RU75783U1

RU75783U1 - HIGH VOLTAGE CAPACITOR WITH BUILT-IN CONTROLLED SWITCH

Info

Publication number: RU75783U1
Application number: RU2008113736/22U
Authority: RU
Inventors: Валерий Соломонович Верховский; Наталья Викторовна Жарова; Иван Валериевич Лавринович; Владимир Федорович Федущак
Original assignee: Общество с ограниченной ответственностью "ФОТОН"; Владимир Федорович Федущак; Иван Валериевич Лавринович
Priority date: 2008-04-08
Filing date: 2008-04-08
Publication date: 2008-08-20

Abstract

Высоковольтный конденсатор со встроенным управляемым коммутатором предназначен для генерирования мощных импульсов тока. Он содержит изоляционный цилиндрический корпус (1) с заземленной крышкой (2), в котором коаксиально расположены цилиндрически намотанные обкладки (3) конденсатора и управляемый коммутатор. Управляемый коммутатор выполнен многоканальным в виде нескольких рядов электродов (5) разрядных промежутков (6). Обкладки (3) конденсатора расположены внутри управляемого коммутатора, причем электроды (5) разрядных промежутков (6) равномерно размещены по наружной поверхности обкладок (3) конденсатора. Кроме того, изоляционный цилиндрический корпус (1) помещен в токопроводящий кожух (13), который электрически соединен с заземленной крышкой (2). За счет конструктивного выполнения в 2 раза снижена индуктивность, создана возможность протекания токов больших в 2 раза, устранена необходимости подачи в управляемый коммутатор газа под давлением. 1 з.п. ф-лы, 1 ил, 1 пр.A high-voltage capacitor with an integrated controlled switch is designed to generate powerful current pulses. It contains an insulating cylindrical body (1) with a grounded cover (2), in which cylindrically wound capacitor plates (3) are coaxially located and a controlled switch. The managed switch is multi-channel in the form of several rows of electrodes (5) of the discharge gaps (6). The capacitor plates (3) are located inside the controlled switch, and the electrodes (5) of the discharge gaps (6) are evenly placed on the outer surface of the capacitor plates (3). In addition, the insulating cylindrical body (1) is placed in a conductive casing (13), which is electrically connected to a grounded cover (2). Due to the constructive implementation, the inductance is reduced by a factor of 2, the possibility of large currents flowing by 2 times is created, and the need for supplying gas to a controlled switchboard is eliminated. 1 s.p. f-ly, 1 silt, 1 ave.

Description

Полезная модель относится к электротехнике, а именно к высоковольтной импульсной технике наносекундного диапазона (до 100 не) для генерирования мощных импульсов тока (до 300 кА) при импульсном напряжении 50 кВ и выше. Она может быть использована в генераторах тока для питания импульсных рентгеновских аппаратов, электронных пушек, электродинамических ускорителей твердых тел (до 10 км/с), при создании установок для сейсморазведки горных пород на глубины до нескольких километров и т.п.The utility model relates to electrical engineering, namely to the high-voltage pulsed technology of the nanosecond range (up to 100 ns) for generating powerful current pulses (up to 300 kA) at a pulsed voltage of 50 kV and above. It can be used in current generators to power pulsed X-ray machines, electron guns, electrodynamic accelerators of solids (up to 10 km / s), when creating installations for seismic exploration of rocks to depths of several kilometers, etc.

Известно устройство для накопления электрической энергии, состоящее из спирально навитых плоских ленточных проводников, и способ его изготовления (патент США 3 6525924, МПК 7 H01G 4/06, опубл. 25.02.2003). Оно представляет собой цилиндрический корпус, внутри которого расположены плоские ленточные электрические проводники, навитые в одном направлении. Ленточные электрические проводники снабжены несколькими токовыводами, соединенными с одним основным электрическим выводом. По осевой линии устройства, коаксиально относительно навитых в виде рулона электрических ленточных проводников, расположен токопроводящий элемент. Через этот токопроводящий элемент (сквозь всю толщу упаковки электрических ленточных проводников) пропущена шпилька, служащая для закрепления сборки, нижний конец которой плотно соединяет нижние токовыводы. Верхний конец этой шпильки соединен с другим основным электрическим вводом.A device for storing electrical energy, consisting of spirally wound flat ribbon conductors, and a method for its manufacture (US patent 3 6525924, IPC 7 H01G 4/06, publ. 25.02.2003). It is a cylindrical body, inside of which there are flat ribbon electrical conductors wound in one direction. Tape electrical conductors are equipped with several current leads connected to one main electrical terminal. A conductive element is disposed along the axial line of the device, coaxially relative to the wound coil of electrical tape conductors. Through this conductive element (through the entire thickness of the packaging of electrical tape conductors) a stud is passed, which serves to secure the assembly, the lower end of which tightly connects the lower current leads. The upper end of this stud is connected to another main electrical input.

