Способ формирования многоканального электрического пробоя твердотельного изолятора и устройство для его осуществления
Владельцы патента RU 2733050:
Федеральное государственное унитарное предприятие "Российский федеральный ядерный центр - Всероссийский научно-исследовательский институт экспериментальной физики" (ФГУП "РФЯЦ-ВНИИЭФ") (RU)
Российская Федерация, от имени которой выступает Государственная корпорация по атомной энергии "Росатом" (Госкорпорация "Росатом") (RU)
Группа изобретений относится к сильноточной коммутационной технике и может быть использована для формирования в низкоимпедансных нагрузках мультимегаамперных импульсов тока со временем нарастания порядка одной и менее микросекунды. В способе создания многоканального электрического пробоя твердотельного изолятора с искусственно созданными неоднородностями в основном промежутке между двумя электродами твердотельный изолятор в основном промежутке делят металлической фольгой на два вспомогательных межэлектродных промежутка, прикладывают напряжение к электродам основного межэлектродного промежутка и с помощью искусственных неоднородностей обеспечивают условия для одноканального пробоя в первом вспомогательном межэлектродном промежутке и возникновения за счет этого во втором вспомогательном промежутке скачка напряжения с достаточно крутым фронтом для возникновения в изоляторе многоканальных электрических пробоев в местах искусственных неоднородностей, в результате чего в этих местах образуются кумулятивные струи, выходящие за пределы второго вспомогательного промежутка, пробивающие изолятор в первом вспомогательном промежутке, электрически замыкая тем самым по многим каналам основной промежуток между высоковольтными электродами. В устройстве, содержащем высоковольтные электроды, запитываемые от источника нарастающего высокого напряжения и разделенные основным промежутком с твердотельным изолятором с искусственно созданными неоднородностями, высоковольтные электроды выполнены в виде двух соосных плоскопараллельных дисков, а неоднородности выполнены в виде вплавленных в изолятор металлических оболочек, каждая из которых электрически соединена с одним из высоковольтных электродов, причем в твердотельном изоляторе соосно и параллельно с электродами расположен плоский диск из металлической фольги, делящей основной промежуток на два вспомогательных промежутка, в первом вспомогательном промежутке находится одна, расположенная на оси, вплавленная в изолятор металлическая оболочка, а во втором вспомогательном промежутке находятся несколько равноудаленных от фольги вплавленных в изолятор металлических оболочек, расположенных на одинаковом расстоянии от оси. Зазоры между фольгой и электродами, фольгой и вплавленными оболочками выбираются такими, чтобы при росте напряжения на электродах сначала происходил пробой в первом вспомогательном промежутке между фольгой и металлической оболочкой на оси. Технический результат - расширение эксплуатационных возможностей за счет формирования многоканального пробоя твердотельного изолятора с использованием обычно встречающихся на практике источников высокого напряжения со скоростью нарастания меньше 1011 В/с и за счет уменьшения габаритов устройства. 2 н. и 1 з.п. ф-лы, 5 ил.
Группа изобретений относится к сильноточной коммутационной технике и может быть использована для формирования в низкоимпедансных нагрузках мультимегаамперных импульсов тока со временем нарастания порядка одной и менее микросекунды.
Аналогами, близкими по принципу действия к заявляемому техническому решению, являются способы формирования многоканального пробоя твердотельного изолятора путем многоточечного воздействия ударными волнами, кумулятивными струями [1-2], либо за счет быстрого нарастания напряжения, прикладываемого к электродам, разделенным изолятором с искусственно созданными неоднородностями [3].
