RU2673962C1 - Distributed switch on threshold elements - Google Patents

Distributed switch on threshold elements Download PDF

Info

Publication number
RU2673962C1
RU2673962C1 RU2017138454A RU2017138454A RU2673962C1 RU 2673962 C1 RU2673962 C1 RU 2673962C1 RU 2017138454 A RU2017138454 A RU 2017138454A RU 2017138454 A RU2017138454 A RU 2017138454A RU 2673962 C1 RU2673962 C1 RU 2673962C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
elements
switching
capacitive
threshold
series
Prior art date
Application number
RU2017138454A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Владимир Викторович Кладухин
Сергей Владимирович Кладухин
Original Assignee
Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт электрофизики Уральского отделения Российской академии наук
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт электрофизики Уральского отделения Российской академии наук filed Critical Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт электрофизики Уральского отделения Российской академии наук
Priority to RU2017138454A priority Critical patent/RU2673962C1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2673962C1 publication Critical patent/RU2673962C1/en

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01T—SPARK GAPS; OVERVOLTAGE ARRESTERS USING SPARK GAPS; SPARKING PLUGS; CORONA DEVICES; GENERATING IONS TO BE INTRODUCED INTO NON-ENCLOSED GASES
    • H01T4/00—Overvoltage arresters using spark gaps
    • H01T4/16—Overvoltage arresters using spark gaps having a plurality of gaps arranged in series
    • H—ELECTRICITY
    • H03—ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03K—PULSE TECHNIQUE
    • H03K3/00—Circuits for generating electric pulses; Monostable, bistable or multistable circuits
    • H03K3/02—Generators characterised by the type of circuit or by the means used for producing pulses
    • H03K3/53—Generators characterised by the type of circuit or by the means used for producing pulses by the use of an energy-accumulating element discharged through the load by a switching device controlled by an external signal and not incorporating positive feedback

Landscapes

  • Electronic Switches (AREA)

Abstract

FIELD: electrical equipment.SUBSTANCE: invention relates to the high-voltage pulse equipment. Distributed switch is the two-terminal element, the two-terminal element poles connection is made using the switching series in the form of the identical threshold elements chain and a set of n parallel separating capacitive dividing chains, each of which consists of initial, final, and intermediate capacitive elements. Through the separating resistance dividing chains beginnings are connected to the beginning of the switching series, their ends are connected to the end of the switching series. First capacitive dividing circuit initial element is in parallel connected to the switching series first element, its intermediate elements are included in parallel to the switching series groups of n neighboring elements, starting with the second one, until the number of not covered by them elements exceeds n.EFFECT: technical result consists in the switched voltages range expansion.3 cl, 2 dwg

Description

Изобретение относится к высоковольтной импульсной технике и может быть использовано в формирователях мощных прямоугольных высоковольтных импульсов наносекундной и микросекундной длительности, используемых в ускорителях заряженных частиц, источниках высокочастотных колебаний и технологических установках.The invention relates to high-voltage pulse technology and can be used in shapers of powerful rectangular high-voltage pulses of nanosecond and microsecond durations used in charged particle accelerators, high-frequency oscillation sources, and technological installations.

Известен многоэлементный коммутатор в виде газового многозазорного разрядника [Pat. 2659839 USA, IPC H 03 K 03/55. Sequence Spark Gap System / Gardner A.L. – Appl. July 17, 1951, Ser. No. 237257; Publ. Nov. 17, 1953 ], включающего ряд (цепочку) последовательно соединенных парциальных разрядников (коммутационных элементов), образующих коммутационный ряд, каждый из парциальных разрядников имеет емкостную связь с нулевым (земляным) тоководом источника коммутируемого напряжения, параллельно парциальным разрядникам включены одинаковые резисторы, образующие резистивную делительную цепь, задающую равномерное распределение коммутируемого напряжения по парциальным разрядникам. Величина емкостной связи парциальных разрядников с землей существенно больше величины емкостной связи между их электродами (сильная емкостная связь выводов разрядников с обратным тоководом коммутатора).Known multi-element switch in the form of a gas multi-gap arrester [Pat. 2659839 USA, IPC H 03 K 03/55. Sequence Spark Gap System / Gardner A.L. - Appl. July 17, 1951, Ser. No. 237,257; Publ. Nov. 17, 1953], which includes a series (chain) of series-connected partial arresters (switching elements) forming a switching series, each of the partial arresters has capacitive coupling with a zero (earth) current source of a switched voltage source, identical resistors forming a resistive fission resistor are included in parallel with the partial arresters a circuit specifying a uniform distribution of the switched voltage across partial arresters. The value of the capacitive coupling of the partial arresters with the ground is significantly greater than the value of the capacitive coupling between their electrodes (strong capacitive coupling of the terminals of the spark gap with the reverse current switch).

Управляющий вход соединён с точкой соединения двух смежных парциальных разрядников, куда подается импульс напряжения, создающий скачок напряжения на этих разрядниках. В другом исполнении цепь управления имеет дополнительный разрядный промежуток, при замыкании которого возникает ультрафиолетовое излучение, способствующее замыканию примыкающих к нему парциальных разрядников. В исходном состоянии емкости, включенные между электродами парциальных разрядников и корпусом (обратным тоководом) коммутатора, заряжены до одинаковых напряжений за счет тока, протекающего через резистивную делительную цепь. Появление напряжения на управляющем входе коммутатора вызывает перенапряжение на примыкающем к нему парциальном разряднике и, как следствие, его замыкание (пробой). В результате выравнивания напряжения на емкостях, примыкающих к замкнутому парциальному разряднику, на соседнем с ним парциальном разряднике возникает полутора- кратный скачок напряжения, ведущий к его замыканию, после чего скачок напряжения возникает на смежном с ним парциальном разряднике и т.д., пока не будет замкнут последний парциальный разрядник коммутационного ряда.The control input is connected to the connection point of two adjacent partial arresters, where a voltage pulse is applied, which creates a voltage surge on these arresters. In another embodiment, the control circuit has an additional discharge gap, upon closure of which there is ultraviolet radiation, contributing to the closure of the partial arrester adjacent to it. In the initial state, the capacitance connected between the electrodes of the partial arresters and the housing (reverse current lead) of the switch are charged to the same voltage due to the current flowing through the resistive dividing circuit. The appearance of voltage at the control input of the switch causes overvoltage at the partial arrester adjacent to it and, as a result, its closure (breakdown). As a result of voltage equalization on the capacitors adjacent to the closed partial arrester, a half-time voltage surge appears on the neighboring partial arrester, leading to its closure, after which a voltage surge occurs on the adjacent partial arrester, etc., until the last partial arrester of the switching series will be closed.