Основным недостатком известного устройства является высокая индуктивность, которая выше индуктивности предложенной нами полезной модели в 5 раз и более. Это связано с тем, что устройство - аналог создано The main disadvantage of the known device is its high inductance, which is 5 times or more higher than the inductance of the utility model we have proposed. This is due to the fact that the analog device is created

для работы с коммутирующим узлом, который находится за пределами этого устройства. Кроме того, его токовыводящие контакты выведены на одну торцевую часть устройства, где присоединены к двум общим токовыводящим шинам.to work with a switching node that is located outside of this device. In addition, its current-carrying contacts are brought to one end part of the device, where it is connected to two common current-carrying buses.

Первая причина высокой индуктивности устройства - аналога устранена в другом известном, и выбранном за прототип устройстве, которое является наиболее близким к предложенному нами по конструктивным особенностям и достигаемому эффекту (Н.В.Жарова, Н.А.Ратахин, В.Ф.Федущак, А.А.Эрфорт «Импульсные генераторы тока для электрофизических установок». Научная конференция «Электрофизика материалов и установок»: сборник докладов /под редакцией С.М. Коробейникова, Ю.В. Целебровского, С.В. Нестерова - Новосибирск, Сибирская энергетическая академия, 2006. - 9-12 января 2007 года, с.223-224). Устройство - прототип представляет собой высоковольтный конденсатор с встроенным газовым управляемым разрядником. Конденсатор содержит изоляционный цилиндрический корпус с заземленной крышкой, в котором по внутренней поверхности его стенки размещены цилиндрически намотанные фольговые обкладки конденсатора. Внутри них коаксиально установлен управляемый газовый разрядник (коммутатор), один из основных электродов которого - высоковольтный - укреплен в днище конденсатора и выполнен с каналами для подачи воздуха под давлением. Напротив этого электрода установлен запускающий электрод, расположенный коаксиально внутри другого (заземленного) основного электрода. Запуск управляемого газового разрядника осуществляется через обостряющий промежуток 0,5 мм, образованный под заземленной крышкой над запускающим электродом.The first reason for the high inductance of the analog device was eliminated in another known device selected for the prototype, which is closest to our proposed design features and the achieved effect (N.V. Zharova, N.A. Ratakhin, V.F. Fedushchak, A.A. Erfort "Pulse current generators for electrophysical installations. Scientific conference" Electrophysics of materials and installations ": collection of reports / edited by S. M. Korobeinikov, Yu.V. Celebrovsky, S. V. Nesterova - Novosibirsk, Siberian Energy Academy, 2006. - January 9-12, 2007, p.223-224). The device is a prototype is a high voltage capacitor with a built-in gas controlled arrester. The capacitor contains an insulating cylindrical body with a grounded cover, in which cylindrically wound foil plates of the capacitor are placed on the inner surface of its wall. A controlled gas spark gap (switch) is coaxially installed inside them, one of the main electrodes of which is a high-voltage one, mounted in the bottom of the condenser and made with channels for supplying air under pressure. Opposite this electrode is a trigger electrode located coaxially inside another (grounded) main electrode. The start of the controlled gas spark gap is carried out through the sharpening gap of 0.5 mm, formed under the grounded cover above the starting electrode.

