Применение новых вакуумных коммутаторов в сильноточных цепях мощных высоковольтных электрофизических установок и схемах аварийной защиты силового электрооборудования

Выполнен обзор ряда современных зарубежных исследований в области создания и применения нового поколения управляемых и неуправляемых вакуумных коммутаторов в сильноточных разрядных цепях мощных высоковольтных электрофизических установок для научных и технологических целей, а также в устройствах авар...

Full description

Saved in:

Bibliographic Details
Published in:	Електротехніка і електромеханіка
Date:	2009
Main Author:	Баранов, М.И.
Format:	Article
Language:	Russian
Published:	Інститут технічних проблем магнетизму НАН України 2009
Subjects:	Електричні машини та апарати
Online Access:	https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/143199
Tags:	Add Tag No Tags, Be the first to tag this record!
Journal Title:	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
Cite this:	Применение новых вакуумных коммутаторов в сильноточных цепях мощных высоковольтных электрофизических установок и схемах аварийной защиты силового электрооборудования / М.И. Баранов // Електротехніка і електромеханіка. — 2009. — № 3. — С. 5-10. — Бібліогр.: 28 назв. — рос.

Institution

Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine

_version_	1859835579529691136
author	Баранов, М.И.
author_facet	Баранов, М.И.
citation_txt	Применение новых вакуумных коммутаторов в сильноточных цепях мощных высоковольтных электрофизических установок и схемах аварийной защиты силового электрооборудования / М.И. Баранов // Електротехніка і електромеханіка. — 2009. — № 3. — С. 5-10. — Бібліогр.: 28 назв. — рос.
collection	DSpace DC
container_title	Електротехніка і електромеханіка
description	Выполнен обзор ряда современных зарубежных исследований в области создания и применения нового поколения управляемых и неуправляемых вакуумных коммутаторов в сильноточных разрядных цепях мощных высоковольтных электрофизических установок для научных и технологических целей, а также в устройствах аварийной защиты силового электроэнергетического оборудования. Виконано огляд ряду сучасних закордонних досліджень в області створення і застосування нового покоління керованих і некерованих вакуумних комутаторів у сильнострумних розрядних колах потужних високовольтних електрофізичних установок для наукових і технологічних цілей, а також у пристроях аварійного захисту силового електроенергетичного устаткування. The paper reviews a series of recent foreign research in the field of creation and application of new-generation controlled and uncontrolled vacuum switchboards in both high-current discharge circuits of powerful high-voltage electrophysical installations intended for scientific and technological purpose and also in emergency protection devices of power electric equipment.
first_indexed	2025-12-07T15:34:39Z
format	Article
fulltext	Електричні машини та апарати ISSN 2074-272X. Електротехніка і Електромеханіка. 2009. №3. 5 УДК 621.3:537.3 М.И. Баранов ПРИМЕНЕНИЕ НОВЫХ ВАКУУМНЫХ КОММУТАТОРОВ В СИЛЬНОТОЧНЫХ ЦЕПЯХ МОЩНЫХ ВЫСОКОВОЛЬТНЫХ ЭЛЕКТРОФИЗИЧЕСКИХ УСТАНОВОК И СХЕМАХ АВАРИЙНОЙ ЗАЩИТЫ СИЛОВОГО ЭЛЕКТРООБОРУДОВАНИЯ Виконано огляд ряду сучасних закордонних досліджень в області створення і застосування нового покоління керованих і некерованих вакуумних комутаторів у сильнострумних розрядних колах потужних високовольтних електрофізич- них установок для наукових і технологічних цілей, а також у пристроях аварійного захисту силового електроенерге- тичного устаткування. Выполнен обзор ряда современных зарубежных исследований в области