Например, известны способ и устройство многоканального пробоя твердотельного изолятора с помощью металлических кумулятивных струй [2], формируемых несколькими капсюлями-детонаторами с кумулятивными выемками в алюминиевых донышках. Используются шесть детонаторов, синхронное инициирование которых обеспечивается электрической системой, располагаемой вблизи устройства многоканального пробоя. Детонаторы вставляются в прочную металлическую обойму, расположенную на потенциальном электроде, соединенном с конденсаторной батареей. Торцы детонаторов примыкают к пленочной изоляции, наложенной на заземленную металлическую шину и сменяемой после каждого пробоя. Устройство работает следующим образом. К потенциальному электроду прикладывается высокое напряжение от конденсаторной батареи. Подается пусковой сигнал в систему инициирования, в которой генерируется высоковольтный импульс, вызывающий срабатывание капсюлей-детонаторов и формирование кумулятивных металлических струй. Кумулятивные струи пробивают твердотельный пленочный изолятор, обеспечивая тем самым электрическое замыкание потенциального электрода на заземленную металлическую шину. Работа устройства опробована при токах до 1,5 МА. Показано, что характерное время формирования многоканального пробоя и замыкания потенциального электрода на землю составляет 0,3 - 0,4 мкс.
Указанные способ и устройство имеют ряд недостатков. Во-первых, недостатком устройства является повышенное требования к безопасности, связанное с применением взрывоопасных капсюлей-детонаторов. Во-вторых, использование капсюлей-детонаторов и системы инициирования делает устройство довольно громоздким, что в некоторых случаях ограничивает возможность применения. В-третьих, время создания многоканального пробоя, определяемое синхронностью срабатывания капсюлей-детонаторов, формирующих металлические кумулятивные струи, довольно велико, что исключает возможность применения его в быстродействующих электрофизических устройствах с характерным временем развития процессов порядка или меньше 100 нс.
Известны другие способ и устройство для многоканального пробоя твердотельного изолятора [3]. Эти способ и устройство являются наиболее близкими к заявляемым. Способ заключается в использовании для многоканального пробоя высокой скорости dU/dt нарастания напряжения U(t), прикладываемого к высоковольтным электродам, разделенным твердотельным изолятором с искусственно созданными неоднородностями. Экспериментально показано [3], что в подобных устройствах, со скоростями нарастания напряжения в диапазоне от 1011 В/с и выше, число каналов пробоя зависит от величины dU/dt. При подаче на электроды напряжения со скоростью нарастания ниже пороговой, dU/dt<1011 В/с, образуется только один канал. С увеличением скорости нарастания в диапазоне 1011÷1012 В/с число каналов пробоя возрастает и при dU/dt>1012 В/с достигает максимального значения, равного числу неоднородностей в твердотельном изоляторе. Устройство содержит источник нарастающего высокого напряжения, соединенный с двумя высоковольтными электродами, разделенными твердотельным изолятором с искусственно созданными неоднородностями. Неоднородности в твердотельном изоляторе могут быть созданы вдавливанием в диэлектрик маленьких металлических конусов, проволочек, нагретых тонких иголочек и т.д.
Данные устройство и способ имеют два недостатка. Первый недостаток состоит в том, что требование к крутизне фронта импульса напряжения, dU/dt>1012 В/с, трудно выполнимо в подавляющем большинстве случаев, представляющих практический интерес. Второй недостаток состоит в том, что удовлетворение условия многоканальности пробоя, dU/dt>1012 В/с, не позволяет работать при максимальных напряжениях, развиваемых высоковольтным источником, поскольку в точке максимума напряжения dU/dt=0.
Заявляемое изобретение решает задачу формирования многоканального электрического пробоя твердотельного изолятора между двумя высоковольтными электродами в компактном устройстве при сравнительно невысокой, dU/dt<1011 В/с, скорости роста напряжения, прикладываемого к электродам.
Техническим результатом заявляемого изобретения является расширение эксплуатационных возможностей за счет формирования многоканального пробоя твердотельного изолятора с использованием обычно встречающихся на практике источников высокого напряжения со скоростью нарастания меньше 1011 В/с и за счет уменьшения габаритов устройства.