К основным недостаткам этого устройства относятся следующие:The main disadvantages of this device include the following:

сравнительно высокая индуктивность, ограниченные возможности протекания больших токов, а также необходимость принудительной подачи газа (воздуха) под давлением. При таком конструктивном выполнении устройства, на обкладки конденсатора действуют электродинамические relatively high inductance, limited flow of large currents, as well as the need for forced supply of gas (air) under pressure. With such a structural embodiment of the device, electrodynamic act on the capacitor plates

силы, направленные в радиальном направлении в сторону стенки корпуса устройства. В результате этого плотность намотки обкладок конденсатора уменьшается, нарушается контакт токовыводящих элементов с фольговыми обкладками, происходит искрение, подгорание мест контакта, повышенное газовыделение и в конечном итоге электрический пробой обкладок конденсатора. Ограничение протекания больших токов связано с высоким активным сопротивлением используемой коммутирующей системы.forces directed radially towards the wall of the device casing. As a result, the density of the winding of the capacitor plates decreases, the contact of the current-carrying elements with the foil plates is violated, sparking occurs, contact points burn out, increased gas evolution and, ultimately, electrical breakdown of the capacitor plates. The limitation of the flow of large currents is associated with a high active resistance of the used switching system.

Техническим результатом предложенной полезной модели является снижение индуктивности в 2 раза, создание возможности протекания токов больших в 2 раза, устранение необходимости подачи в управляемый разрядник (коммутатор) газа под давлением. В предложенном устройстве комплексно решены задачи уплотнения намотки обкладок конденсатора электродинамическими силами, направленными в сторону его осевой линии, и снижения активного сопротивления коммутирующей системы за счет распределения токов по большому количеству каналов электрического пробоя.The technical result of the proposed utility model is to reduce the inductance by 2 times, creating the possibility of large currents flowing by 2 times, eliminating the need to supply gas under pressure to a controlled spark gap (switch). In the proposed device, the problems of sealing the winding of the capacitor plates by electrodynamic forces directed towards its axial line and solving the active resistance of the switching system due to the distribution of currents over a large number of electric breakdown channels are comprehensively solved.

Указанный технический результат достигается тем, что высоковольтный конденсатор со встроенным управляемым коммутатором, содержит, как и прототип, изоляционный цилиндрический корпус с заземленной крышкой, в котором коаксиально расположены цилиндрически намотанные обкладки конденсатора и управляемый коммутатор. В отличие от прототипа управляемый коммутатор выполнен многоканальным в виде нескольких рядов электродов разрядных промежутков, а обкладки конденсатора расположены внутри управляемого коммутатора, причем электроды разрядных промежутков равномерно размещены по наружной поверхности обкладок конденсатора.The specified technical result is achieved in that the high-voltage capacitor with an integrated controllable switch contains, like the prototype, an insulating cylindrical case with a grounded cover, in which cylindrically wound capacitor plates and a controllable switch are coaxially located. Unlike the prototype, the managed switch is made multi-channel in the form of several rows of discharge gap electrodes, and the capacitor plates are located inside the controlled switch, and the discharge gap electrodes are evenly placed on the outer surface of the capacitor plates.

Целесообразно, чтобы изоляционный цилиндрический корпус был помещен в токопроводящий кожух, который электрически соединен с заземленной крышкой.It is advisable that the insulating cylindrical body was placed in a conductive casing, which is electrically connected to a grounded cover.