Недостатком рассмотренного аналога являются ограниченный диапазон коммутируемых напряжений, определяемый соотношением: Nuп/1,5 <E <Nuп, где uп - напряжение самостоятельного пробоя парциального разрядника, Е - коммутируемое напряжение, N - число парциальных разрядников, а также большие тепловые выделения на элементах резистивной делительной цепи, высокая неоднородность электрического поля вблизи электродов парциальных разрядников из-за несоответствия резистивного и емкостного распределения напряжений, что ограничивает его применение для коммутации высоких напряжений и для работы в частотных режимах.The disadvantage of the considered analogue is the limited range of switched voltages, defined by the ratio: Nu p / 1.5 <E <Nu p , where u p is the voltage of independent breakdown of the partial arrester, E is the switched voltage, N is the number of partial arresters, as well as large thermal emissions on the elements of the resistive dividing circuit, a high heterogeneity of the electric field near the electrodes of the partial arresters due to the mismatch between the resistive and capacitive voltage distribution, which limits its use for I'm switching high voltages and for operation in the frequency mode.

Наиболее близким к предлагаемому техническому решению (прототипом) является многоэлементный коммутатор [ Патент 2352039 Российская Федерация, МПК H 01 T 4/16, H 03 K 3/53. Многоэлементный коммутатор / Кладухин В.В., Кладухин С.В., Ковалев Н.Ф., Храмцов С.П.; заявитель и патентообладатель Институт электрофизики Уральского отделения Российской академии наук. - № 2007131298/09; заявл. 16.08.07; опубл. 10.04.09. - 3 c.: ил.], выполненный в виде цепочки (ряда) последовательно соединенных пороговых коммутационных элементов, связанных с двумя, параллельными ему, емкостными делительными цепочками, величина емкостных элементов которых существенно больше емкости коммутационных пороговых элементов. Каждый емкостной пороговый элемент первой делительной цепи включен параллельно паре из двух соседних пороговых коммутационных элементов, начиная с пары, образуемой первым и вторым коммутационными пороговыми элементами, и так далее до пары, образуемой предпоследним и последним коммутационными пороговыми элементами, а каждый из емкостных элементов второй делительной цепи включен параллельно паре двух соседних коммутационных пороговых элементов, начиная с пары, образуемой вторым и третьим коммутационными элементами, и так далее до пары, образуемой предпоследним коммутационным пороговым элементом и его предшественником, кроме того, во вторую делительную цепь введены два дополнительных емкостных элемента, один из которых включен параллельно первому, а другой - параллельно последнему коммутационному элементам. Дополнительные емкостные элементы имеют удвоенную величину емкости по сравнению с основными емкостными элементами делительных цепочек, при этом величина основных и дополнительных емкостных пассивных элементов, образующих емкостные делительные цепочки, существенно больше величины собственной емкости пороговых коммутационных элементов и величины их емкостной связи с обратным тоководом коммутатора, что обеспечивает равномерное распределение приложенного к коммутатору напряжения по цепочке коммутационных пороговых элементов на уровне, близком к порогу их срабатывания.Closest to the proposed technical solution (prototype) is a multi-element switch [Patent 2352039 Russian Federation, IPC H 01 T 4/16, H 03 K 3/53. Multi-element switch / Kladukhin V.V., Kladukhin S.V., Kovalev N.F., Khramtsov S.P .; Applicant and patent holder Institute of Electrophysics, Ural Branch of the Russian Academy of Sciences. - No. 2007131298/09; declared 08/16/07; publ. 04/10/09. - 3 c .: ill.], Made in the form of a chain (row) of series-connected threshold switching elements connected with two capacitive dividing chains parallel to it, the magnitude of the capacitive elements of which is significantly larger than the capacity of the switching threshold elements. Each capacitive threshold element of the first dividing circuit is connected in parallel with a pair of two adjacent threshold switching elements, starting from the pair formed by the first and second switching threshold elements, and so on to the pair formed by the penultimate and last switching threshold elements, and each of the capacitive elements of the second dividing the circuit is connected in parallel to a pair of two adjacent switching threshold elements, starting from the pair formed by the second and third switching elements, and so on up to pairs Formed penultimate threshold switching element and its predecessor, in addition, the second separating circuit two additional capacitive element introduced, one of which is connected in parallel to the first, and another - the last switching element in parallel. Additional capacitive elements have doubled capacitance in comparison with the main capacitive elements of dividing chains, while the value of the main and additional capacitive passive elements forming capacitive dividing chains is significantly larger than the intrinsic capacitance of the threshold switching elements and the magnitude of their capacitive coupling with the switch reverse current, which provides uniform distribution of voltage applied to the switch along the chain of switching threshold elements at ur It is close to the threshold of triggering.