создания и применения нового поколения управляемых и неуправляемых вакуумных коммутаторов в сильноточных разрядных цепях мощных высоковольтных электрофизических установок для научных и технологических целей, а также в устройствах аварийной защиты си- лового электроэнергетического оборудования. ВВЕДЕНИЕ Импульсная энергетика (ИЭ) как новая и разви- вающаяся подотрасль промышленной энергетики тре- бует постоянного совершенства элементной базы сво- его мощного высоковольтного электрофизического оборудования [1]. Используемые в ИЭ энергетические установки, базирующиеся пока, в основном, на высо- ковольтных электрофизических установках (ВЭФУ), в своем составе содержат мощные накопители электри- ческой (магнитной) энергии, которую после их заряда приходиться с помощью быстрых сильноточных вы- соковольтных ключей-коммутаторов передавать в электрическую нагрузку (например, в мощную им- пульсную электроразрядную лампу накачки кванто- вого генератора высокочастотных электромагнитных колебаний, испускающего при определенных физиче- ских условиях интенсивное индуцированное излуче- ние в видимой области спектра) [2-4]. Сейчас подоб- ные ВЭФУ и основанные на них наукоемкие электро- технологии по получению на новых физических принципах мощных источников электрической энер- гии активно применяются за рубежом (например, в Российской Федерации, США, Италии и в других про- мышленно развитых странах мира) в исследованиях по импульсному термоядерному синтезу [5, 6]. В этой связи разработка, создание и внедрение в энергетическое оборудование ИЭ новых сильноточ- ных высоковольтных коммутаторов, обладающих повышенной надежностью, долговечностью и ста- бильностью работы в электрических цепях ВЭФУ является актуальной задачей. Не менее актуальной задачей является сейчас создание для нужд традици- онной электроэнергетики и ИЭ быстродействующих защитных устройств, шунтирующих дорогостоящее электрооборудование в аварийных режимах его рабо- ты [1]. Известно, что традиционными высоковольт- ными коммутаторами, используемыми в сильноточ- ных разрядных цепях мощных ВЭФУ и схемах ава- рийной защиты силового электроэнергетического оборудования, являются следующие управляемые и неуправляемые газоразрядные и твердотельные полу- проводниковые физические приборы [6-12]: игнитро- ны, тиратроны, искровые газовые (вакуумные) раз- рядники и динисторы различных конструкций. Здесь требуется, во-первых, отметить то обстоятельство, что экологически небезопасные ртутные управляемые разрядники-игнитроны при их относительно высокой коммутационной способности (амплитуда рабочих микросекундных импульсных токов составляет до 100 кА, а величина переносимых зарядов– до 30 Кл) тре- буют периодической тренировки своих электродных систем и соответственно определенного времени для их подготовки к работе в составе коммутируемых цепей ВЭФУ и защиты [7, 10]. Во-вторых, воздушные искровые разрядники атмосферного давления при своей относительной простоте конструкции, деше- визне и способности коммутировать микро- и милли- секундные импульсы тока амплитудой до сотен кило- ампер требуют периодического технического обслу- живания из-за активной электрической эрозии своих металлических электродов [7, 13]. Поэтому в настоя- щее время их недостаточный рабочий ресурс не по- зволяет весьма широко использовать данный тип коммутаторов в промышленных мощных высоко- вольтных импульсных энергоустановках. В-третьих, новое поколение газовых управляемых разрядников типа РГУ на импульсное напряжение до 100 кВ, рас- считанных на длительную коммутацию в микросе- кундном временном диапазоне импульсных токов амплитудой до 100 