Hertz and only with average powers up to 50 kW are modes with a pulse repetition rate of 50 ... 100 Hz implemented.

За аналог заявляемой системы выбран генератор импульсных токов с фильтровой (буферной) емкостью и индуктивной зарядной цепью электрогидравлической установки (Л.А. Юткин Электрогидравлические установки // Ленинград. - Машиностроение. - 1986. - стр. 86-90, рис 3.1д).For an analogue of the claimed system, a pulse current generator with a filter (buffer) capacity and an inductive charging circuit of an electro-hydraulic installation was selected (L.A. Yutkin Electro-hydraulic installations // Leningrad. - Mechanical Engineering. - 1986. - P. 86-90, Fig. 3.1e).

Система - аналог содержит источник высокого напряжения, буферный емкостной накопитель, индуктивность, высоковольтный диод, размещенный в заземленном корпусе разрядник с двумя неподвижными электродами и вращающимся электродом и генератор высоковольтных импульсов. (ГВИ)The analog system contains a high voltage source, a buffer capacitive storage, inductance, a high voltage diode, a spark gap with two stationary electrodes and a rotating electrode, and a high voltage pulse generator, located in a grounded housing. (GVI)

В основе функционирования системы импульсно-периодической зарядки, выполненной по схеме аналога, лежит процесс дозированного отбора энергии с помощью коммутатора-прерывателя из предварительно заряженного с помощью источника высокого напряжения буферного накопителя. В качестве коммутатора-прерывателя в прототипе использован разрядник с двумя неподвижным электродами и одним вращающимся электродом, для которого величина коммутируемой энергии ограничена электрической прочностью конструкции и эрозионной стойкостью электродов. Расстояние между неподвижными электродами при этом определяется размером вращающегося электрода.The functioning of the system of pulse-periodic charging, made according to the analogue scheme, is based on the process of dosed energy extraction using a switch-interrupter from a buffer storage device that is previously charged using a high voltage source. As a switch-chopper in the prototype, a spark gap with two fixed electrodes and one rotating electrode is used, for which the amount of switched energy is limited by the electric strength of the structure and the erosion resistance of the electrodes. The distance between the stationary electrodes is determined by the size of the rotating electrode.

Следует особо отметить, что в аналоге в составе РВЭ использован один вращающийся электрод, неподвижные электроды расположены друг напротив друга и зазор между ними определяется размерами вращающегося электрода, что ограничивает электрическую прочность конструкции и скорость гашения дуги.It should be especially noted that in the analogue, a single rotating electrode is used in the RWE, the stationary electrodes are located opposite each other and the gap between them is determined by the dimensions of the rotating electrode, which limits the electric strength of the structure and the rate of arc extinction.

Система импульсно-периодической зарядки, выполненная по схеме аналога, позволяет получать практически любую частоту следования импульсов при небольших рабочих емкостях до 0,1 мкФ. Это достигается тем, что буферная емкость работает в режиме частичного разряда, а рабочая - заряжается в течение одного полупериода в колебательном режиме через индуктивность с малыми омическими потерями. При этом буферная емкость превышает рабочую в 15…20 раз.The system of pulse-periodic charging, made according to the analogue scheme, allows you to get almost any pulse repetition rate at small working capacities up to 0.1 μF. This is achieved by the fact that the buffer capacity operates in the partial discharge mode, and the working one is charged for one half-cycle in the oscillatory mode through an inductance with low ohmic losses. Moreover, the buffer capacity exceeds the working one by 15 ... 20 times.

Вместе с тем, повышение средней мощности, передаваемой в накопитель генератора высоковольтных импульсов, с помощью системы импульсно-периодической зарядки по схеме аналога требует существенного увеличения емкости буферной батареи, а значит и энергетики, запасаемой в ней, что существенным образом повышает негативные последствия нештатных ситуаций. Эти нештатные ситуации в подавляющем большинстве случаев связаны с не восстановлением электрической прочности до номинального уровня, либо самопробоем коммутатора (либо коммутаторов) генератора высоковольтных импульсов и самопробоя самого разрядника с вращающимися электродами на землю. С учетом большой запасаемой в буфере энергии, последствия нештатной работы ключевых элементов носят взрывной характер, что связано с существенно растущим по амплитуде и длительности током разрядки буферной емкости. Кроме того, при наличии закороченного коммутатора рабочего накопителя, либо РВЭ на землю, оборвать ток в цепи СИЗ, многократно превышающий номинальный, без принятия специальных мер, не представляется возможным. Происходит полная разрядка буферной емкости с выгоранием или повреждением электродов РВЭ и коммутаторов высоковольтного генератора. Установка плавкого предохранителя в цепи СИЗ способна частично решить проблему защиты, но его эффективность и быстродействие в импульсных схемах существенно ограничены. Кроме того, восстановление работоспособности системы зарядки в этом случае возможно только после замены предохранителя.At the same time, increasing the average power transmitted to the drive of a high-voltage pulse generator using a periodic periodic charging system using an analogue circuit requires a significant increase in the capacity of the buffer battery, and hence the energy stored in it, which significantly increases the negative consequences of emergency situations. These abnormal situations in the vast majority of cases are associated with the failure to restore the electric strength to the nominal level, or the breakdown of the switchboard (or switches) of the high-voltage pulse generator and the breakdown of the spark gap itself with rotating electrodes to the ground. Given the large energy stored in the buffer, the consequences of abnormal operation of key elements are explosive, which is associated with a significantly increasing amplitude and duration of the discharge current of the buffer capacity. In addition, if there is a shorted switch of the working drive, or RVE to the ground, it is not possible to cut off the current in the PPE circuit many times higher than the nominal one without taking special measures. The buffer capacity is completely discharged with burnout or damage to the RWE electrodes and switches of the high-voltage generator. Installing a fuse in the PPE circuit can partially solve the protection problem, but its efficiency and performance in pulse circuits are significantly limited. In addition, restoration of the charging system in this case is only possible after replacing the fuse.