Для реализации управляемого запуска, последовательно с дополнительными сопротивлениями, в начале или конце второй емкостной делительной цепочки, включены сопротивления, точка сопряжения которых с дополнительным емкостным элементом образует управляющий вход. Появление напряжения на управляющем входе коммутатора изменяет потенциал примыкающих к нему емкостных элементов второй делительной цепочки, а следовательно, и напряжение, прикладываемое к коммутационным пороговым элементам, в результате чего, в зависимости от полярностей коммутируемого напряжения и запускающего импульса, на четных, либо на нечётных коммутационных элементах формируется скачок напряжения, величина которого близка к сумме управляющего и исходного напряжений, под действием которой произойдет замыкание как минимум одного из них. При замыкании любого коммутационного порогового элемента на смежных с ним коммутационных пороговых элементах возникнет близкое к двукратному увеличение напряжения (перенапряжение), которое по мере замыкания коммутационных пороговых элементов распространяется на соседние незамкнутые коммутационные пороговые элементы до тех пор, пока не будут замкнуты все элементы коммутационного ряда.To implement a controlled start, in series with additional resistances, at the beginning or end of the second capacitive dividing chain, resistances are included, the interface point of which with the additional capacitive element forms a control input. The appearance of voltage at the control input of the switch changes the potential of the capacitive elements of the second dividing circuit adjacent to it, and therefore the voltage applied to the switching threshold elements, as a result, depending on the polarity of the switching voltage and the triggering pulse, on even or on odd switching a voltage surge is formed in the elements, the value of which is close to the sum of the control and initial voltages, under the action of which at least one short circuit will occur of them. When any switching threshold element is closed on switching threshold elements adjacent to it, a voltage will increase almost twice (overvoltage), which, as the switching threshold elements are closed, extends to adjacent unclosed switching threshold elements until all elements of the switching series are closed.

Известен также созданный на основе этого изобретения, управляемый многозазорный газовый разрядник [В.В. Кладухин, С.В. Кладухин, С.П. Храмцов, В.Ю. Ялов. Управляемый многозазорный газовый разрядник // ПТЭ. - 2012. - №5. - С. 62-66].Known also created on the basis of this invention, a controlled multi-gap gas spark gap [V.V. Kladukhin, S.V. Kladukhin, S.P. Khramtsov, V.Yu. Yalov. Controlled multi-gap gas spark gap // PTE. - 2012. - No. 5. - S. 62-66].

Недостатком прототипа является ограниченный диапазон коммутируемых напряжений, определяемый соотношением: Nuп/2 < E < Nuп, где uп - напряжение замыкания порогового элемента коммутационного ряда, Е - коммутируемое напряжение, N - число пороговых элементов в коммутационном ряду.The disadvantage of the prototype is the limited range of switching voltages, defined by the ratio: Nu p / 2 <E <Nu p , where u p is the voltage of the threshold element of the switching series, E is the switching voltage, N is the number of threshold elements in the switching series.

Задачей данного изобретения является расширение, по сравнению с прототипом, диапазона коммутируемых напряжений за счёт многократного увеличения напряжения на фронте коммутационной волны, распространяющейся вдоль коммутационного ряда.The objective of the invention is to expand, compared with the prototype, the range of switching voltages due to the multiple increase in voltage at the front of the switching wave propagating along the switching series.

Техническим результатом является: расширение диапазона коммутируемых напряжений до Nuп/n < E < Nuп, сокращение времени коммутации элементов коммутационного ряда в соответствии с их вольт- секундными характеристиками, определяющими зависимость времени коммутации пороговых элементов от величины перенапряжения, возможность создания коммутаторов из пороговых элементов, требующих для своей работы трех- и более кратных кратковременных перенапряжений, где n > 2 - число емкостных делительных цепей, Е - коммутируемое напряжение, N - число пороговых элементов в коммутационном ряду, uп - напряжение замыкания порогового элемента коммутационного ряда.The technical result is: expanding the range of switched voltages to Nu p / n <E <Nu p , reducing the switching time of the elements of the switching series in accordance with their volt-second characteristics, which determine the dependence of the switching time of the threshold elements on the magnitude of the overvoltage, the ability to create switches from threshold elements requiring three or more multiple short-term overvoltages for their work, where n> 2 is the number of capacitive dividing circuits, E is the switched voltage, N is the number of thresholds switching elements in series, u n - threshold voltage of the switching element series circuit.

Достигается технический результат тем, что в рассматриваемом коммутаторе, в отличие от прототипа, параллельно коммутационному ряду состоящему из N последовательно-соединенных идентичных пороговых элементов, включаются несколько 2 < n < N емкостных делительных цепей, каждая из которых состоит из начального, конечного и промежуточных емкостных элементов. Начала делительных цепочек, через разделительное сопротивление Z , соединены с началом коммутационного ряда, их концы соединены с концом коммутационного ряда, начальный элемент первой емкостной делительной цепи включается параллельно первому элементу коммутационного ряда, его промежуточные элементы включаются параллельно группам из n соседних элементов коммутационного ряда, начиная со второго, до тех пор, пока число неохваченных ими элементов превышает n, оставшиеся элементы коммутационного ряда охватываются конечным емкостным элементом, начальный элемент второй емкостной делительной цепи включается параллельно двум первым элементам коммутационного ряда, его промежуточные элементы включаются параллельно группам из n соседних элементов коммутационного ряда, начиная с третьего, до тех пор пока число неохваченных ими элементов превышает n, оставшиеся элементы коммутационного ряда охватываются конечным емкостным элементом, начальный элемент третьей емкостной делительной цепи включается параллельно трем первым элементам коммутационного ряда, его промежуточные элементы включаются параллельно группам из n соседних элементов коммутационного ряда, начиная с четвертого, до тех пор, пока число неохваченных элементов превышает n, оставшиеся элементы коммутационного ряда охватываются конечным емкостным элементом, и т.д. Промежуточные элементы делительных цепей имеют одинаковую емкость C0, а емкость их начальных и конечных элементов (Ci) определяется числом охватываемых ими элементов коммутационного ряда: Ci=C0n/ki, где ki - число пороговых элементов, охватываемых емкостным элементом i-ой делительной цепи.The technical result is achieved by the fact that in the considered switch, unlike the prototype, in parallel to the switching row consisting of N series-connected identical threshold elements, several 2 <n <N capacitive dividing circuits are included, each of which consists of initial, final and intermediate capacitive elements. The beginning of the dividing chains, through the separation resistance Z, are connected to the beginning of the switching series, their ends are connected to the end of the switching series, the initial element of the first capacitive dividing circuit is connected in parallel to the first element of the switching series, its intermediate elements are connected in parallel to groups of n adjacent elements of the switching series, starting from the second, until the number of elements unreached by them exceeds n, the remaining elements of the switching series are covered by a finite capacitive element Moreover, the initial element of the second capacitive dividing circuit is connected in parallel to the first two elements of the switching series, its intermediate elements are connected in parallel to groups of n adjacent elements of the switching series, starting from the third, until the number of elements not covered by them exceeds n, the remaining elements of the switching series are covered by the final capacitive element, the initial element of the third capacitive dividing circuit is connected in parallel with the three first elements of the switching series, its intermediate cops are connected in parallel groups of n adjacent elements of the switching number, starting from the fourth, as long as the number of elements exceeds the unreached n, the remaining switching elements are covered by a finite number of capacitive element, etc. The intermediate elements of the dividing circuits have the same capacitance C 0 , and the capacitance of their initial and final elements (C i ) is determined by the number of elements of the switching series covered by them: C i = C 0 n / k i , where k i is the number of threshold elements covered by the capacitive element i-th dividing chain.