кА, было ранее на основе [14] вкратце описано автором в [15]. В-четвертых, новые экологически чистые и надежно работающие в высо- ковольтных цепях мощные разрядники-тиратроны типа ТДИ, характеризующиеся возможностью комму- тации микро- и миллисекундных импульсов тока ам- плитудой до 200 кА, хорошо зарекомендовали себя при работе в составе мощных емкостных накопителей энергии (ЕНЭ) импульсных энергоустановок, предна- значенных для исследования импульсных термоядер- ных реакций, вызываемых раз за разом с определен- ным временным интервалом в активном веществе внешним излучением от мощных лазеров [15-17]. За- метим, что при коммутации синусоидальных зату- хающих импульсных токов в разрядных цепях ВЭФУ с ЕНЭ, применяемых при обработке металлов давле- нием сильного импульсного магнитного поля в режи- ме "малых" токов (амплитудой меньше 20 кА), у ти- ратронов серии ТДИ наблюдаются обрывы второй и последующих токовых полуволн [18]. В-пятых, на- дежную работу в составе указанного мощного элек- трофизического оборудования показали и твердо- тельные полупроводниковые коммутаторы нового поколения, созданные в последнее время согласно [6, 19] на основе реверсивно-включаемых динисторов (РВД-коммутаторы) на микро – и субмиллисекундные импульсные токи амплитудой до сотен килоампер и также вкратце описанные в [15]. Прогресс в области традиционной электроэнергетики и ИЭ, создания и технологического применения новых ВЭФУ с ЕНЭ и индуктивными накопителями энергии (ИНЭ) коснул- ся и мощных управляемых (неуправляемых) вакуум- ных разрядников. Рассмотрим по материалам россий- ских исследований новое поколение таких коммута- торов, предназначенных для работы с повышенной 6 ISSN 2074-272X. Електротехніка і Електромеханіка. 2009. №3. надежностью и ресурсом в сильноточных разрядных цепях мощных ВЭФУ и схемах защиты силового электроэнергетического оборудования от воздействия аварийных токов и перенапряжений. 1. НОВОЕ ПОКОЛЕНИЕ МОЩНЫХ УПРАВЛЯЕМЫХ ВАКУУМНХ КОММУТАТОРОВ Применение вакуумных коммутаторов в ВЭФУ. К настоящему времени в РФ разработаны и успешно применяются в сильноточных цепях ВЭФУ несколько типов мощных управляемых вакуумных разрядников (РВУ), которые рассчитаны на максимальные им- пульсные токи микро- и миллисекундной длительно- сти до 500 кА и импульсные напряжения до 50 кВ [20-22]. Данным типом мощных разрядников занима- ется у россиян ВНИЦ ВЭИ (г. Истра). РВУ представ- ляет собой высоковольтный безнакальный трехэлек- тродный герметизированный физический прибор (два основных дисковых электрода из металлокерамиче- ского материала Cr-Cu и один управляющий стальной электрод), давление остаточного газа в котором не превышает 10-4 Па [21, 22]. Включение любого РВУ осуществляется подачей высоковольтного пускового импульса напряжения на управляющий электрод от внешнего блока запуска. Особенностью этого типа разрядников является то, что управляющий импульс напряжения вызывает электрический пробой вдоль поверхности размещенной внутри их корпуса диэлек- трической вставки узла поджига и последующую за этим генерацию инициирующего искрового разряда. Данный разряд поддерживается катодными пятнами, которые возникают вблизи рабочей поверхности ука- занной диэлектрической вставки. Эти пятна служат источниками сильно ионизированной "металличе- ской" плазмы, которая благодаря использованной в РВУ электродной системе быстро распространяется в вакуумный зазор разрядника. После заполнения ваку- умного промежутка между основными электродами (с рабочим зазором величиной 5 мм) "металлической" плазмой электрический разряд переходит из искровой стадии в дуговую и РВУ полностью "открывается" [22]. В части физики протекающих в РВУ процессов отметим еще и то, что "металлическая" плазма ваку- умной дуги в рассматриваемых разрядниках способна пропускать между их основными электродами боль- шие импульсные токи без существенного разрушения этих металлокерамических электродов. Падение на- пряжения на дуге в РВУ составляет от десятков до сотен вольт. Когда ток в основной цепи разряда ЕНЭ или ИНЭ спадает до нуля, то вакуумный дуговой раз- ряд в РВУ погасает и разрядник полностью "закрыва- ется". Благодаря быстрой деионизации "металличе- ской" плазмы и конденсации металлического пара на металлокерамических электродах разрядника вакуум- ный промежуток в РВУ характеризуется высокой ско- ростью восстановления своей электрической прочно- сти [22]. Для цепи управления РВУ укажем то, что применительно к этому типу разрядников напряжение их поджига составляет не менее 5 кВ, а ток поджига должен иметь форму затухающей синусоиды с ампли- тудой первой полуволны не менее 0,1 кА. Кроме того, минимальная длительность тока поджига в РВУ должна быть равной около 1 мкс при длительности фронта рабочего тока между основными электродами разрядника более 10 мкс [22]. В табл. 1 представлены основные технические характеристики сильноточных вакуумных разрядников типа РВУ-31, РВУ-43, РВУ- 45 и РВУ-47, выпускаемых сейчас в РФ [20-22]. Таблица 1 Технические характеристики сильноточных вакуумных управляемых разрядников серии РВУ Характеристика РВУ-31 РВУ-43 РВУ-45 РВУ-47 Максимальное напряжение, кВ 50 30 25 25 Рабочее напряжение Up, кВ 0,5-50 0,5-30 0,5-25 0,5-25 Рабочий ток Ip, кА 0,5-100 10-300 10-500 10-200 Максимальное количество коммутируемого электричест- ва в импульсе qp, Кл 4 120 300 40 Время восстановления разряд- ником электрической прочно- сти, мкс 30 100 100 100 Ресурс (число включений, шт.) 105 104 – 104 Напряжение поджига, кВ 8 5 5 5 Ток поджига, не менее, кА 0,1 1 1 1 Длительность импульса тока поджига, не менее, мкс 1 5 5 5 Частота срабатывания разряд- ника, не более, Гц 10 0,02 0,02 0,02 Габаритные размеры разряд- ника (диаметр/высота), мм 102/ 195 144/ 195 162/ 225 122/ 193 Масса разрядника, кг 3,5 7 10 5 На рис. 1 представлен внешний вид сильноточно- го вакуумного управляемого разрядника типа РВУ-31 на импульсный ток до 100 кА и напряжение до 50 кВ. На рис. 2 приведены внешние виды сильноточ- ных вакуумных управляемых разрядников соответст- венно типа РВУ-43, РВУ-47 и РВУ-45 на импульсные токи от 200 до 500 кА и напряжение от 25 до 30 кВ. Рис. 1. Внешний вид сильноточного вакуумного управляемого коммутатора типа РВУ-31 [22] Рис. 2. Внешний вид сильноточных вакуумных управляемых коммутаторов типа РВУ-43, РВУ-47 и РВУ-45 (при их просмотре слева-направо) [22] В табл. 2 указаны основные технические харак- теристики применяемых сейчас в сильноточных цепях ВЭФУ газоразрядных управляемых коммутаторов. Таблица 2 Сравнительные характеристики основных типов современных управляемых газоразрядных коммутаторов, используемых в цепях ВЭФУ [13,18,22] Тип сильноточного коммутатора Up, кВ Ip, кА qp, Кл Ре- сурс Мас- са, кг Вакуумный РВУ-43 (изгото- витель: ВЭИ-АВИС, г. Москва) 0,5- 30 10-300 120 104 7 Тиратрон ТДИ1-50 (изгото- витель: "ИТ", г. Рязань) 1-25 10-150 5 5·105 2,5 Игнитрон ИРТ-6 (изготови- тель: НИИ ГРП, г. Рязань) 0,5- 25 10-100 30 104 3 Воздушный ТКВР-50 (изго- товитель: НИПКИ, г. Харьков) 1-50 1-300 15 5·103 ≤40 Для полноты свойств указанных сильноточных коммутаторов требуется отметить и то, что согласно [18] у вакуумных разрядников серии РВУ при ампли- тудах коммутируемых ими импульсных токов микро- секундной длительности порядка 20 кА и менее, на- растающих со скоростями менее 4·108 А/с, как и у тиратронов серии ТДИ наблюдаются обрывы тока на ISSN 2074-272X. Електротехніка і Електромеханіка. 