Недостатками системы импульсно-периодической зарядки, выбранной в качестве аналога, являются относительно невысокий уровень средней мощности, передаваемой в нагрузку, отсутствие защиты цепи от возникающего сквозного тока из-за не восстановления электрической прочности коммутатора генератора высоковольтных импульсов, а также периодические пропуски срабатывания РВЭ из-за наличия остаточного потенциала на вращающемся электроде от предыдущего импульса.The disadvantages of the pulsed-periodic charging system, chosen as an analogue, are the relatively low level of average power transmitted to the load, the lack of circuit protection from the resulting through current due to the failure to restore the electrical strength of the switch of the high-voltage pulse generator, and also the periodic misses of the RWE due to due to the presence of residual potential on the rotating electrode from the previous pulse.

За прототип, наиболее близкий к заявляемой системе импульсно-периодической зарядки по совокупности признаков, выбрана система импульсно-периодической зарядки в соответствии с патентом РФ №2560716, опубликовано 20.08.2015, патентообладатель ФГУП «РФЯЦ-ВНИИЭФ», ГК в “Росатом”.For the prototype closest to the claimed system of pulse-periodic charging according to the totality of features, a system of pulse-periodic charging was selected in accordance with RF patent No. 2560716, published on 08/20/2015, patent holder of the Federal State Unitary Enterprise "RFNC-VNIIEF", State Corporation in "Rosatom".

Прототип содержит источник высокого напряжения, буферный емкостной накопитель, индуктивность, высоковольтный диод, разрядник, содержащий два пространственно разнесенных неподвижных электрода и вращающийся электрод с тремя штыревыми контактами, быстродействующее защитное реле, датчик положения вращающегося электрода, скользящий контакт, электрически связанный с одной стороны с вращающимся электродом, с другой через токоограничивающий элемент с корпусом разрядника и генератор высоковольтных импульсов.The prototype contains a high voltage source, a buffer capacitive storage, inductance, a high voltage diode, a spark gap containing two spatially spaced stationary electrodes and a rotating electrode with three pin contacts, a quick-acting protective relay, a position sensor for the rotating electrode, a sliding contact, electrically connected on one side to the rotating an electrode, on the other hand, through a current-limiting element with a spark gap housing and a high-voltage pulse generator.

В основе функционирования системы импульсно-периодической зарядки, выполненной по схеме прототипа, лежит процесс дозированного отбора энергии с помощью коммутатора-прерывателя из предварительно заряженного с помощью источника высокого напряжения буферного накопителя. В качестве коммутатора-прерывателя в прототипе использован разрядник с двумя пространственно разнесенными неподвижными электродами и одним расположенным на валу вращающимся электродом с тремя штыревыми контактами с возможностью вращения его штыревых контактов (штырей) относительно неподвижных электродов, для которого величина коммутируемой энергии ограничена электрической прочностью конструкции и эрозионной стойкостью электродов. Причем, штыревые контакты вращающегося электрода, как и два пространственно разнесенных неподвижных электрода расположены в одной плоскости и относительно друг друга под углом 120°. Такая конструкция позволяет за один оборот вала получить три срабатывания разрядника. Расстояние между неподвижными электродами при этом определяется диаметром вращающегося электрода. В схеме СИЗ прототипа буферная емкость через индуктивность и высоковольтный диод электрически связана с неподвижным электродом РВЭ, второй неподвижный электрод РВЭ соединен с емкостным накопителем генератора высоковольтных импульсов. При этом один из неподвижных электродов находится под потенциалом зарядки буферной емкости, второй, поскольку рабочая емкость изначально не заряжена, находится под нулевым потенциалом. При сближении вращающегося электрода с неподвижными за счет разности потенциалов первоначально происходит пробой воздушного промежутка между высоковольтным неподвижным электродом и вращающимся. В результате подвижный электрод попадает под высокий потенциал, что в свою очередь ведет к пробою второго межэлектродного промежутка между подвижным и вторым неподвижным, связанным с рабочей емкостью. Таким образом, электрическая цепь замыкается и начинается зарядка генератора, которая носит резонансный характер. Подвижный электрод продолжает свое вращательное движение и расстояние между ним и неподвижным электродом непрерывно увеличивается. При этом ток зарядки рабочей емкости продолжает течь через электрическую дугу, образовавшуюся между электродами. По мере роста напряжения на рабочей емкости ток зарядки падает, в момент окончания зарядки он становится равным нулю и в штатном режиме работы дуга самопроизвольно гаснет. Этому способствует и наличие в цепи защитного высоковольтного диода, который предотвращает возникновение колебательного процесса в системе буферная емкость - рабочая емкость - индуктивность. Наличие защитного диода, кроме того, позволяет за счет организации принудительной временной задержки между окончанием процесса зарядки (нулем тока) и коммутацией рабочей емкости на нагрузку гарантированно обеспечить обрыв высоковольтной дуги в разряднике с вращающимся электродом за счет паузы тока. Чтобы исключить пропуски срабатывания РВЭ из-за наличия остаточного потенциала на вращающемся электроде от предыдущего импульса в конструкцию введен скользящий контакт, электрически связанный с одной стороны с вращающимся электродом, с другой через токоограничивающий элемент с заземленным корпусом разрядника.The functioning of the system of pulse-periodic charging, made according to the prototype scheme, is based on the process of dosed energy selection using a switch-interrupter from a buffer storage device previously charged with a high voltage source. As a switch-chopper in the prototype, a spark gap is used with two spatially spaced stationary electrodes and one rotating electrode located on the shaft with three pin contacts with the possibility of rotation of its pin contacts (pins) relative to the fixed electrodes, for which the amount of switched energy is limited by the electric strength of the structure and erosion resistance of electrodes. Moreover, the pin contacts of the rotating electrode, as well as two spatially spaced stationary electrodes are located in the same plane and relative to each other at an angle of 120 °. This design allows for one revolution of the shaft to get three operation of the arrester. The distance between the stationary electrodes is determined by the diameter of the rotating electrode. In the prototype PPE circuit, the buffer capacitance is connected through an inductance and a high-voltage diode to a fixed RVE electrode, the second fixed RVE electrode is connected to a capacitive storage of a high-voltage pulse generator. In this case, one of the stationary electrodes is under the potential of charging the buffer capacity, the second, since the working capacity is not initially charged, is at zero potential. When the rotating electrode approaches the stationary ones due to the potential difference, the breakdown of the air gap between the high-voltage stationary electrode and the rotating one initially occurs. As a result, the movable electrode falls under high potential, which in turn leads to the breakdown of the second interelectrode gap between the movable and the second stationary, associated with the working capacity. Thus, the electric circuit is closed and charging of the generator begins, which is of a resonant nature. The movable electrode continues its rotational movement and the distance between it and the fixed electrode is continuously increasing. At the same time, the charging current of the working capacity continues to flow through the electric arc formed between the electrodes. As the voltage at the working capacitance rises, the charging current drops, at the moment of the end of charging it becomes equal to zero and in the normal operation mode the arc goes out spontaneously. This is facilitated by the presence in the circuit of a protective high-voltage diode, which prevents the occurrence of an oscillatory process in the system buffer capacity - working capacity - inductance. The presence of a protective diode, in addition, allows organizing a forced time delay between the end of the charging process (current zero) and the switching of the working capacitance to the load, which ensures that the high-voltage arc breaks in the spark gap with a rotating electrode due to a current pause. In order to eliminate the omissions of the EWF due to the presence of residual potential on the rotating electrode from the previous pulse, a sliding contact is introduced into the structure, electrically connected on one side to the rotating electrode, and on the other through a current-limiting element with a grounded arrester housing.