В исходном состоянии к коммутатору приложено коммутируемое напряжение (E), равномерно распределенное по элементам коммутационного ряда. Для обеспечения равномерного распределения коммутируемого напряжения по элементам коммутационного ряда емкость элементов делительных цепей ( C0 ) берется много больше емкости пороговых элементов (CS ) и их емкостной связи с нулевым тоководом источника напряжения (Cg), кроме того, ток заряда емкостных делительных цепей, определяемый скоростью нарастания коммутируемого напряжения (E), ограничивается выполнением условия: uz<<uп, где uz - падение напряжения на разделительном сопротивлении при заряде емкостных делительных цепей до напряжения E, uп - напряжение замыкания порогового элемента коммутационного ряда.In the initial state, a switched voltage (E) is applied to the switch, evenly distributed over the elements of the switching series. To ensure uniform distribution of the switched voltage across the elements of the switching series, the capacitance of the elements of the dividing circuits (C 0 ) is taken much larger than the capacity of the threshold elements (C S ) and their capacitive coupling with the zero current lead of the voltage source (C g ), in addition, the charge current of the capacitive dividing circuits determined by the slew rate of the switched voltage (E) is limited by the fulfillment of the condition: u z << u p , where u z is the voltage drop across the isolation resistance when charging capacitive dividing circuits to voltage E , u p - the voltage of the threshold element of the switching series.

Запуск коммутатора осуществляется подачей управляющего импульса напряжения амплитудой Ucontr ≈ -(n-1)E/N на разделительное сопротивление Z.The switch is started by applying a control voltage pulse with the amplitude U contr ≈ - (n-1) E / N to the isolation resistance Z.

Предложенное техническое решение обладает новизной, так как, в сравнении с прототипом, в нем вместо связи коммутационного ряда с двумя емкостными делительными цепочками используется его связь с совокупностью делительных цепочек количеством более двух, чем обеспечивается многократное увеличение диапазона коммутируемых напряжений, путем формирования многократного перенапряжения на элементах коммутационного ряда, находящихся на фронте коммутационной волны, начиная с начальной стадии коммутационного процесса. Проведенный заявителями анализ технических решений по патентным и научно-техническим источникам информации и поиск источников, содержащих сведения об аналогах заявляемого изобретения, позволяют заявить об отсутствии аналога, характеризующегося признаками, аналогичными заявленным в формуле изобретения.The proposed technical solution is new, because, in comparison with the prototype, instead of connecting the switching series with two capacitive dividing chains, it uses its connection with a set of dividing chains of more than two, which ensures a multiple increase in the range of switching voltages by forming multiple overvoltage on the elements switching series located at the front of the switching wave, starting from the initial stage of the switching process. An analysis of technical solutions by patent applicants for scientific and technical sources of information and a search for sources containing information about analogues of the claimed invention allow us to state the absence of an analogue characterized by features similar to those stated in the claims.

Изобретение поясняется схемой коммутатора, изображенной на фиг. 1, включающего коммутационный ряд из одинаковых пороговых элементов Si, i = 1..N, с пороговым напряжением uп, и четыре емкостные делительные цепи (n = 4), состоящие из начальных Ck1=4C0/k, k=1..4, конечных Ckm+1=4C0/(5-k), k=1..4 и промежуточных Сjk=С0, j = 1..4, k = 2..m емкостных элементов, где N(mod n) = 1.The invention is illustrated by the switch circuit shown in FIG. 1, including a switching series of identical threshold elements S i , i = 1..N, with a threshold voltage u p , and four capacitive dividing circuits (n = 4), consisting of initial C k1 = 4C 0 / k, k = 1 ..4, finite C km + 1 = 4C 0 / (5-k), k = 1..4 and intermediate C jk = С 0 , j = 1..4, k = 2..m capacitive elements, where N (mod n) = 1.

Коммутатор подключен к источнику коммутируемого напряжения (E) через нагрузку (ZН). Элементы коммутационного ряда и делительных цепей имеют такое расположение относительно нулевого токовода (6), что величина емкости Сg между любым пороговым элементом Si и нулевым тоководом существенно меньше емкости делительных цепей, т.е. емкостная связь пороговых элементов коммутационного ряда с нулевым тоководом мало влияет на распределение входного напряжения (E) по емкостям делительных цепей, чем обеспечиваются одинаковые начальные напряжения на всех элементах коммутационного ряда (uS0 = E/N < uп). Нулевой токовод (6) может быть заземлен (7) и, при необходимости, может являться корпусом коммутатора.The switch is connected to a switching voltage source (E) through a load (Z N ). The elements of the switching series and dividing circuits have such an arrangement with respect to the zero current lead (6) that the capacitance C g between any threshold element S i and the zero current lead is substantially less than the capacity of the dividing circuits, i.e. the capacitive coupling of the threshold elements of the switching series with the zero current lead has little effect on the distribution of the input voltage (E) across the capacitances of the dividing circuits, which ensures the same initial voltage across all elements of the switching series (u S0 = E / N <u p ). Zero current lead (6) can be grounded (7) and, if necessary, can be a switch case.