2009. №3. 7 втором и последующих полупериодах его колебаний. Высокое быстродействие и широкий диапазон рабо- чих напряжений срабатывания управляемых разряд- ников серии РВУ, способных работать как при поло- жительном, так и при отрицательном напряжении на основном вакуумном промежутке, позволяет данному типу высоковольтных коммутаторов успешно справ- ляться с возложенными на них коммутационными задачами и в режиме их параллельной работы на об- щую активно-индуктивную нагрузку [18, 22]. Применение вакуумных коммутаторов в устройст- вах защиты электрооборудования. Так как защита электроэнергетического оборудования от повреждений (разрушений) при воздействии на него аварийных то- ков и перенапряжений осуществляется сейчас, в ос- новном, путем шунтирования этого оборудования бы- стродействующими устройствами, то при решении подобных задач весьма перспективными оказались высоковольтные сильноточные вакуумные разрядники серии РВУ, устанавливаемые параллельно защищае- мому оборудованию [23-25]. В случае, когда длитель- ность аварийного тока превышает сотни миллисекунд целесообразным путем стало применение комбинации параллельно соединенных разрядника типа РВУ и электромеханического замыкателя. При такой комби- нации аварийный ток через РВУ протекает в течение времени, равном времени срабатывания короткозамы- кателя (ориентировочно порядка десятков миллисе- кунд) [24]. Выполненные российскими специалистами исследования показали, что в таких случаях возможно использование высоковольтных вакуумных контакто- ров с форсированным приводом при включении. Со- гласно данным, приведенным в [24, 25], при ходе под- вижных контактов короткозамыкателя в вакууме до 6 мм время срабатывания его контакторов при включе- нии может составлять примерно 5-10 мс. Пока не замк- нутся контакты контактора короткозамыкателя разряд- ник типа РВУ пропускает через себя полный аварий- ный ток в десятки килоампер. Необходимо отметить, что при такой схеме защиты оборудования вакуумный разрядник серии РВУ создает условия для практически бездуговой коммутации аварийного тока в высоко- вольтном вакуумном контакторе [24]. Данный контак- тор типа КВО включается через примерно 5-20 мс по- сле срабатывания РВУ. В результате чего вакуумный разрядник отключается и весь аварийный ток начинает протекать через вакуумный контактор. Подобная тех- нология защиты электроэнергетического оборудования привела к созданию в РФ на основе вакуумного раз- рядника типа РВУ-43 и серийного однополюсного ва- куумного контактора с электромагнитным приводом типа КВО-3-5-500 сильноточного быстродействующе- го короткозамыкателя среднего класса напряжения, предназначенного для защиты оборудования объектов электроэнергетики от действия аварийных импульсных токов амплитудой до 30 кА в течение до 2 с при на- пряжении до 10 кВ [24]. На рис. 3 представлен общий вид опытного образца такого комбинированного высо- ковольтного защитного устройства (ЗУ). Блок управле- ния (БУ) такого устройства содержит блок запуска (БР) вакуумного разрядника типа РВУ-43 и блок форсиро- ванного включения (БК) вакуумного контактора типа КВО указанной выше модификации. При возникновении аварийного режима в сети на вход БУ указанного ЗУ подается сигнал управления, который вызывает формирование на выходе БР им- пульса напряжения для запуска разрядника типа РВУ, а на выходе БК – импульса напряжения для включе- ния привода контактора типа КВО. Общее время от момента подачи импульса управления