способ переключения энергии индуктивного накопителя в нагрузку

Формула изобретения

Способ размыкания цепи индуктивного накопителя энергии с помощью электрически взрывающихся проволочек, отличающийся тем, что материал проволочек перед их срабатыванием насыщают водородом или его изотопами.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области сильноточной электротехники и может быть использовано в создании быстродействующих переключателей энергии индуктивных накопителей для формирования мощных импульсов тока с коротким временем нарастания, которые в последнее время находят широкое применение в многочисленных научных и прикладных исследованиях:

а) создание мощных импульсных источников проникающих излучений (нейтронного, рентгеновского);

б) термоядерный синтез;

в) создание источников энергии для накачки активных сред мощных лазеров (газовых, на парах металлов);

г) создание различных ускорителей заряженных частиц (в том числе и для пылевой плазмы).

Изобретение может быть также использовано в работах по созданию быстродействующей защиты мощных электрических цепей от коротких замыканий.

В настоящее время одним из перспективных направлений в создании быстродействующих высоковольтных переключателей является использование плазменно-эрозионных процессов. Однако, несмотря на успехи в обострении токовых импульсов, отсутствие завершенной теории и сложность технического исполнения плазменно-эрозионных размыкателей заставляет проектировщиков сложных и дорогостоящих установок отдавать предпочтение техническим решениям, реализация которых не вызывает сомнений, как с точки зрения теории, так и с точки зрения простоты и надежности при реализации проектов. Так, в строящейся в ТРИНИТИ мощной импульсной установке “БАЙКАЛ” (А.И.Ведерников, Н.Ю.Касьянов, В.П. Ковалев, В.Ю.Кононенко, А.И.Кормилицын, А.В.Павленко, В.А.Филатов в статье “Электровзрывной размыкатель тока”, сборник докладов Международной конференции “VI Забабахинские научные чтения”, 24-28 сентября 2001 г., г. Снежинcк), в схеме ее магнитного усилителя предусмотрено использование электровзрывных размыкателей.

Явление электрического взрыва проводника и потери им электрической проводимости при прохождении через него критического тока (g10⁶ А/см) исследуется уже более 200 лет и в настоящее время достаточно хорошо изучено для инженерного применения (В.А.Бурцев, Н.В.Калинин, А.В.Лучинский “Электрический взрыв проводников и его применение в электрофизических установках”, Москва, Энергоатомиздат, 1990 г.). Надежно работают электровзрывные размыкатели на токи 200 К А при времени нарастания 50 мксек50 нсек и амплитудах напряжения ~500 кв, что в 4-6 раз превосходит исходное напряжение при накачке индуктивного накопителя. И тем не менее для более эффективной передачи энергии от индуктивного накопителя в нагрузку необходимо снижать время перехода проводника в непроводящее состояние, т.е. время его разрушения.

Наиболее близким к изобретению по технической сущности является быстродействующий размыкатель на электрически взрываемых проволочках, описанный в журнале “Приборы и техника эксперимента”, №6, 1974 г., стр. 107-109, Ю.А.Котов, Н.Г.Колганов, Б.М.Ковальчук “Быстродействующий размыкатель на основе электрически взрываемых проволочек”. Недостатком такой конструкции является сложность закрепления параллельно включенных взрывающихся проволочек и относительно большое время переключения тока из индуктивного накопителя в нагрузку.

Целью изобретения является уменьшение времени переключения тока индуктивного накопителя в нагрузку и упрощение его конструкции.

Цель может быть достигнута при использовании в размыкателе проводников из металлов (или сплавов), сорбирующих значительные количества водорода, например Pd, Ni, Ti, Pt, Pd, Ag и др., а взрываемые проводники располагаются в два слоя на кольце из непроводящего материала (см. фиг 1, где 1 - кольцо из изолятора, 2 - электрически взрываемые проводники), зажатого в коаксиальном промежутке на выходе индуктивного накопителя (см. фиг 2, где 3 - непроводящие кольца с взрываемыми проводниками). Разрушение проводника в процессе нагрева его проходящим электрическим током происходит в результате потери им термодинамической устойчивости при фазовом взрыве, когда в процессе нагрева пар, находившийся в равновесии со сжатой пондеромоторными силами жидкой металлической фазой, достигает состояния предельного пересыщения. Эта неустойчивость инициирует диспергирование и разлет проводника. При этом он теряет металлическую проводимость.