Замыкание отдельного порогового элемента (переход в проводящее состояние) происходит при появлении на нем напряжения превышающего величину порогового напряжения и сохраняется в течение времени замыкания всего коммутационного ряда. Задержка времени замыкания отдельного порогового элемента определяется его вольт-секундной характеристикой, которая, как правило, уменьшается по мере превышения приложенного напряжения над пороговым.The closure of an individual threshold element (transition to a conducting state) occurs when a voltage appears on it that exceeds the threshold voltage and remains during the closure time of the entire switching series. The delay time of the closure of an individual threshold element is determined by its volt-second characteristic, which, as a rule, decreases as the applied voltage exceeds the threshold.

Запуск коммутатора осуществляется подачей управляющего импульса с амплитудой напряжения Ucontr ≈ -(n-1)·E/N = -3E/N на управляющий вход (5) относительно входного полюса (1), под действием которого (учитывая, что С11>>CS) напряжение на пороговом элементе S1 примет значение uS1≈ |Ucontr| + uС11≈ 4uS0. Напряжение на остальных элементах коммутационного ряда изменится незначительно и примет значение: (E - Ucontr)/N. Под действием высокого напряжения на пороговом элементе S1, существенно превышающем пороговое напряжение (uп), произойдет его быстрая коммутация (замыкание), в результате чего, увеличение напряжения произойдет на элементе S2, которое примет значение uS2≈ |Ucontr| + uС21≈ 5uS0, после замыкания второго элемента увеличение напряжения произойдет на элементе S3, uS3≈ |Ucontr| + uС31≈ 6uS0, и т.д. После замыкания элемента S4 управляющий вход 5 будет зашунтирован на входной полюс 1, и его влияние прекратится, но при замыкании элемента S4 близкое к четырехкратному увеличение напряжения произойдет на элементе S5, т.к. uS5 = uC12 ≈ 4E /(N-4) после замыкания которого близкий к четырехкратному скачок напряжения возникнет уже на S6, т.к. uS6 = uC22 ≈ 4E /(N-5), и т.д.The switch is launched by applying a control pulse with a voltage amplitude U contr ≈ - (n-1) · E / N = -3E / N to the control input (5) relative to the input pole (1), under the action of which (taking into account that C 11 >> C S ) the voltage at the threshold element S1 takes the value u S1 ≈ | U contr | + u С11 ≈ 4u S0 . The voltage on the remaining elements of the switching series will change insignificantly and take on the value: (E - U contr ) / N. Under the action of high voltage on the threshold element S1, significantly exceeding the threshold voltage (u p ), it will quickly switch (short-circuit), as a result, an increase in voltage will occur on the element S2, which takes the value u S2 ≈ | U contr | + U C21 ≈ 5u S0, after the closure of the second element of the increase in voltage occurs on the element S3, u S3 ≈ | U contr | + u С31 ≈ 6u S0 , etc. After the closure of the element S4, the control input 5 will be bridged to the input pole 1, and its effect will stop, but when the element S4 is closed, a voltage increase close to four times occurs on the element S5, because u S5 = u C12 ≈ 4E / (N-4) after the closure of which a close to four-fold power surge will occur already at S6, because u S6 = u C22 ≈ 4E / (N-5), etc.

На процесс последовательной коммутации может накладываться процесс нерегулярной коммутации элементов коммутационного ряда, связанный с тем, что при последовательном замыкании элемента коммутационного ряда скачок напряжения возникает не только на соседнем с ним пороговом элементе. но и на других элементах сопряженных с теми же емкостными делительными цепями, что и этот элемент. Так при замыкании порогового элемента S1 скачок напряжения будет наблюдаться на только на S2, но и на пороговых элементах : S6, S10, S14,..., После замыкании S2 вслед за S1, скачок напряжения будет наблюдаться на S3 и на пороговых элементах : S7, S11, S15,...., и т.д, при этом величина скачка напряжения будет уменьшаться по мере их удаления от коммутируемого элемента. Эти нерегулярные замыкания пороговых элементов коммутационного ряда не ухудшают условия распространения последовательной коммутации входящих в него пороговых элементов, так как в результате такого замыкания и выравнивания в точке замыкания потенциалов соединяемых емкостных делительных цепей, потенциал точки соединения несколько уменьшится по сравнению с потенциалом точки между замыкаемым элементом и предшествующим ему элементом коммутационного ряда в отсутствии такого замыкания.The process of sequential switching can be superimposed on the process of irregular switching of the elements of the switching series, due to the fact that during a sequential closure of the element of the switching series, a voltage surge occurs not only at the adjacent threshold element. but also on other elements conjugated with the same capacitive dividing circuits as this element. So when closing the threshold element Sone a voltage surge will be observed on only S2, but also on the threshold elements: S6, S10, S14, ..., After closing S2 after S1, a voltage surge will be observed at S3 and on threshold elements: S7, S11, S15, ...., etc., while the magnitude of the voltage jump will decrease as they move away from the switched element. These irregular closures of the threshold elements of the switching series do not worsen the conditions for the propagation of serial switching of the threshold elements included in it, since as a result of such a closure and equalization at the closure point of the potentials of the capacitive dividing circuits being connected, the potential of the connection point will slightly decrease compared to the potential of the point between the closable element and the preceding element of the switching series in the absence of such a circuit.

Например, в случае замыкания элемента S6 до элемента S2, при замкнутом S1, потенциал соединения С12 и С22 будет находиться в интервале между E-uC12 ≈ E -4uS0 и E-(|Ucontr| + uC21+uC22) ≈ E -9uS0 вместо E-uC12 , имевшего место для точки соединения C12 с элементом S5 коммутационного ряда при разомкнутом S6. При замыкании элемента S11 до элемента S7, при замкнутых S1÷S6, потенциал соединения С23 и С33 будет находиться в интервале между E-uC23 ≈ E -4uSi и E-(uC32+uC32) ≈ E -8uSt вместо E-uC23, имевшего место для точки соединения C13 с элементом S10 коммутационного ряда при разомкнутом элементе S11.For example, in the case of the closure of element S6 to element S2, with closed S1, the connection potential C12 and C22 will be between E-uC12≈ E -4uS0 and E- (| Ucontr|+uC21+ uC22) ≈ E -9uS0 instead of E-uC12, which took place for the connection point C12 with the element S5 of the switching series with open S6. When the element S11 is closed to the element S7, with closed S1 ÷ S6, the connection potential C23 and C33 will be between E-uC23≈ E -4uSi and E- (uC32+ uC32) ≈ E -8uSt instead of E-uC23that has occurred for the connection point C13 with the switching element S10 with the open element S11.