на вход БУ до включения разрядника типа РВУ в созданном ЗУ не превышает 10 мкс [24]. После этого через примерно 20 мс замыкаются контакты вакуумного контактора типа КВО и последний надежно шунтирует защищае- мый электроэнергетический объект (разрядник РВУ при срабатывании контактора КВО отключается). От- ключение вакуумного контактора происходит путем снятия с него постоянного сигнала управления (на- пряжение-27 В; ток-0,1 А; длительность сигнала-0,1 с) [24]. Типичные осциллограммы импульсного тока и напряжения на комбинированном короткозамыкателе в случае последовательного включения РВУ и КВО, полученные в РФ на сильноточном высоковольтном испытательном стенде, представлены на рис. 4, где −21 , tt соответственно моменты времени включения РВУ и замыкания контактов в КВО. Проведенные испытания подтвердили способность разработанного комбинированного короткозамыкателя быстро и на- дежно шунтировать защищаемый объект и длительно пропускать через себя импульсные милли- и секунд- ные токи амплитудой не менее 30 кА. Время включе- ния такого ЗУ составляет не более 10 мкс, ток терми- ческой и динамической стойкости – до 30 кА, а число коммутаций (ресурс) – 104 [24]. Отмечается, что рабо- чее напряжение этого короткозамыкателя можно по- высить до 30-50 кВ (при использовании в КВО более высоковольтной вакуумной дугогасительной камеры), а время его включения уменьшить до 1-2 мкс (в слу- чае запитки БР для РВУ от анодного напряжения). Рис. 3. Внешний вид опытного образца комбинированного быстродействующего сильноточного короткозамыкателя на аварийные токи до 30 кА и напряжение до 10 кВ с временем коммутации до 2 с (слева-разрядник типа РВУ; справа- контактор типа КВО) [24] Шунтирующее ЗУ на рабочее напряжение более 50 кВ может быть изготовлено на основе нескольких последовательно соединенных высоковольтных ваку- умных разрядников типа РВУ (например, с помощью РВУ-31) [25]. На рис. 5 приведены возможные спосо- бы последовательного соединения и схемы управле- ния работой коммутаторов в цепях из n-разрядников типа РВУ, применяемых в составе такого ЗУ [26]. Схемы на рис. 5 позволили создать в РФ (ВНИЦ ВЭИ, г. Истра) быстродействующие шунтирующие устройства типа УЗ-80 (на рабочее напряжение 10-80 кВ; коммутируемый ток 0,1-10 кА; коммутируемый заряд за импульс до 1 Кл) и УЗ-120 (на рабочее на- пряжение 10-120 кВ; коммутируемый ток 0,1-10 кА; коммутируемый заряд за импульс до 1 Кл) [26]. 8 ISSN 2074-272X. Електротехніка і Електромеханіка. 2009. №3. Рис. 4. Совмещенные осциллограммы импульсного тока I и напряжения U в защищаемой цепи испытательного стенда при работе опытного образца комбинированного короткозамыкателя, приведенного на рис. 3 [24] Рис. 5. Варианты схем управления последовательно соединенных вакуумных разрядников типа РВУ (а- поджиг на катоде; б- поджиг на аноде; в- зависимый поджиг) [26] 2. МОЩНЫЕ НЕУПРАВЛЯЕМЫЕ ВАКУУМНЫЕ КОММУТАТОРЫ В последние годы в схемах сверхмощных ВЭФУ, содержащих ЕНЭ или ИНЭ, схемы обострения им- пульсов высокого напряжения с плазменным преры- вателем тока (или с электрически взрывающимся тон- ким проводником как в [27]) и низкоиндуктивную нагрузку, расположенную в вакуумном объеме, и предназначенных для осуществления инерциального термоядерного синтеза, нашли применение мощные неуправляемые вакуумные коммутаторы [1, 28]. К этим коммутаторам ВЭФУ предъявляются высокие технические требования: во-первых, электрическая прочность их изоляционных конструкций должна со- ставлять не менее 100 кВ/см; во-вторых, время их электрического срабатывания сτ должно быть не бо- лее 10 нс; в-третьих, их индуктивность не должна превышать