Введение к работе
Актуальность темы
Формирующие линии высокого напряжения находят широкое применение мощных электрофизических установках, где требуются импульсы напряжения я тока, близкие по форме к прямоугольным, с большой амплитудой (десятки сотни киловольт или килоампер), длительностью порядка десятков — сотен носекунд, с малыми длительностями фронта и спада (единицы - десятки на-секунд). Импульсы с такими параметрами используются, например, для на-чки мощных лазерных систем, для питания ускорителей заряженных частиц, нощной радиолокационной и рентгеновской технике, в некоторых видах летательных установок. До недавнего времени для получения таких импульсов пользовались коаксиальные или полосковые линии с жидким или твердым электриком. В последнее время нашли применение импульсные источники, полненные по схеме замещения однородной длипной линии с применением еций импульсных конденсаторов, изготовленных по стандартной технологии, иду малой толщины диэлектрика в таких установках применяются значи-шно большие значения удельной энергии, а значит они имеют существенно ньшие габариты и стоимость.
Однако, вследствие ограниченного числа ячеек в схеме замещения длин-й линии, а также влияния различных конструктивных особенностей линии с аменением конденсаторных секций, форма генерируемых импульсов может П.Н0 ухудшаться по сравнению с импульсами, формируемыми линиями с шределенными параметрами. В настоящей работе исследуется возможность шенения мощных искусственных формирующих линий с неодинаковыми эаметрами ячеек (неоднородных формирующих линий) для получения им-іьсов близких к прямоугольным при малом числе ячеек линии с учетом осо-шостей применения в них секций импульсных конденсаторов.
Пель и задачи работы
Целью данной работы является разработка методики нахождения парамет-I неоднородных формирующих линий для получения на согласованной на-зке импульсов, близких по форме к прямоугольным, разработка методики чета и конструкции мощных неоднородных формирующих линий высокого [ряжения для получения на малоомной нагрузке импульсов микро- и наносе-'дного диапазона.
Для достижения этой цели были намечены следующие задачи:
-
Разработка методики численной оптимизации простейшей цепе чечной схемы замещения длинной линии и схемы, учитывающей попере1 ные индуктивности ячеек, для получения импульса, близкого к прямоупш ному, при малом числе ячеек.
-
Определение основных конструктивных особенностей мощных ш кусственных линий с использованием конденсаторных секций, влияющих в форму импульса на нагрузке. Проведение оптимизации параметров схем ш однородных линий с различным числом ячеек, в которых поперечная индуі тивность задается различными способами и варьируется в широких пред лах.
-
Разработка методики расчета и конструкции мощных формирую щих линий с использованием секций импульсных конденсаторов, и изготої ление макетов однородных и неоднородных формирующих линий для ПС следующего исследования на низком и высоком напряжении.
-
Разработка низковольтного стенда для исследования формирующи линий, включающего установки для измерения малых индуктивностей и ем костей элементов линий и исследования импульса на нагрузке линии. Прс ведение исследования макетов линий на низком напряжении и сравнени экспериментальных данных с расчетными.
-
Разработка методики исследования формирующих линий на высе ком напряжении. Исследование макетов на высоком напряжении и сравне ние с результатами исследований на низковольтном стенде и с расчетом.
-
Разработка конструкции и методики расчета мощных формирук щих линий с использованием секций импульсных конденсаторов, выпал ценных по стандартной технологии, с учетом особенностей, присущих нео/і нородным искусственным формирующим линиям.
Методика исследований
Нахождение параметров ячеек схем неоднородных формирующих лини производилось по разработанной методики численной оптимизации схем заме щения длинных линий, основанной на минимизации специально построенног функционала. Для получения оптимальных значений элементов линий был раз работай графический итерационный метод нахождения начальных приближе ний параметров ячеек.
Экспериментальные исследования производились на упрощенных макетах юрмирующих линий, учитывающих основные конструктивные особенности [ощных формирующих линий с использованием секций импульсных конденса-оров, выполненных по стандартной технологии.
Исследования работы линий на низком напряжении производились по ме-оду «зондирующего импульса» с применением генератора прямоугольных им-ульсов как источника питания линии. Метод позволяет исследовать импульсы а нагрузке линии с длительностями фронтов порядка 5 не без использования в хеме коммутатора. Измерение индукшвностей элементов линий производи-ось по методу «вольтметра-амперметра» с использованием частотного генера-ора тока и воздушного трансформатора. Метод позволяет с высокой степенью очности измерять индуктивности порядка единиц нГн.
Исследования работы линий на высоком напряжении производились мето-ом зарядки линии до рабочего напряжения и последующей разрядки на согла-эванную нагрузку через специально изготовленный твердотельный коммута-эр.