Пример конкретного выполнения. На фиг.1 приведен продольный разрез предложенного высоковольтного конденсатора. Он содержит изоляционный цилиндрический корпус 1 с заземленной крышкой 2. В корпусе 1 расположены цилиндрически намотанные обкладки 3 конденсатора. Снаружи обкладок 3 конденсатора по внутренней поверхности корпуса 1 конденсатора размещен управляемый коммутатор, в изоляционном корпусе 4 которого закреплены в виде нескольких (восьми) горизонтальных рядов электроды 5 разрядных промежутков 6 управляемого коммутатора. Величина каждого разрядного промежутка 6 равна 5 мм. Электроды 5 равномерно размещены по наружной поверхности изолятора 7 обкладок 3 конденсатора. Диаметр электродов 5 равен 22 мм. Для зарядки высоковольтного конденсатора через заземленную крышку 2 и центральную полость 8 конденсатора пропущен кабель 9, идущий от источника постоянного напряжения, и подсоединенный к токопроводящему диску 10, который электрически соединяет цилиндрически намотанные обкладки 3 и нижний ряд электродов 5 управляемого коммутатора. Нагрузка 11 подключена к заземленной крышке 2 и к обкладкам 3 с помощью токовода 12.An example of a specific implementation. Figure 1 shows a longitudinal section of the proposed high voltage capacitor. It contains an insulating cylindrical housing 1 with a grounded cover 2. In the housing 1 are cylindrically wound plates 3 of the capacitor. Outside of the capacitor plates 3, on the inner surface of the capacitor case 1, a controlled switch is placed, in the insulating case 4 of which electrodes 5 of the discharge spaces 6 of the controlled switch are fixed in the form of several (eight) horizontal rows. The value of each discharge gap 6 is 5 mm. The electrodes 5 are evenly placed on the outer surface of the insulator 7 of the plates 3 of the capacitor. The diameter of the electrodes 5 is 22 mm. To charge a high-voltage capacitor through a grounded cover 2 and a central cavity 8 of the capacitor, a cable 9 was passed from a constant voltage source and connected to a conductive disk 10, which electrically connects the cylindrically wound plates 3 and the lower row of electrodes 5 of the managed switch. The load 11 is connected to a grounded cover 2 and to the plates 3 using a current lead 12.

Кроме того, изоляционный цилиндрический корпус 1 помещен в токопроводящий кожух 13, который электрически соединен с заземленной крышкой 2 и служит для защиты оборудования и приборов от импульсных электромагнитных полей окружающих высоковольтный конденсатор.In addition, the insulating cylindrical housing 1 is placed in a conductive casing 13, which is electrically connected to a grounded cover 2 and serves to protect equipment and devices from pulsed electromagnetic fields surrounding a high voltage capacitor.

Работа высоковольтного конденсатора осуществляется следующим образом. От внешнего источника кабелем 9 к токопроводящему диску 10 подают постоянное напряжение (100 кВ) для заряжения высоковольтного конденсатора (его обкладок 3) до рабочего напряжения. После этого запускают управляемый коммутатор путем подачи импульса от внешнего генератора запуска на третий с верху ряд электродов 5, что приводит к пробою разрядных промежутков 6 по двенадцати параллельным каналам пробоя. В результате этого образуется разрядный контур: цилиндрически The operation of the high voltage capacitor is as follows. From an external source, cable 9 to the conductive disk 10 is supplied with a constant voltage (100 kV) to charge the high voltage capacitor (its plates 3) to the operating voltage. After that, the controlled switch is started by applying a pulse from an external start generator to the third row of electrodes 5 from the top, which leads to the breakdown of the discharge gaps 6 along twelve parallel breakdown channels. As a result of this, a discharge circuit is formed: cylindrically

намотанные обкладки 3 конденсатора, управляемый коммутатор, нагрузка 11. В результате на нагрузке получают импульсный ток до 300 кА (в зависимости от нагрузки) при емкости высоковольтного конденсатора 0,2 мкф индуктивности 15 нГн. У прототипа индуктивность 28 нГн, то есть выше почти в 2 раза, импульсный ток до 150 кА, то есть меньше в 2 раза.wound capacitor plates 3, controlled switch, load 11. As a result, a pulsed current of up to 300 kA (depending on the load) is obtained at the load with a high-voltage capacitor capacitance of 0.2 μF inductance 15 nH. The prototype has an inductance of 28 nH, that is, almost 2 times higher, the pulse current up to 150 kA, that is, 2 times less.

Claims

1. A high-voltage capacitor with a built-in managed switch, comprising an insulating cylindrical body with a grounded cover, in which cylindrically wound capacitor plates and a controlled switch are coaxially located, characterized in that the controlled switch is multi-channel in the form of several rows of discharge gap electrodes, and the capacitor plates are located inside controlled switch, and the electrodes of the discharge gaps are uniformly placed on the outer surface of the cloud c condenser.

2. The high voltage capacitor according to claim 1, characterized in that the insulating cylindrical body is placed in a conductive casing, which is electrically connected to a grounded cover.