Система импульсно-периодической зарядки, выполненная по схеме прототипа, позволяет получать частоту следования импульсов порядка 300 Гц при рабочих емкостях до 15 мкФ, Это достигается тем, что буферная емкость работает в режиме частичного разряда, а рабочая - заряжается в течение одного полупериода и колебательном режиме через индуктивность с малыми омическими потерями. При этом величина буферной емкости превышает рабочую в 500…600 раз. Запасенная энергия будет составлять порядка 0.5 МДж. Все это существенным образом повышает негативные последствия нештатных ситуаций. Эти нештатные ситуации в подавляющем большинстве случаев связаны с не восстановлением электрической прочности до номинального уровня, либо самопробоем коммутатора (либо коммутаторов) генератора высоковольтных импульсов. С учетом большой запасаемой в буфере энергии, последствия нештатной работы ключевых элементов носят взрывной характер, что связано с существенно растущим по амплитуде и длительности током разрядки буферной емкости. Происходит полная разрядка буферной емкости с выгоранием или повреждением электродов РВЭ и коммутаторов высоковольтного генератора. Для устранения таких проблем в цепи СИЗ установлено быстродействующее защитное реле. В случае нештатной работы коммутаторов генератора высоковольтных импульсов возникает сквозной ток из буферной емкости на землю, амплитуда и длительность которого существенно превышает штатные рабочие значения. Установленный в цепи пороговый токовый датчик при этом формирует сигнал на запуск защитного высоковольтного реле, которое быстро разрывает зарядную цепь на заранее выбранный временной интервал.The system of pulse-periodic charging, made according to the prototype scheme, allows to obtain a pulse repetition rate of the order of 300 Hz at operating capacitances up to 15 μF. This is achieved by the fact that the buffer capacitance operates in the partial discharge mode, and the operating one is charged for one half-cycle and oscillatory mode through inductance with low ohmic losses. In this case, the value of the buffer capacity exceeds the working one by 500 ... 600 times. The stored energy will be about 0.5 MJ. All this significantly increases the negative consequences of emergency situations. These abnormal situations in the vast majority of cases are associated with not restoring the electric strength to the nominal level, or with the breakdown of the switchboard (or switches) of the high-voltage pulse generator. Given the large energy stored in the buffer, the consequences of abnormal operation of key elements are explosive, which is associated with a significantly increasing amplitude and duration of the discharge current of the buffer capacity. The buffer capacity is completely discharged with burnout or damage to the RWE electrodes and switches of the high-voltage generator. To eliminate such problems, a high-speed protective relay is installed in the PPE circuit. In the event of abnormal operation of the switches of the high-voltage pulse generator, there is a through current from the buffer tank to the ground, the amplitude and duration of which significantly exceeds the standard operating values. The threshold current sensor installed in the circuit at the same time generates a signal to start the protective high-voltage relay, which quickly breaks the charging circuit into a pre-selected time interval.