Научная иопнзна
Впервые для получения на нагрузке искусственной неоднородной форми-ующей линии импульса, близкого к прямоугольному, применен метода чис-енного подбора параметров ячеек линии исходя непосредственно из формы мпульса на нагрузке. Метод разработан совместпо с сотрудниками кафедры ОЭ СПбГТУ. Для успешного решения задачи подбора параметров ячеек ли-ий разработан графический метод отыскания начальных приближений пара-етров ячеек. Проведен ряд машинных экспериментов по подбору параметров теек линий и найдены оптимальные параметры ячеек для простейшей цепо-гчной схемы линии и схемы с учетом поперечных индуктивностей ячеек, за-аваемых различными способами и варьируемых в широком пределе.
Разработана конструкция и методика расчета неоднородных формирую-(их линий с использованием секций импульсных конденсаторов, выполненных о стандартной технологии. Предложены рекомендации по выбору рабочей на-ряженности в изоляции секций неоднородных линий и по тепловому расчету годнородных линий.
Спроектированы и изготовлены макеты однородных и неоднородных фор-ирующих линий для исследования на низком и высоком напряжении. Макеты
линий были исследованы на специально спроектированных низковольтном к высоковольтном испытательных стендах. Исследования на низком напряжении проводились по схеме без использования коммутатора с применением генератора прямоугольных импульсов. Исследования на высоком напряжении проводились с применением изготовленного простейшего твердотельного разрядника. Полученные по обоим вариантам исследований данные хорошо согласуются между собой и с расчетными данными.
Реализация результатов работы
Диссертационная работа являлась частью научно-исследовательских работ, выполняемых по грантам Министерства общего образования РФ, и в соответствии с Федеральной целевой программой «Интеграция». В результате работы разработан, изготовлен и исследован ряд макетов однородных и неоднородных формирующих линий с использованием секций импульсных конденсаторов, выполненных по стандартной технологии. Результаты исследований использовались при изготовлении формирующих линий на опытном производстве кафедры ИЭ и ТВН СПбГТУ, в том числе при изготовлении линий для НИИ-ЭФА им. Ефремова. В соответствии с ФЦП «Интеграция» разработана учебно-исследовательская лаборатория по исследованию высоковольтных формирующих линий на низком и высоком напряжении.
Личный вклад автора в работу
Автором предложено применение метода численного подбора параметров ячеек неоднородной формирующей линии для получения на нагрузке импульса, близкого по форме к прямоугольному. Метод разработан совместно с сотрудниками кафедры ТОЭ СПбГТУ. Автором разработан графический метод отыскания начальных приближений параметров ячеек, который является важной частью метода оптимизации параметров линий. Проведен ряд машинных экспериментов по подбору параметров ячеек линий и найдены оптимальные параметры ячеек для простейшей цепочечной схемы линии и схемы с учетом поперечных индуктивностей ячеек, задаваемых различными способами. Спроектированы и изготовлены макеты однородных и неоднородных формирующих линий для исследования на низком и высоком напряжении. Разработана конструкция и методика расчета неоднородных формирующих линий с использованием секций импульсных конденсаторов, выполненных по стандартной технологии. Автором, совместно с сотрудниками кафедры ИЭ и ТВН СПбГТУ спро-
сгирован и смонтирован лабораторный стенд для исследования макетов линий проведены исследования макетов однородных и неоднородных линий на низ-зм и высоком напряжении.
Апробация работы
Основные положения и результаты работы докладывались и обсуждались і Российской студенческой конференции в рамках 25-й неделе науки (г. анкт-Петербург, 1996 г.), 5-й российской научно-технической конференции Электромагнитная совместимость технических средств и биологических объ-сгов» ЭМС-98 (г. Санкт-Петербург, 1998 г.), международной научно-їхнической конференции «Изоляция-99» International Conference on Electrical isulation I.C.E.I.-99 (г. Санкт-Петербург, 1999 г.), международной научно-зхнической конференции ИЭЭ по импульсной технике 12-th IEEE International ulsed Power Conference PPC-99 (Monterey, California, USA, 1999 г.), междуна-эдном симпозиуме по высоковольтной технике 11-th International Symposium і High-Voltage Engineering ISH-99 (London, UK, 1999 г.).
Публикации
По теме диссертации опублнковано 7 работ, из них 2 статьи, 4 доклада на знференциях (в том числе трех - международных) и отчет по гранту Мини-герства общего образования РФ.
Объем работы
Диссертационная работа состоит из введения, шести глав и заключения, зложена на 160 страницах машинописного текста, включая 53 рисунка и 20 іблиц. Список литературы содержит 61 наименование.
При выполнении диссертационной работы автор пользовался научными энсультациями сотрудников кафедры ИЭ и ТВН СПбТТУ к.т.н. П.И. Шкуро-ата, к.т.н. О.В. Шилипа, ст.н.с. Л.Т. Вехоревой, сотрудников кафедры ТОЭ ПбГТУ д.т.н. Н.В. Коровкина, к.т.н. Е.Е. Селиной, ст.н.с. А.А. Потиенко, а жже помощью ряда сотрудников лаборатории высоковольтных импульсных энденсаторов СПбГТУ.