Указанный технический результат достигается тем, что, в отличие от известного способа создания многоканального электрического пробоя твердотельного изолятора с искусственно созданными неоднородностями в основном промежутке между двумя электродами, реализуемого за счет быстрого нарастания прикладываемого к электродам напряжения, в заявляемом способе твердотельный изолятор в основном промежутке делят металлической фольгой на два вспомогательных межэлектродных промежутка, прикладывают напряжение к электродам основного межэлектродного промежутка и с помощью искусственных неоднородностей обеспечивают условия для одноканального пробоя в первом вспомогательном межэлектродном промежутке и возникновения за счет этого во втором вспомогательном промежутке скачка напряжения с достаточно крутым фронтом для возникновения многоканальных электрических пробоев изолятора в местах искусственных неоднородностей, в результате чего в этих местах образуются кумулятивные струи, выходящие за пределы второго вспомогательного промежутка, пробивающие изолятор в первом вспомогательном промежутке, электрически замыкая тем самым по многим каналам основной промежуток между высоковольтными электродами.
Технический результат достигается также тем, что в заявляемом устройстве, содержащем вы соковольтные электроды, запитываемые от источника нарастающего высокого напряжения и разделенные основным промежутком с твердотельным изолятором с искусственно созданными неоднородностями, новым является то, что высоковольтные электроды выполнены в виде двух соосных плоскопараллельных дисков, а неоднородности выполнены в виде вплавленных в изолятор металлических оболочек, каждая из которых электрически соединена с одним из высоковольтных электродов, причем в твердотельном изоляторе соосно и параллельно с электродами расположен плоский диск из металлической фольги, делящей основной промежуток на два вспомогательных промежутка. В первом вспомогательном промежутке находится одна, расположенная на оси, вплавленная в изолятор металлическая оболочка, а во втором вспомогательном промежутке находятся несколько равноудаленных от фольги вплавленных в изолятор металлических оболочек, расположенных на одинаковом расстоянии от оси. Зазоры между фольгой и электродами, фольгой и вплавленными оболочками выбираются такими, чтобы при росте напряжения на электродах сначала происходил пробой в первом вспомогательном промежутке между фольгой и металлической оболочкой на оси. Для обеспечения плоскопараллельности электродов и металлической фольги, а также достижения требуемой точности выставления зазоров между фольгой и электродами, фольгой и вплавленными оболочками, изоляторы в каждом из вспомогательных промежутков выполняются в виде слоев из двух диэлектрических пленок, в одну из которых вплавлены металлические оболочки до касания со второй пленкой, а диск из металлической фольги располагается внутри круга, вырезанного в диэлектрической пленке, толщина которой равна толщине металлической фольги.
Получено экспериментальное подтверждение справедливости предложенного технического решения. Для экспериментальной проверки изготовлен опытный образец устройства, в котором электроды, соединенные с источником нарастающего высокого напряжения, выполнены в виде двух плоскопараллельных соосных дисков диаметром 180 мм. Основной межэлектродный промежуток разделен на два вспомогательных промежутка диском из медной фольги диаметром 90 мм толщиной 20 мкм. Диск из медной фольги, располагаемый параллельно электродам и соосно с ними, находится внутри центрального круга, вырезанного в лавсановой пленке толщиной 20 мкм. Изоляторы в каждом из вспомогательных промежутков выполнены в виде слоев из двух лавсановых пленок. В первом вспомогательном промежутке толщина первой пленки 250 мкм, толщина второй пленки 20 мкм. В центре первой пленки вплавлена, до касания со второй пленкой, металлическая оболочка из алюминия толщиной 20 мкм. Во втором вспомогательном промежутке толщина первой пленки 100 мкм, толщина второй пленки 20 мкм. В первой пленке, на расстоянии 40 мм от центра равномерно по азимуту, вплавлены, до касания со второй пленкой, три металлические оболочки из алюминия толщиной 20 мкм. Изготовленный таким образом набор из пленок и фольгового диска, с суммарной толщиной 0,41 мм, плотно зажимается между электродами. Опытный образец испытан на экспериментальном стенде, обеспечивающем нарастающее высокое напряжение на электродах устройства. Получен пробой твердотельного изолятора по четырем каналам при достижении напряжения на электродах 30 кВ. Скорость роста напряжения dU/dt перед пробоем составляет 2⋅109 В/с, что в 50 раз меньше по сравнению с величиной 1011 В/с, определенной в [3] как пороговая величина dU/dt, ниже которой в устройстве-прототипе образуется только один канал пробоя. Полученный результат полностью подтверждает справедливость предложенного технического решения.