Недостатком системы импульсно-периодической зарядки, выбранной в качестве прототипа, является то, что при частоте следования импульсов близкой к 300 Гц технические возможности защитного высоковольтного реле не всегда позволяют вовремя отключить буферную емкость. Да и ресурс такого реле ограничен из-за подгорания контактных площадок. Все это негативно сказывается на работе коммутаторов генератора высоковольтных импульсов.The disadvantage of the system of pulse-periodic charging, selected as a prototype, is that when the pulse repetition rate is close to 300 Hz, the technical capabilities of the protective high-voltage relay do not always allow you to disconnect the buffer capacity in time. Yes, and the resource of such a relay is limited due to burning contact pads. All this negatively affects the operation of the switches of the high-voltage pulse generator.

Следует особо отметить, что без принятия специальных мер дальнейшее повышение средней мощности системы импульсно-периодической зарядки, построенной по схеме прототипа, и увеличение частоты следования импульсов вызовет еще большие трудности в обеспечении ее функционирования из-за существенно возрастающей вероятности возникновения нештатных ситуаций.It should be especially noted that without taking special measures, a further increase in the average power of the pulse-periodic charging system constructed according to the prototype scheme and an increase in the pulse repetition rate will cause even greater difficulties in ensuring its functioning due to the significantly increased probability of emergency situations.

Таким образом, для повышения частоты следования импульсов и среднего уровня мощности, передаваемой в нагрузку с помощью системы импульсно-периодической зарядки с защитным высоковольтным реле на основе дозированного отбора энергии с использованием разрядника с вращающимся электродом, и увеличения надежности функционирования СИЗ в этом режиме, необходим ряд усовершенствований, минимизирующих последствия некорректной работы элементов.Thus, to increase the pulse repetition rate and the average level of power transmitted to the load using a pulse-periodic charging system with a protective high-voltage relay based on dosed energy extraction using a spark gap discharger with a rotating electrode, and to increase the reliability of the operation of PPE in this mode, a number of Improvements that minimize the effects of malfunctioning elements.

Техническая проблема состоит в совершенствовании схемы построения системы импульсно-периодической зарядки (СИЗ) на базе дозированного отбора энергии из высоковольтного буферного накопителя в разрядник путем введения в систему промежуточного емкостного накопителя (ПН), что позволит усилить энергетические возможности и надежность системы.The technical problem is to improve the design of a pulse-periodic charging (SPS) system based on dosed energy extraction from a high-voltage buffer storage device to a spark gap by introducing an intermediate capacitive storage (PN) into the system, which will enhance the energy capabilities and reliability of the system.

Ожидаемым техническим результатом предполагаемого решения является увеличение средней мощности и частоты следования импульсов системы импульсно-периодической зарядки, повышение надежности ее работы и минимизация последствий некорректной работы основных элементов, входящих в СИЗ и генератор высоковольтных импульсов.The expected technical result of the proposed solution is to increase the average power and pulse repetition rate of the pulse periodic charging system, increase the reliability of its operation and minimize the consequences of incorrect operation of the main elements included in the PPE and the high-voltage pulse generator.

Технический результат достигается тем, что в отличие от известной системы импульсно-периодической зарядки, содержащей электрически связанные между собой источник высокого напряжения, буферный емкостной накопитель, индуктивность, высоковольтный диод, разрядник и генератор высоковольтных импульсов, содержащий рабочую емкость и коммутатор, причем разрядник содержит группу электродов в виде двух пространственно разнесенных неподвижных электродов и вращающегося электрода, содержащего как минимум два штыревых контакта, установленного на валу с возможностью вращения его штыревых контактов относительно неподвижных электродов, разрядник оснащен датчиком положения вращающегося электрода и скользящим контактом, электрически связанным с одной стороны с вращающимся электродом с другой через токоограничивающий элемент с корпусом разрядника, в предлагаемой системе, в разрядник введена вторая группа электродов, идентичная первой, введен дополнительный скользящий контакт, электрически связанный с одной стороны с вращающимся электродом второй группы, с другой через идентичный первому токоограничивающий элемент с корпусом разрядника, причем неподвижные электроды первой группы ориентированы относительно неподвижных электродов второй группы под углом, исключающим возможность одновременного протекания зарядного тока через обе группы электродов при относительном вращении, вращающиеся электроды первой и второй групп расположены друг под другом и находятся также, как и неподвижные, в параллельных плоскостях, неподвижные электроды первой и второй группы соединены электрической цепью, к которой подключен промежуточный емкостной накопитель, причем между промежуточным емкостным накопителем и второй группой неподвижных электродов установлена индуктивность и высоковольтный диод, идентичные подключенным к первой группе неподвижных электродов, при этом емкость промежуточного накопителя равна рабочей емкости генератора высоковольтных импульсовThe technical result is achieved in that, in contrast to the known system of pulse-periodic charging, which contains an electrically connected high voltage source, a buffer capacitive storage, inductance, a high voltage diode, a spark gap and a high voltage pulse generator containing a working capacitance and a switch, the spark gap containing a group electrodes in the form of two spatially spaced stationary electrodes and a rotating electrode containing at least two pin contacts, installed and the shaft with the possibility of rotation of its pin contacts relative to the fixed electrodes, the spark gap is equipped with a position sensor of a rotating electrode and a sliding contact electrically connected on one side with a rotating electrode on the other through a current-limiting element with a housing of the spark gap, in the proposed system, a second group of electrodes is introduced into the spark gap, identical to the first, an additional sliding contact is introduced, electrically connected on one side with a rotating electrode of the second group, on the other, through an identical a current-limiting element with a spark gap housing, the stationary electrodes of the first group being oriented relative to the stationary electrodes of the second group at an angle that excludes the possibility of simultaneous flow of the charging current through both groups of electrodes with relative rotation, the rotating electrodes of the first and second groups are located one above the other and are also located like fixed, in parallel planes, fixed electrodes of the first and second groups are connected by an electric circuit to which intermediate capacitive storage, and between the intermediate capacitive storage and the second group of fixed electrodes installed inductance and a high-voltage diode identical to those connected to the first group of fixed electrodes, while the capacity of the intermediate storage is equal to the working capacity of the high-voltage pulse generator