Так как в процессе коммутации коммутируемое напряжение будет распределяться только по оставшимся (N-M) незамкнутым элементам коммутационного ряда, то напряжение прикладываемое к отдельному незамкнутому пороговому элементу будет расти до напряжения uSt ≈ E /(N-M)>uS0=E /N и при достижении значения uSt > uп, наряду с процессами последовательной и нерегулярной коммутации пороговых элементов коммутационного ряда, может начаться процесс их параллельной коммутации.Since during the switching process the switched voltage will be distributed only among the remaining (NM) open elements of the switching series, the voltage applied to a separate open threshold element will increase to the voltage u St ≈ E / (NM)> u S0 = E / N and when values u St > u p , along with processes of sequential and irregular switching of threshold elements of the switching series, the process of their parallel switching can begin.

Вклад процессов нерегулярной и параллельной коммутации в замыкание пороговых элементов коммутационного ряда существенно зависит от вольт-секундных характеристик используемых пороговых элементов.The contribution of irregular and parallel switching processes to the closure of threshold elements of the switching series substantially depends on the volt-second characteristics of the threshold elements used.

После замыкания последнего элемента коммутационного ряда через коммутатор начнет течь ток, который прекратится лишь после спада коммутируемого напряжения (E) до уровня близкого к нулю.After the last element of the switching series is closed, a current will start flowing through the switch, which will stop only after the switching voltage (E) drops to a level close to zero.

Процесс изменения напряжений на элементах коммутационного ряда иллюстрирует рисунок приведенный на фиг. 2, где N - число элементов в коммутационном ряду, M - номер последнего замкнутого элемента коммутационного ряда, uП - пороговое напряжение элементов коммутационного ряда, uS0 - начальное напряжение на элементах коммутационного ряда, uSt - текущее напряжение на основной части незамкнутых элементов коммутационного ряда. Стрелками показаны направление распространения перенапряжений вдоль элементов коммутационного ряда при их последовательной коммутации.The process of changing the voltages on the elements of the switching series is illustrated by the figure in FIG. 2, where N is the number of elements in the switching series, M is the number of the last closed element of the switching series, u П is the threshold voltage of the elements of the switching series, u S0 is the initial voltage on the elements of the switching series, u St is the current voltage on the main part of the open switching elements row. Arrows indicate the direction of propagation of overvoltages along the elements of the switching series during their sequential switching.

Процесс восстановления электропрочности элементов коммутационного ряда начинается после прекращения протекающего по ним тока и определяется их восстановительной характеристикой. По завершении процесса восстановления электропрочности этих элементов коммутатор готов к выполнению следующего процесса коммутации.The process of restoring the electric strength of the elements of the switching series begins after the cessation of the current flowing through them and is determined by their recovery characteristic. Upon completion of the process of restoring the electrical strength of these elements, the switch is ready for the next switching process.

Работа коммутатора при n≠4 и любом N(mod n) происходит аналогичным образом.The operation of the switch for n ≠ 4 and any N (mod n) occurs in a similar way.

В вариантах коммутаторов, выполненных по фиг.1, величины промежуточных элементов делительных цепей должны соответствовать условиям:In the options of the switches made in figure 1, the values of the intermediate elements of the dividing circuits must meet the conditions:

C0 ≥ 3CgN, (1)C 0 ≥ 3C g N, (1)

C0 ≥ 10CS,C 0 ≥ 10C S ,

где N - число пороговых элементов в коммутационном ряду,where N is the number of threshold elements in the switching row,

С0 - величина емкости промежуточных элементов в емкостных делительных цепях,With 0 - the value of the capacity of the intermediate elements in capacitive dividing circuits,

Cs - величина емкости между выводами порогового элемента коммутационного ряда,Cs is the value of the capacitance between the terminals of the threshold element of the switching series,

Сg - величина емкостной связи вывода порогового элемента коммутационного ряда с землей (нулевым тоководом) источника питания.Cg is the value of the capacitive coupling of the output of the threshold element of the switching series with the ground (zero current lead) of the power source.

Длительность запускающего (управляющего) импульса должна удовлетворять условию:The duration of the trigger (control) pulse must satisfy the condition:

τcontr > nτsn , (2)τ contr > nτ sn , (2)

гдеWhere

n - число емкостных делительных цепей,n is the number of capacitive dividing circuits,

τcontr - длительность управляющего импульса,τ contr is the duration of the control pulse,

τsn - среднестатистическое время замыкания порогового элемента коммутационного ряда при n- кратном перенапряжении.τ sn is the average closing time of the threshold element of the switching series at n-fold overvoltage.

Разделительное сопротивление (Z) может быть выполнено в виде резистора, но более целесообразно его выполнить в виде индуктивности, величина которой определяется из условий:The separation resistance (Z) can be made in the form of a resistor, but it is more advisable to perform it in the form of inductance, the value of which is determined from the conditions:

LC0/N << Т, (3)LC 0 / N << T, (3)

L >> ( ucontr)2 τcontr /Pcontr ,L >> (u contr ) 2 τ contr / P contr ,

гдеWhere

L - величина разделительной индуктивности,L is the value of the separation inductance,

T - время нарастания коммутируемого напряжения, T is the rise time of the switched voltage,

ucontr - амплитуда напряжения управляющего импульса ucontr = -(n-1)E/N,u contr - voltage amplitude of the control pulse u contr = - (n-1) E / N,

Pcontr - мощность источника запускающего импульса.P contr is the power of the trigger source.