значений, равных около 20 нГн [28]. Рабо- та таких коммутаторов основана на взрывоэмиссион- ных явлениях, протекающих в их металлических электродных системах с вакуумным зазором от воз- действия на них сильных электрических полей, эле- ментарная ячейка которых состоит из электронного взрывоэмиссионного диода, содержащего катод и анод [1, 3]. В [28] был описан мощный неуправляемый ваку- умный коммутатор на импульсное напряжение до 130 кВ и токи наносекундного временного диапазона в десятки килоампер, представляющий собой ряд по- следовательно соединенных вакуумных диодов (до шести штук) с рабочими зазорами h порядка 1 мм (рис. 5). В каждом вакуумном диоде такого коммута- тора катод 1 и анод 2 были изготовлены соответст- венно в виде плоских дисков толщиной 1 мм и круг- лых цилиндрических выступов (диаметром 40 мм и высотой 9 мм) из нержавеющей стали. Конусные изо- ляторы 4 между катодами 1 и анодами 2 электродной системы коммутатора с рабочими вакуумными зазо- рами 3 были выполнены из оргстекла (с диаметром у основания 35 мм и высотой 10 мм). Конусность этих изоляторов была обусловлена необходимостью разви- тия длины их наружного рабочего периметра и соот- ветственно обеспечения их электрической прочности вдоль наружной изоляционной поверхности, пере- крывающей вакуумный межэлектродный промежуток коммутатора. При сборке вакуумные диоды коммута- тора в продольном направлении могли стягиваться между собой по круговому периметру при помощи изоляционных или металлических шпилек (рис. 6). Для специалистов, работающих в области высо- ковольтной импульсной техники (ВИТ), интересно отметить то, что в [28] время срабатывания коммута- тора сτ (или время его коммутации) определялось экспериментально по осциллограммам коммутируе- мого напряжения (тока) как интервал времени от на- чала спада напряжения на коммутаторе до появления в его сильноточной цепи импульсного тока. При этом в [28] опытным путем было показано, что применение многозазорных диодов с величиной вакуумного зазо- ра в каждой диодной ячейке в 1 мм позволяет снизить значение времени сτ . Физически объясняется это тем, что при использовании в сильноточном коммутаторе (как в этой, так и в других его модификациях) ряда последовательных вакуумных (или иных изоляцион- ных газовых) зазоров скорость закоротки п v его сум- марного вакуумного (газового) зазора возрастает пря- мо пропорционально числу k отдельных зазоров. Воз- растание данной скорости обусловлено встречным движением катодной и анодной плазмы одновременно в каждом вакуумном (газовом) зазоре. В разработан- ном согласно [28] мощном вакуумном коммутаторе суммарная скорость движения плазмы в его межэлек- тродных зазорах составила порядка 105 м/с. Отсюда и получаем оценочное расчетное значение для времени срабатывания сτ рассматриваемого неуправляемого сильноточного многозазорного вакуумного разрядни- ка в виде: сτ = h / п v =10 нс, которое было достоверно подтверждено и экспериментально на соответствую- щем испытательном высоковольтном стенде [28]. На рис. 7 показан внешний вид рассматриваемого высоковольтного сильноточного вакуумного многоза- зорного коммутатора с продольным осевым сечением согласно рис. 6, созданного недавно сотрудниками ФГУП РНЦ "Курчатовский институт" (г. Москва) в рамках выполнения российской научно-технической программы "Байкал" по термоядерному синтезу [28]. На рис. 8 приведена высоковольтная испыта- тельная схема для опытного определения технических характеристик указанного выше мощного неуправ- ляемого вакуумного многозазорного коммутатора. На рис. 9 представлены интересные для специа- листов из области ВИТ совмещенные характерные осциллограммы импульсного напряжения U и тока I на исследуемом сильноточном неуправляемом ваку- умном коммутаторе, включенном в разрядную цепь ISSN 2074-272X. Електротехніка і Електромеханіка. 