Технический прием, связанный с использованием предварительно заряжаемого высоковольтного буферного емкостного накопителя, энергия из которого с помощью коммутатора-прерывателя дозировано передается через промежуточный емкостной накопитель в рабочую емкость генератора высоковольтных импульсов, наиболее обоснован при уровнях средней мощности пучка в сотни киловатт и выше. Скорость передачи энергии из буфера через промежуточный емкостной накопитель в высоковольтный генератор наиболее просто регулировать с помощью индуктивностей, величина которых в совокупности с величинами промежуточной и рабочей емкостей определяет длительность зарядки промежуточной и рабочей емкости и, соответственно, частоту следования импульсов. Немаловажным преимуществом данной схемы является возможность работать с удвоением напряжения на генераторе высоковольтных импульсов. Кроме того, разрыв цепей прерывателем по окончании цикла зарядки осуществляется в момент нуля тока (в максимуме напряжения на промежуточной и рабочей емкости), что положительно сказывается на эффективности и надежности работы всей системы в целом.The technique associated with the use of a pre-charged high-voltage buffer capacitive storage, the energy from which is metered via a switch-interrupter through a intermediate capacitive storage to the working capacity of the high-voltage pulse generator, is most justified at average beam power levels of hundreds of kilowatts and above. The rate of energy transfer from the buffer through an intermediate capacitive storage to a high-voltage generator is most easily controlled using inductors, the value of which, in combination with the values of the intermediate and working capacities, determines the duration of charging the intermediate and working capacities and, accordingly, the pulse repetition rate. An important advantage of this circuit is the ability to work with doubling the voltage on the high-voltage pulse generator. In addition, the circuit breaker breaker at the end of the charging cycle is carried out at zero current (at the maximum voltage at the intermediate and operating capacitance), which positively affects the efficiency and reliability of the entire system.

Коммутатор-прерыватель, функции которого в высоковольтных вариантах СИЗ с ПН выполняет разрядник с неподвижными и вращающимися электродами (РВЭ), периодически замыкает буферную накопительную емкость на промежуточный емкостной накопитель с последующим разрывом зарядной цепи, а промежуточный накопитель на накопитель (рабочую емкость) генератора высоковольтных импульсов и после окончания зарядки разрывает цепь.The interrupter switch, whose functions in high-voltage versions of SIZ with PN is performed by a spark gap with fixed and rotating electrodes (RVE), periodically closes the buffer storage capacitance to an intermediate capacitive storage with subsequent breaking of the charging circuit, and the intermediate storage to the storage (working capacity) of the high-voltage pulse generator and after the end of charging it breaks the circuit.

Принципиальным в данном техническом подходе является то, что введение в СИЗ промежуточного емкостного накопителя позволяет избежать появления сквозного тока из буферной емкости на землю через ГВИ, что может привести к выходу из строя коммутаторов генератора.The principal thing in this technical approach is that the introduction of an intermediate capacitive storage into the PPE allows avoiding the appearance of through current from the buffer tank to the ground through the GVI, which can lead to failure of the generator switches.

Для реализации предложенного технического решения в РВЭ произведено усовершенствование разрядного узла. Над установленной изначально первой группой электродов (прототип) установлена вторая группа электродов, идентичная первой по составу, состоящая из разнесенных двух пространственно разнесенных неподвижных электродов и вращающегося электрода, содержащего как минимум два штыревых контакта, установленного на валу с возможностью вращения его штыревых контактов относительно неподвижных электродов. Взаиморасположение электродов первой и второй групп электродов (неподвижные электроды первой группы разрядников ориентированы относительно неподвижных электродов второй группы разрядников под углом, исключающим возможность одновременного протекания зарядного тока через обе группы электродов при относительном вращении, вращающиеся электроды первой и второй групп расположены друг под другом и находятся также, как и неподвижные, в параллельных плоскостях) с учетом заявленного электрического подключения приводит к следующему. При срабатывании первой группы электродов вторая будет разомкнута и будет находиться на максимальном расстоянии от первой. Ко второму неподвижному электроду первой группы и первому неподвижному электроду второй группы подключена промежуточная емкость с индуктивностью и высоковольтным диодом, а ко второму неподвижному электроду второй группы подключен ГВИ. Величина промежуточной емкости равна по величине емкости ГВИ. Таким образом, в процессе работы буферная емкость через времязадающую индуктивность сначала зарядит промежуточную, а затем промежуточная емкость через времязадающую индуктивность зарядит емкость ГВИ. Причем промежуточная емкость разрядится практически до нуля. Т.е. отбор энергии из буферного накопителя в емкость ГВИ не будет происходить напрямую, что исключит появление сквозного тока.To implement the proposed technical solution in the RVE, an improvement was made in the discharge unit. A second group of electrodes, identical in composition to the first one, consisting of spaced two spatially spaced stationary electrodes and a rotating electrode containing at least two pin contacts mounted on the shaft with the possibility of rotation of its pin contacts relative to the fixed electrodes, is installed above the initially installed first group of electrodes (prototype) . The relative position of the electrodes of the first and second groups of electrodes (the fixed electrodes of the first group of spark gaps are oriented relative to the fixed electrodes of the second group of spark gaps at an angle that excludes the possibility of simultaneous flow of the charging current through both groups of electrodes with relative rotation, the rotating electrodes of the first and second groups are located one above the other and are also located , as well as motionless, in parallel planes) taking into account the declared electrical connection leads to the following. When the first group of electrodes is triggered, the second will be open and will be at the maximum distance from the first. An intermediate capacitance with an inductance and a high-voltage diode is connected to the second fixed electrode of the first group and the first fixed electrode of the second group, and the GVI is connected to the second fixed electrode of the second group. The value of the intermediate capacity is equal to the value of the capacity of the GVI. Thus, in the process of operation, the buffer capacitance will first charge the intermediate through the timing inductance, and then the intermediate capacity will charge the GVI capacity through the timing inductance. Moreover, the intermediate capacity is discharged to almost zero. Those. energy will not be taken directly from the buffer storage tank to the GVI capacity, which will exclude the appearance of through current.