На фиг. 1 изображена схема устройства по заявленному способу, состоящего из высоковольтных электродов, диска из фольги, расположенного внутри сплошного твердотельного изолятора с искусственно созданными неоднородностями. На фиг. 2 изображена схема устройства по заявленному способу, состоящего из высоковольтных электродов, диска из фольги, расположенного внутри пленочного твердотельного изолятора с искусственно созданными неоднородностями. На фиг. 3 представлена электрическая схема высоковольтного стенда для проверки работоспособности устройства по заявленному способу. На фиг. 4 показана осциллограмма напряжения, полученная при проверке работоспособности устройства по заявленному способу. На фиг. 5 представлена фотография твердотельного изолятора с диском из медной фольги со следами многоканальных пробоев, подтверждающая работоспособность устройства по заявленному способу.
На фиг. 1, 2 введены обозначения:
1, 2 - соосные плоскопараллельные электроды;
3 - вплавленные металлические оболочки;
4 - твердотельный изолятор первого вспомогательного промежутка;
5 - твердотельный изолятор второго вспомогательного промежутка;
6 - соосный с электродами диск из металлической фольги;
7 - диэлектрическая пленка с вырезанным кругом для диска из фольги.
На фиг. 3 введены обозначения:
8 - зарядный резистор 1 Мом;
9 - накопительная емкость 223 нФ;
10 - управляемый разрядник;
11 - демпфирующая индуктивность 10,8 мкГн;
12 - резистор 75 Ом;
13 - омический делитель напряжения;
14 - промежуточная емкость 52 нФ;
15 - проверяемый опытный образец устройства.
Нарастающее напряжение U(t), прикладываемое к электродам устройства, делится между первым и вторым вспомогательными промежутками пропорционально зазорам l1 и l2 между металлической фольгой и электродами, U1(t)=U(t)⋅l1⋅(l1+l2)-1, U2(t)=U(t)⋅l2⋅(l1+l2)-1. За счет l1 и l2 подбираются условия, чтобы электроразрядные процессы между электродами начинались с первого вспомогательного промежутка, в котором в момент t=t* возникает токовый канал пробоя между вплавленной на оси оболочкой и диском из металлической фольги. Одноканальный пробой возбуждает токовые электромагнитные колебания, связанные с перетеканием электрического заряда между соединенной с электродом вплавленной оболочкой и фольговым диском. Период колебаний Т определяется диаметром фольгового диска dф и скоростью Св распространения электромагнитной волны, Т=4⋅dф/Св. В отсутствие пробоев во втором вспомогательном промежутке колебания через некоторое время δt затухнут, и система перейдет в новое установившееся состояние, в котором приложенное к электродам напряжение U(t*+δt) сосредоточено на втором вспомогательном промежутке, U2(t*+δt) - U(t*+δt). Если при этом напряжение на электродах остается неизменным, U(t*)=U(t*+δt), в новом установившемся состоянии напряжение на втором вспомогательном промежутке оказывается возросшим от U2(t<t*)=U(t*)⋅l2⋅(l1+l2)-1 до U(t*). Например, при l1=2⋅l2 кратность увеличения U2(t) будет равна трем. Изменение U2(t) будет иметь характер затухающих колебаний относительно U(t*) с амплитудой на первом полупериоде примерно равной 2/3⋅U(t*). Если использовать синусоидальную аппроксимацию изменения U2(t), можно оценить скорость роста напряжения U2(t) на первом полупериоде колебания после пробоя в первом вспомогательном промежутке, dU2/dt=2/3⋅U(t*)⋅2π/T. Выбирая для оценки U(t*)=30 кВ и полагая Т порядка 10-9 с получаем, что скорость роста напряжения на втором вспомогательном промежутке составит около ⋅1014 В/с. Наличие во втором вспомогательном промежутке соединенных с электродом вплавленных металлических оболочек приводит к пробоям на первой полуволне колебания напряжения U2(t). При оцененной скорости нарастания dU2/dt гарантирован многоканальный электрический разряд между фольговым диском и вплавленными оболочками во втором вспомогательном промежутке. Благодаря этому разряду, в возникших во втором вспомогательном промежутке токовых каналах образуются кумулятивные струи, которые затем пробивают фольговый диск и изолятор в первом вспомогательном промежутке, электрически замыкая тем самым основной промежуток между высоковольтными электродами по многим каналам.