Элементы емкостных делительных цепочек могут быть выполнены как в виде конструктивных элементов, например в виде зазоров между электродами парциальных разрядников, так и с помощью стандартных конденсаторов. В качестве пороговых элементов коммутационного ряда могут быть использованы парциальные разрядники (газовые, жидкостные и твердотельные), динисторы, другие элементы с пороговыми характеристиками включения (замыкания).Elements of capacitive dividing chains can be made both in the form of structural elements, for example, in the form of gaps between the electrodes of partial arresters, and using standard capacitors. Partial arresters (gas, liquid, and solid state), dinistors, and other elements with threshold characteristics of switching (closure) can be used as threshold elements of the switching series.

С использованием заявленных признаков был изготовлен макет многозазорного газового разрядника с параметрами: n=3, N=20, в котором в качестве пороговых элементов использовались парциальные газовые разрядники выполненные, в виде миллиметровых зазоров между медными пластинами миллиметровой толщины, выполняющими роль электродов этих разрядников, которые находились в среде элегаза под давлением 5 атм, при этом емкостные делительные цепи формировались за счет емкостной связи этих пластин, которая для их промежуточных емкостей составляла около 25 пФ, емкость коммутационных зазоров - около 3 пФ, напряжение самостоятельного пробоя разрядника, за счет неоднородности полей вблизи электродов, составляло около 600 кВ, т.е. 30кВ на зазор. Разрядник тестировался в режимах коммутации 1 нФ емкости, заряжаемой до напряжения 250 и 500 кВ, на 50-ти омную нагрузку, запуск разрядника осуществлялся управляющими импульсами длительностью 10 нс, напряжением 25 кВ при зарядном напряжении 250 кВ, и 50 кВ при зарядном напряжении 500 кВ, при этом разрядник устойчиво запускался в обоих тестовых режимах.Using the claimed features, a mock-up of a multi-gap gas spark gap was made with the parameters: n = 3, N = 20, in which partial gas arresters made in the form of millimeter gaps between copper plates of millimeter thickness acting as electrodes of these arresters, which were used as threshold elements, were used. were in the atmosphere of SF6 gas at a pressure of 5 atm, while capacitive dividing circuits were formed due to the capacitive coupling of these plates, which for their intermediate capacities was about about 25 pF, the capacitance of the switching gaps is about 3 pF, the voltage of the self-sustained breakdown of the spark gap, due to the inhomogeneity of the fields near the electrodes, was about 600 kV, i.e. 30kV to the gap. The arrester was tested in switching modes of 1 nF capacitance, charged to a voltage of 250 and 500 kV, for a 50-ohm load, the arrester was launched by control pulses of 10 ns duration, 25 kV voltage at a charging voltage of 250 kV, and 50 kV at a charging voltage of 500 kV At the same time, the arrester stably started in both test modes.

Claims (21)

1. Распределенный коммутатор на пороговых элементах, представляющий собой двухполюсник, к которому прикладывается коммутируемое напряжение, связь полюсов двухполюсника выполнена с помощью коммутационного ряда в виде цепочки из N одинаковых пороговых элементов и совокупности из n параллельных ему емкостных делительных цепей, отличающийся тем, что число емкостных делительных цепей больше двух, каждая из которых состоит из начального, конечного и промежуточных емкостных элементов, начала делительных цепей через разделительное сопротивление соединены с началом коммутационного ряда, их концы соединены с концом коммутационного ряда, начальный элемент первой емкостной делительной цепи включается параллельно первому элементу коммутационного ряда, его промежуточные элементы включаются параллельно группам из n соседних элементов коммутационного ряда начиная со второго до тех пор, пока число неохваченных ими элементов превышает n, оставшиеся элементы коммутационного ряда охватываются конечным емкостным элементом, начальный элемент второй емкостной делительной цепи включается параллельно двум первым элементам коммутационного ряда, его промежуточные элементы включаются параллельно группам из n соседних элементов коммутационного ряда начиная с третьего до тех пор, пока число неохваченных ими элементов превышает n, оставшиеся элементы коммутационного ряда охватываются конечным емкостным элементом, и аналогично для оставшихся из n емкостных делительных цепей, промежуточные емкостные элементы имеют одинаковую емкость С0, емкость начальных и конечных емкостных элементов определяется соотношением C1=C0n/k, где k - число элементов коммутационного ряда, охватываемых начальным/конечным емкостным элементом делительной цепи, запуск коммутатора осуществляется подачей управляющего импульса на точку соединения входов емкостных делительных цепочек относительно начала коммутационного ряда.1. The distributed switch on the threshold elements, which is a two-terminal, to which a switched voltage is applied, the connection of the poles of the two-terminal is made using a switching series in the form of a chain of N identical threshold elements and a set of n capacitive dividing circuits parallel to it, characterized in that the number of capacitive there are more than two dividing circuits, each of which consists of initial, final and intermediate capacitive elements, the beginning of dividing chains through a dividing resistor the connection is connected to the beginning of the switching series, their ends are connected to the end of the switching series, the initial element of the first capacitive dividing circuit is connected in parallel to the first element of the switching series, its intermediate elements are connected in parallel to groups of n adjacent elements of the switching series starting from the second until the number of unreached they exceed n elements, the remaining elements of the switching series are covered by a finite capacitive element, the initial element of the second capacitive dividing circuit starts in parallel with the first two elements of the switching series, its intermediate elements are connected in parallel to groups of n neighboring elements of the switching series starting from the third until the number of elements not covered by them exceeds n, the remaining elements of the switching series are covered by a finite capacitive element, and similarly for those remaining from n capacitive dividing circuits, intermediate capacitive elements have the same capacitance C 0 , the capacitance of the initial and final capacitive elements is determined by the ratio C 1 = C 0 n / k, where k is the number of switching row elements covered by the initial / final capacitive element of the dividing circuit, the switch is started by supplying a control pulse to the connection point of the capacitive dividing circuit inputs relative to the beginning of the switching row. 2. Распределенный коммутатор на пороговых элементах по п. 1, отличающийся тем, что величины емкостей в коммутаторе удовлетворяют условиям:2. A distributed switch on threshold elements according to claim 1, characterized in that the capacitance values in the switch satisfy the conditions: С0≥3NCs;C 0 ≥3NCs; С0≥10Cg,C 0 ≥10Cg, где N - число пороговых элементов в коммутационном ряду,where N is the number of threshold elements in the switching row, С0 - величина емкости промежуточных элементов в емкостных делительных цепях,With 0 - the value of the capacity of the intermediate elements in capacitive dividing circuits, Cs - величина емкости между выводами порогового элемента коммутационного ряда,Cs is the value of the capacitance between the terminals of the threshold element of the switching series, Cg - величина емкостной связи вывода порогового элемента коммутационного ряда с землей (нулевым тоководом) источника питания.Cg is the value of the capacitive coupling of the output of the threshold element of the switching series with the ground (zero current lead) of the power source. 3. Распределенный коммутатор на пороговых элементах по п. 1, отличающийся тем, что разделительное сопротивление (Z) выполнено в виде индуктивности, величина которой удовлетворяет условию:3. The distributed switch on the threshold elements according to claim 1, characterized in that the separation resistance (Z) is made in the form of an inductance, the value of which satisfies the condition: LC0/N<<Т;LC 0 / N <<T; L>>(ucontr)2τcontr/Pcontr,L >> (u contr ) 2 τ contr / P contr , амплитуда напряжения запускающего (управляющего) импульса и его длительность удовлетворяет условиям:the voltage amplitude of the starting (control) pulse and its duration satisfies the conditions: ucontr≈-(n-1)E/N,u contr ≈- (n-1) E / N, τcontr>nτsn,τ contr > nτ sn , гдеWhere L - величина разделительной индуктивности,L is the value of the separation inductance, Т - время нарастания коммутируемого напряжения,T is the rise time of the switched voltage, Е - величина коммутируемого напряжения,E is the value of the switched voltage, Pcontr - мощность источника запускающего импульса,P contr - power source trigger pulse, τcontr - длительность управляющего импульса,τ contr is the duration of the control pulse, τsn - среднестатистическое время замыкания порогового элемента коммутационного ряда при n-кратном перенапряжении.τ sn is the average closing time of the threshold element of the switching series at n-fold overvoltage.
RU2017138454A 2017-11-03 2017-11-03 Distributed switch on threshold elements RU2673962C1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2017138454A RU2673962C1 (en) 2017-11-03 2017-11-03 Distributed switch on threshold elements