Таким образом, построение мощной высоковольтной системы импульсно-периодической зарядки емкостных накопителей по предлагаемой схеме позволит повысить среднюю мощность и частоту следования импульсов системы импульсно-периодической зарядки с промежуточным емкостным накопителем по сравнению с прототипом. Внедрение такой СИЗ позволит значительно увеличить надежности работы системы и минимизировать последствия некорректной работы основных элементов, входящих в состав СИЗ.Thus, the construction of a powerful high-voltage system of pulse-periodic charging of capacitive drives according to the proposed scheme will increase the average power and pulse repetition rate of the system of periodic-periodic charging with an intermediate capacitive drive compared to the prototype. The introduction of such PPE will significantly increase the reliability of the system and minimize the consequences of incorrect operation of the main elements that make up the PPE.

На фиг. 1 приведена схема заявляемой системы импульсно-периодической зарядки, где:In FIG. 1 shows a diagram of the inventive system of pulse-periodic charging, where:

1 - источник высокого напряжения;1 - high voltage source;

2 - быстродействующее защитное реле;2 - high-speed protective relay;

3 - буферный емкостной накопитель;3 - buffer capacitive storage;

4, 8 - высоковольтный диод;4, 8 - high voltage diode;

5, 9 - времязадающая индуктивность:5, 9 - timing inductance:

6 - разрядник с двумя группами электродов и двумя скользящими контактами;6 - spark gap with two groups of electrodes and two sliding contacts;

7 - промежуточный емкостной накопитель;7 - intermediate capacitive storage;

10 - генератор высоковольтных импульсов;10 - generator of high voltage pulses;

где С_р - рабочая емкость; К - коммутатор; R - сопротивление.where C _p is the working capacity; K - switch; R is the resistance.

На фиг. 2 приведена схема разрядника с двумя группами электродов, датчиком положения электродов и двумя скользящими контактами, электрически связанными с вращающимися электродами и через токоограничивающий элемент с корпусом разрядника,In FIG. 2 shows a circuit of a spark gap with two groups of electrodes, an electrode position sensor and two sliding contacts electrically connected to rotating electrodes and through a current-limiting element with a spark gap body,

где:Where:

11 - неподвижные электроды второй группы:11 - fixed electrodes of the second group:

12 - вращающийся электрод с штыревыми контактами второй группы;12 - a rotating electrode with pin contacts of the second group;

13 - скользящий контакт второй группы;13 - sliding contact of the second group;

14 - вращающийся электрод с штыревыми контактами первой группы;14 - a rotating electrode with pin contacts of the first group;

15 - неподвижные электроды первой группы;15 - fixed electrodes of the first group;

16 - корпус разрядника;16 - arrester housing;

17 - диэлектрический ват;17 - dielectric wat;

18, 19 - токоограничивающий элемент;18, 19 - current limiting element;

20 - скользящий контакт первой группы;20 - sliding contact of the first group;

21 - диск с датчиком положения вращающихся электродов.21 - disk with a position sensor for rotating electrodes.

Заявляемая система импульсно-периодической зарядки с промежуточным емкостным накопителем реализована на практике. В состав СИЗ с ПН, схема которой представлена на фиг. 1, входят: источник высокого напряжения 1 в виде высоковольтного выпрямителя, буферный емкостной накопитель 3, набранный из параллельно включенных энергоемких высоковольтных конденсаторов, быстродействующее защитное реле 2, представляющее из себя герметичный объем, заполненный трансформаторным маслом, в котором с помощью электромагнита происходит коммутация и размыкание цепи зарядки с использованием подвижных электродов ножевого типа, индуктивностей 5 и 9, защитных сборок 4 и 8 из высоковольтных сильноточных диодов, разрядник с двумя группами электродов и двумя скользящими контактами 6, промежуточный емкостной накопитель 7, набранный из параллельно включенных энергоемких высоковольтных конденсаторов, генератор высоковольтных импульсов 10 с рабочей емкостью С_р и газовым управляемым коммутатором К. Разрядка ГВИ после срабатывания коммутатора осуществлялась на активную нагрузку, которая на схеме представлена сопротивлением R. При этом величина емкости промежуточного накопителя равна величине рабочей емкости генератора высоковольтных импульсов.The inventive system of periodic repetitive charging with an intermediate capacitive storage implemented in practice. The composition of PPE with PN, the circuit of which is presented in FIG. 1, includes: a high-voltage source 1 in the form of a high-voltage rectifier, a buffer capacitive storage 3, composed of parallel-connected energy-intensive high-voltage capacitors, a fast-acting protective relay 2, which is a sealed volume filled with transformer oil, in which switching and opening are carried out using an electromagnet charging circuits using movable knife-type electrodes, inductors 5 and 9, protective assemblies 4 and 8 from high-voltage high-current diodes, a spark gap with two gr ppami electrode and two sliding contacts 6 interim storage capacitor 7 dialed from the parallel-connected energy-intensive high-voltage capacitors, high voltage pulse generator 10 with capacitance C _p and the gas discharge K. controllable switch after the switch actuation AIT was carried out on a resistive load that represented in Scheme resistance R. In this case, the capacity of the intermediate drive is equal to the value of the working capacity of the high-voltage pulse generator.