Работоспособность устройства по заявленному способу зависит от точности выставления плоскопараллельности и соосности электродов, фольгового диска, а также точности выставления зазоров между впаянными металлическими оболочками и фольговым диском. Требования к точности могут быть выполнены в достаточной степени в устройстве, схематично представленном на фиг. 2. В этом устройстве твердотельные изоляторы 4, 5 в каждом из вспомогательных промежутков изготавливаются в виде слоев из двух пленок, в одну из которых вплавлены металлические оболочки 3 до касания с другой пленкой. Диск из металлической фольги 6 располагается внутри круга, вырезанного в диэлектрической пленке 7, толщина которой равна толщине металлической фольги.
Подобным образом был изготовлен опытный образец устройства по заявленному способу. Электроды устройства 1, 2 выполнены из сплава АМГ в виде плоскопараллельных соосных дисков диаметром 180 мм. Вплавленные металлические оболочки 3 выполнены из алюминия толщиной 20 мкм. В первом вспомогательном промежутке твердотельный изолятор 4 выполнен из двух лавсановых пленок толщиной 250 и 20 мкм. В пленку толщиной 250 мкм по центру вплавлена металлическая оболочка до касания с пленкой толщиной 20 мкм. Во втором вспомогательном промежутке твердотельный изолятор 5 выполнен из двух лавсановых пленок толщиной 100 и 20 мкм. В пленку толщиной 100 мкм равномерно по азимуту вплавлены три металлические оболочки до касания с пленкой толщиной 20 мкм. Оболочки находятся на расстояниях 40 мм от оси. Разделяющий основной межэлектродный промежуток диск 6 диаметром dф=90 мм, выполненный из медной фольги толщиной 20 мкм, находится внутри центрального круга, вырезанного в лавсановой пленке 7 толщиной 20 мкм. Зазоры l1 и l2 в данном варианте устройства равны соответственно 270 и 120 мкм. Напряжения между вплавленными оболочками и диском из медной фольги в первом и во втором вспомогательных промежутках распределяются как U1=0,69⋅U, U2=0,31⋅U. Время четырехкратного пробега электромагнитной волной расстояния dф, Т=4⋅dф//Св=2,12⋅10-9 с. Здесь Св=ε-1/2⋅3⋅1010 см/с=1,7⋅1010 см/с - скорость электромагнитной волны в лавсане, ε=3,05 - диэлектрическая проницаемость лавсана при частоте 1 МГц. Исходя из этого и учитывая, что для данного опытного образца измеренное пробойное напряжение U(t*)=30 кВ, получаем, что скорость роста напряжения, dU2/dt=0,69⋅U(t*)⋅2π/T=0,61⋅1014 В/с, что примерно на два порядка превышает величину 1012 В/с, определенную в [3] как скорость роста напряжения dU/dt, превышение которой необходимо для получения максимального числа каналов пробоя, равного числу искусственно созданных неоднородностей в твердотельном изоляторе.