Известно, что при поглощении водорода или его изотопов кристаллическая решетка накапливает энергию, которая при механическом ее разрушении выделяется в виде кинетической энергии продуктов взрыва и дополнительно способствует его разрушению, а это в свою очередь увеличивает скорость нарастания сопротивления и снижает время разрыва электрической цепи, и соответственно время нарастания тока в нагрузке. На фиг.3 приведены осциллограммы тока через палладиевые проволочки I(t) и напряжений на них U(t) при различных коэффициентах относительного их насыщения водородом. Анализ экспериментальных результатов позволяет сделать однозначный вывод об уменьшении времени нарастания импульса напряжения на проволочках, насыщенных водородом, и соответствующее увеличение его амплитуды почти в два раза по сравнению с не насыщенной проволочкой, что дает основание надеяться в перспективе, при увеличении коэффициента насыщения, на возможность увеличить амплитуду напряжения на нагрузке в 10-12 раз от используемого при накачке индуктивного накопителя, и тем самым повысить эффективность передачи в нагрузку энергии от индуктивного накопителя.

Таким образом, поставленная задача - сокращения времени переключения энергии индуктивного накопителя в нагрузку может быть решена, если в известном способе разрыва цепи индуктивного накопителя энергии с помощью взрывающихся проволочек, их насыщают водородом или его изотопами до установки их в устройство размыкателя перед его работой. При этом используется удобный в каждом конкретном случае способ насыщения их водородом или его изотопами. Наиболее распространенными считаются электролитический и из газовой фазы под давлением при подогреве образцов.

Задача упрощения конструкции решается использованием кольца из непроводящего (например, стеклопластик) материала с намотанным на него взрывающимся проводником, как показано на фиг.1. При этом проводник может быть насыщен водородом или его изотопами как до намотки на кольцо, так и после. Расположение колец (например, два) с параллельными взрывающимися проводниками в коаксиальной системе индуктивного накопителя показаны на фиг.2, где

1 - центральный токопровод коаксиальной системы;

2 - внешний токопровод;

3 - кольца с взрывающимися проволочками;

4 - кольца из проводящего материала, обеспечивающие контакт проволочек с центральным токопроводом;

5 - кольца из проводящего материала, обеспечивающие контакт проволочек с обратным токопроводом;

6 - непроводящие кольца, формирующие объем в коаксиальном промежутке (7), заполняемый при необходимости газом, маслом, пылевидным кварцем и др. для предотвращения повторных электрических пробоев.

Размыкатель включен в электрическую цепь индуктивного накопителя энергии по схеме, изображенной на фиг.2, и работает следующим образом. Перед установкой в индуктивный накопитель проволочки насыщаются водородом или его изотопами. В зависимости от разрываемого тока, необходимое их количество навивается на не проводящее кольцо, которое устанавливается в коаксиальный зазор размыкателя и поджимается контактными кольцами (4, 5). Объем (7) при необходимости заполняется газом, маслом, речным песком, пылевидным кварцем. Заряжается емкостной накопитель энергии. Накачка индуктивного накопителя начинается при замыкании ключа К. При этом емкость С разряжается через индуктивность L и проволочки, расположенные параллельно на кольцах (3). При достижении в накопителе энергии тока заданной величины проволочки взрываются, размыкая цепь накачки. На индуктивности L возникает напряжение, срабатывает ключ К и ток переключается в нагрузку R.

При использовании в качестве взрываемых проводников палладиевых проволочек, насыщенных водородом до коэффициента насыщения С - 0,6, в 1,5-2 раза (как следует из осциллограмм на фиг.3) может быть сокращено время переключения тока индуктивного накопителя энергии, что и приведет к увеличению скорости ввода электрической энергии в нагрузку.