Разрядник с вращающимися электродами (см. фиг. 2) состоит из заземленного металлического корпуса 16 с первой и второй группой электродов с размещенными внутри него на диэлектрическом валу 17 двумя трех штыревыми вращающимися электродами (вращающиеся электроды с тремя штыревыми контактами каждый) 12 и 14 расположенными друг под другом, двумя группами 11 и 15 пространственно разнесенных неподвижных электродов, жестко связанного с валом РВЭ диска с датчиком положения электродов 21 и двух касающихся вращающихся электродов скользящих контактов 13 и 20, соединенных с корпусом разрядника через токоограничивающие элементы 18 и 19 в виде резисторов,A spark gap with rotating electrodes (see Fig. 2) consists of a grounded metal casing 16 with a first and second group of electrodes with two three three-pin rotating electrodes placed inside it on a dielectric shaft 17 (rotating electrodes with three pin contacts each) 12 and 14 located each other under the other, two groups of 11 and 15 spatially separated stationary electrodes, rigidly connected to the shaft of the RWE of the disk with a position sensor of the electrodes 21 and two sliding contacts 13 and 20 connected to the arrester housing through current-limiting elements 18 and 19 in the form of resistors,

Над установленной изначально первой группой электродов в той же плоскости была установлена вторая группа, состоящая из разнесенных под углом 120° неподвижных электродов и вращающегося на валу электрода с тремя штыревыми контактами. Причем вращающийся электрод второй группы расположен над вращающимся электродом первой группы, а неподвижные электроды первой группы ориентированы относительно неподвижных электродов второй группы под углом, исключающим возможность одновременного протекания зарядного тока через обе группы электродов при относительном вращении. Оптимально этот угол равен 60°.Above the first group of electrodes initially installed in the same plane, a second group was installed, consisting of stationary electrodes spaced at an angle of 120 ° and an electrode rotating on a shaft with three pin contacts. Moreover, the rotating electrode of the second group is located above the rotating electrode of the first group, and the stationary electrodes of the first group are oriented relative to the stationary electrodes of the second group at an angle that excludes the possibility of simultaneous flow of the charging current through both groups of electrodes with relative rotation. Optimally, this angle is 60 °.