Опытный образец устройства по заявленному способу испытан на высоковольтном стенде, схема которого приведена на фиг. 3. В начальном состоянии накопительная емкость 9 через сопротивление 8 заряжается до статического высокого напряжения. После срабатывания управляемого разрядника 10 происходит зарядка промежуточной емкости 14 и формирование на испытываемом устройстве 15 высоковольтного импульса, осциллограмма которого регистрируется с использованием омического делителя напряжения 13. Параметры высоковольтного импульса можно варьировать за счет статического зарядного напряжения, промежуточной емкости 14, демпфирующей индуктивности 11 и резистора 12. Осциллограмма импульса напряжения, прикладываемого к электродам устройства по заявленному способу, полученная при зарядке накопительной емкости 9 до 40 кВ, приведена на фиг. 4. Нарастание высокого напряжения на электродах до 30 кВ происходит за 5,5 мкс, после чего происходит пробой твердотельного изолятора по четырем каналам - одному центральному и трем периферийным. На фиг. 5 приведена полученная после испытания фотография твердотельного изолятора со следами четырехканального электрического пробоя. Скорость роста напряжения на электродах вблизи точки пробоя составляет 2⋅109 В/с, что в 50 раз меньше величины 1011 В/с, определенной в [3] как пороговая величина, ниже которой, dU/dt<1011 B/ct в устройстве-прототипе образуется только один канал. Результаты проведенных испытаний полностью подтверждают справедливость предложенного технического решения.
Список источников
1. Комельков B.C. и Аретов Г.Н. // ДАН СССР. 1956. Т. 110. №4. С.559.
2. Дашук П.Н., Зайенц С.Л, Комельков B.C., Кучинский Г.С., Николаевская Н.Н., Шкуропат П.И., Шнеерсон Г.А. Техника больших импульсных токов и магнитных полей. М: Атомиздат, 1970. С. 256-259
3. Месяц Г.А. Импульсная энергетика и электроника. М.: Наука, 2004. С. 243-245.
1. Способ формирования многоканального электрического пробоя твердотельного изолятора в основном промежутке между двумя высоковольтными электродами с искусственными неоднородностями, реализуемый за счет быстрого нарастания приложенного к электродам напряжения, отличающийся тем, что твердотельный изолятор в основном промежутке делят металлической фольгой на два вспомогательных межэлектродных промежутка, прикладывают напряжение к электродам основного межэлектродного промежутка и с помощью искусственных неоднородностей обеспечивают условия для одноканального пробоя в первом вспомогательном межэлектродном промежутке и возникновения за счет этого во втором вспомогательном промежутке скачка напряжения с достаточно крутым фронтом для возникновения в изоляторе многоканальных электрических пробоев в местах искусственных неоднородностей, в результате чего в этих местах образуются кумулятивные струи, выходящие за пределы второго вспомогательного промежутка, пробивающие изолятор в первом вспомогательном промежутке, электрически замыкая тем самым по многим каналам основной промежуток между высоковольтными электродами.
2. Устройство для формирования многоканального электрического пробоя твердотельного изолятора, содержащее высоковольтные электроды, запитываемые от источника нарастающего высокого напряжения и разделенные основным промежутком с твердотельным изолятором с искусственными неоднородностями, отличающееся тем, что высоковольтные электроды выполнены в виде двух соосных плоскопараллельных дисков, а искусственные неоднородности выполнены в виде вплавленных в изолятор металлических оболочек, каждая из которых электрически соединена с одним из высоковольтных электродов, причем в твердотельном изоляторе соосно и параллельно с электродами расположен диск из тонкой металлической фольги, делящей основной промежуток на два вспомогательных промежутка, в первом из которых на оси находится одна вплавленная в изолятор металлическая оболочка, а во втором вспомогательном промежутке находятся несколько равноудаленных от фольги вплавленных в изолятор металлических оболочек, расположенных на одинаковом расстоянии от оси, причем зазоры между фольгой и электродами, фольгой и вплавленными металлическими оболочками выбираются такими, чтобы при росте напряжения на электродах сначала происходил пробой в первом вспомогательном промежутке между фольгой и металлической оболочкой, вплавленной в изолятор на оси.
3. Устройство по п. 2, отличающееся тем, что изоляторы каждого из вспомогательных межэлектродных промежутков выполнены в виде слоев из двух диэлектрических пленок, в одну из которых вплавлены металлические оболочки до касания со второй пленкой, а диск из тонкой металлической фольги расположен внутри круга, вырезанного в диэлектрической пленке, толщина которой равна толщине металлической фольги.