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2017138454A RU2673962C1 (en) 2017-11-03 2017-11-03 Distributed switch on threshold elements

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2673962C1 true RU2673962C1 (en) 2018-12-03

Family

ID=64603783

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2017138454A RU2673962C1 (en) 2017-11-03 2017-11-03 Distributed switch on threshold elements

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2673962C1 (en)

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US2659839A (en) * 1951-07-17 1953-11-17 Andrew L Gardner Sequence spark gap system
EP0750396A2 (en) * 1995-06-20 1996-12-27 British Aerospace Public Limited Company High voltage pulse generator
RU2214042C2 (en) * 2001-08-14 2003-10-10 ООО "Компания "Мир" Switching unit built around symmetrical thyristors
RU2352039C1 (en) * 2007-08-16 2009-04-10 Институт электрофизики Уральского отделения Российской академии наук Multielement switchboard
RU160035U1 (en) * 2014-08-15 2016-02-27 Общество с ограниченной ответственностью "Защита Информации" SWITCH BLOCK (OPTIONS)

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US2659839A (en) * 1951-07-17 1953-11-17 Andrew L Gardner Sequence spark gap system
EP0750396A2 (en) * 1995-06-20 1996-12-27 British Aerospace Public Limited Company High voltage pulse generator
RU2214042C2 (en) * 2001-08-14 2003-10-10 ООО "Компания "Мир" Switching unit built around symmetrical thyristors
RU2352039C1 (en) * 2007-08-16 2009-04-10 Институт электрофизики Уральского отделения Российской академии наук Multielement switchboard
RU160035U1 (en) * 2014-08-15 2016-02-27 Общество с ограниченной ответственностью "Защита Информации" SWITCH BLOCK (OPTIONS)

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US4751408A (en) Voltage-switching device
US4375594A (en) Thyratron Marx high voltage generator
EP3258599B1 (en) Generator of powerful nanosecond pulses (variants)
Fitch Marx-and marx-like-high-voltage generators
RU2673962C1 (en) Distributed switch on threshold elements
US2000017A (en) Electrical cleaning of fluids
US6058029A (en) Power unit for generating discharge shock waves
US6831421B1 (en) Shunt-induced high frequency excitation of dielectric barrier discharges
US8344554B2 (en) Switching spark gap
Larsson et al. Time jitter study of a corona-stabilized closing switch
CN110661512A (en) Pulse generating device
JP5677148B2 (en) Capacitor bank switching performance test equipment
Naito et al. Response characteristics of diode gas discharge tubes
US3260865A (en) Generator of high-energy electro-magnetic surges
Bishop et al. Low-inductance 100 kV switch (spark gap) for starting, diverting and clamping capacitor discharges
SU1660138A1 (en) Voltage pulse generator
JP2000152666A (en) Device for generating square-wave voltage
Bendixsen et al. Very low impedance pulse forming lines built from ferroelectric tiles
Huiskamp et al. 15-Stage compact Marx generator using 2N5551 avalanche transistors
RU2674884C1 (en) HIGH-VOLTAGE NANOSECOND PULSES GENERATOR WITH THE VOLTAGE MULTIPLICATION UP TO nUCHARGE ON THE MATCHED LOAD
RU2352039C1 (en) Multielement switchboard
RU2597025C1 (en) Device for simulation of magnetic field of lightning discharges
Yamashita et al. Characteristics of negative-polarity DC superimposed nanosecond pulsed discharge and its applications
RU2313900C1 (en) Generator of nanosecond impulses
SU789921A1 (en) Artificial circuit for testing switches