Система импульсно-периодической зарядки с промежуточным емкостным накопителем работает следующим образом. В соответствии с фиг. 1 источник высокого напряжения 1 относительно медленно заряжает буферный емкостной накопитель 3. Перед окончанием зарядки асинхронный двигатель с регулятором оборотов раскручивает вал 17 (см. фиг. 2) с вращающимися электродами 12 и 14. По окончании процесса зарядки буферной емкости и достижения требуемой частоты вращения вала блок управления формирует импульс на замыкание быстродействующего защитного реле 2. которое подключает буферную емкость к неподвижному вводу РВЭ через высоковольтную диодную сборку 4 и индуктивность 5. При этом полярность подключения диода допускает протекание тока из буферной емкости в рабочую, но препятствует обратному течению. При сближении штыря (штыревого контакта) подвижного электрода первой группы с первым неподвижным электродом первой группы происходит пробой и на подвижном электроде появляется высокий потенциал, что, в свою очередь, приводит к пробою со второго штыря (штыревого контакта) подвижного электрода этой группы на второй неподвижный, который связан с промежуточным емкостным накопителем. Начинается зарядка емкости промежуточного накопителя. При этом время запаздывания полной коммутации разрядника (время включения РВЭ) в зависимости от напряжения на буферной емкости составляет 50…100 мкс и не влияет на работу СИЗ с ПН. По окончании процесса зарядки дуга в межэлектродных промежутках РВЭ гаснет, ток становится равным нулю. После того, как штыри (штыревые контакты) подвижного электрода первой группы отходят от неподвижных электродов, начинается сближение штырей подвижного электрода второй группы с неподвижными электродами второй группы. Согласно схеме приведенной на фиг. 1, ко второму неподвижному электроду первой группы подключены промежуточный емкостной накопитель и первый неподвижный электрод второй группы через индуктивность и диод. То есть, первый неподвижный электрод второй группы находится под высоким потенциалом. Происходит пробой и на подвижном электроде второй группы появляется высокий потенциал, что, в свою очередь, приводит к пробою со второго штыря подвижного электрода этой группы на второй неподвижный, к которому подключена емкость С_р генератора высоковольтных импульсов. Начинается зарядка рабочей емкости. По окончании процесса зарядки дуга в межэлектродных промежутках РВЭ гаснет, ток становится равным нулю, подвижный электрод отходит от неподвижных. Из устройства синхронизации и задержки поступает сигнал на пуск коммутатора К ГВИ и запасенная в рабочей емкости энергия выделяется на активной нагрузке. Длительность выделения энергии существенно короче процесса зарядки. По окончании цикла заряд-заряд - разряд с неподвижными электродами первой группы начинает сближаться следующая пара подвижных электродов первой группы и цикл повторяется. При этом средняя коммутируемая мощность ограничивается только эрозионной стойкостью электродов разрядника и возможностями двигателя, обеспечивающего вращение электродов. В случае возникновения нештатной ситуации из-за не восстановления электрической прочности коммутатора генератора высоковольтных импульсов отбор энергии из буферного накопителя в емкость ГВИ не будет происходить напрямую, что исключает возможность появления сквозного тока. Отпадает необходимость применения защитного реле, так как не восстановившийся коммутатор ГВИ в следующий период работы СИЗ с ПН начинает функционировать в штатном режиме.The system of periodic repetitive charging with an intermediate capacitive storage operates as follows. In accordance with FIG. 1 high voltage source 1 charges the buffer capacitive storage 3 relatively slowly. Before charging, an asynchronous motor with a speed control spins the shaft 17 (see Fig. 2) with rotating electrodes 12 and 14. At the end of the process of charging the buffer capacity and reaching the required shaft speed the control unit generates an impulse to close the high-speed protective relay 2. which connects the buffer capacitance to the fixed input of the RVE through the high-voltage diode assembly 4 and inductance 5. In this case, the polar be of diode connection permits current to flow from the buffer tank to the working, but prevents reverse flow. When the pin (pin contact) of the movable electrode of the first group approaches the first stationary electrode of the first group, a breakdown occurs and a high potential appears on the movable electrode, which, in turn, leads to a breakdown from the second pin (pin contact) of the movable electrode of this group to the second fixed , which is associated with an intermediate capacitive storage. Charging capacity of the intermediate drive begins. At the same time, the delay time of the full switching of the arrester (the time for switching on the RVE), depending on the voltage at the buffer capacity, is 50 ... 100 μs and does not affect the operation of PPE with PN. At the end of the charging process, the arc in the interelectrode gaps of the RWE goes out, the current becomes equal to zero. After the pins (pin contacts) of the movable electrode of the first group depart from the stationary electrodes, the approach of the pins of the movable electrode of the second group begins with the stationary electrodes of the second group. According to the circuit of FIG. 1, an intermediate capacitive storage device and a first stationary electrode of the second group are connected to the second fixed electrode of the first group through an inductance and a diode. That is, the first stationary electrode of the second group is at high potential. Breakdown occurs and a high potential appears on the moving electrode of the second group, which, in turn, leads to a breakdown from the second pin of the moving electrode of this group to the second fixed one, to which the capacitance C _{p of} the high-voltage pulse generator is connected. Charging of the working capacity begins. At the end of the charging process, the arc in the interelectrode gaps of the RWE goes out, the current becomes zero, the movable electrode moves away from the stationary ones. From the synchronization and delay device, a signal is sent to start the switch To GVI and the energy stored in the working capacity is released at the active load. The duration of energy release is much shorter than the charging process. At the end of the charge-charge-discharge cycle, the discharge with the stationary electrodes of the first group, the next pair of moving electrodes of the first group begins to approach and the cycle repeats. In this case, the average switched power is limited only by the erosion resistance of the spark gap electrodes and the capabilities of the motor that ensures the rotation of the electrodes. In the event of an emergency due to the non-restoration of the electric strength of the switch of the high-voltage pulse generator, energy will not be taken directly from the buffer storage into the GVI capacity, which eliminates the possibility of a through current. There is no need to use a protective relay, since the GVI switch that has not recovered in the next period of work of the PPE with the PN starts functioning normally.

Таким образом, в результате проведенных экспериментальных исследований и компьютерного моделирования было показано, что заявляемая мощная импульсно-периодическая система зарядки с промежуточным емкостным накопителем на основе дозированного отбора энергии из высоковольтного буферного накопителя с помощью разрядника с вращающимся электродами улучшенной конструкции способна эффективно работать с высокой мощностью. При этом надежность заявляемой СИЗ существенно выше систем с заведомо более низкими выходными характеристиками.Thus, as a result of experimental studies and computer simulations, it was shown that the inventive powerful pulse-periodic charging system with an intermediate capacitive storage based on dosed energy extraction from a high-voltage buffer storage using an improved design of a rotating electrode with rotary electrodes is able to work efficiently with high power. At the same time, the reliability of the claimed PPE is significantly higher than systems with obviously lower output characteristics.

Claims

A pulse-periodic charging system comprising an electrically connected high-voltage source, a buffer capacitive storage device, an inductance, a high-voltage diode, a spark gap and a high voltage pulse generator containing a working capacitance and a switch, the spark gap containing a group of electrodes in the form of two spatially spaced stationary electrodes and a rotating an electrode containing at least two pin contacts mounted on the shaft with the possibility of rotation of its pin contacts about fixed electrodes, the spark gap is equipped with a position sensor for the rotating electrode and a sliding contact electrically connected on one side with the rotating electrode on the other through a current-limiting element with the housing of the spark gap, characterized in that a second group of electrodes identical to the first is introduced into the spark gap, an additional sliding contact is introduced, electrically connected on one side with a rotating electrode of the second group, on the other, through a current-limiting element identical to the first, with the arrester housing, m the stationary electrodes of the first group are oriented relative to the stationary electrodes of the second group at an angle that excludes the possibility of simultaneous flow of the charging current through both groups of electrodes with relative rotation, the rotating electrodes of the first and second groups are located one above the other and are, like the stationary ones, in parallel planes , the stationary electrodes of the first and second groups are connected by an electric circuit to which an intermediate capacitive storage is connected, and between the intermediate capacitive The inductance and the high-voltage diode are identical to those connected to the first group of the fixed electrodes, and the capacity of the intermediate storage is equal to the working capacity of the high-voltage pulse generator.