2009. №3. 9 испытательной ВЭФУ согласно данным рис. 8, кото- рые были получены при следующих электрических параметрах разрядной цепи ВЭФУ с мощным ЕНЭ: =ГС 0,125 мкФ; ГU =(70-130) кВ; ГL =2,4 мкГн. Рис. 6. Упрощенный вид продольного сечения мощного неуправляемого вакуумного многозазорного коммутатора (1- дисковый металлический катод; 2- анод с круглым металлическим выступом; 3- отдельный вакуумный зазор между катодом и анодом; 4-отдельный конусный изолятор)[28] Рис. 7. Внешний вид мощного неуправляемого вакуумного многозазорного коммутатора на напряжение до 130 кВ [28] Рис. 8. Схема ВЭФУ для испытания мощного неуправляемого вакуумного многозазорного коммутатора (1- ЕНЭ генератора импульсов напряжения; 2- омический делитель напряжения; 3- измерительный шунт; 4- вакуумный многозазорный коммутатор; 5- низкоиндуктивная нагрузка) [28] Данные рис. 9 наглядно демонстрируют нам фи- зический смысл такого важного и указанного автором чуть выше электрофизического понятия как время срабатывания коммутатора сτ (при этом для его на- хождения по кривым рис. 9 необходимо увязывать во времени между собой выше предложенным согласно [28] путем соответственно кривые 1 и 5, 2 и 6, 3 и 7, 4 и 8). Отметим, что в данных экспериментах с высоко- вольтным высокоскоростным вакуумным многоза- зорным коммутатором скорость нарастания напряже- ния между его торцевыми (крайними) дисковыми стальными электродами составляла около 1,5 кВ/нс, а на его отдельных внутренних взрывоэмиссионных диодах с вакуумным зазором h =1 мм – примерно 0,25 кВ/нс (в шесть раз меньше, что соответствует числу k вакуумных зазоров в коммутаторе) [28]. Несмотря на уменьшение скорости нарастания напряжения на от- дельных вакуумных зазорах h этого коммутатора, за счет одновременного уменьшения времени закоротки каждого из них и происходит уменьшение общего времени срабатывания коммутатора сτ . Отсюда нам можно сделать важный и обобщающий вывод в об- ласти теории высоковольтных сильноточных комму- таторов с вакуумной (газовой) межэлектродной изо- ляцией о том, что чем меньше в высоковольтном сильноточном многозазорном коммутаторе на рабо- чее напряжение рU величина отдельного межэлек- тродного промежутка h (например, в k раз, что соот- ветствует при заданном уровне напряжения рU уве- личению в k раз числа этих межэлектродных проме- жутков), тем будет и меньше (в тоже число k раз) ве- личина времени срабатывания сτ для всего коммута- тора, имеющего суммарный межэлектродный изоля- ционный промежуток, равный величине k · h. Рис. 9. Осциллограммы напряжения U (кривые 1-4) и тока I (кривые 5-8) на вакуумном многозазорном коммутаторе, приведенном на рис. 7 (кривые 1-8 расположены в порядке уменьшения подаваемого на коммутатор напряжения) [28] В пользу такого обобщающего вывода свиде- тельствует установленный в [28] научный факт: ско- рость движения плазмы п v в вакуумных зазорах ком- мутатора не зависит от числа этих зазоров и соответ- ственно от уровня коммутируемого им электрическо- го напряжения. Поэтому такая основная для указан- ного разрядника коммутационная характеристика как значение времени его срабатывания сτ будет опреде- ляться только величиной отдельного вакуумного за- зора h в многозазорном коммутаторе. Рекомендуемый на основании проведенных экспериментальных ис- следований авторами работы [28] уровень напряже- ния, прикладываемый к каждому миллиметровому вакуумному зазору в течение времени 20-50 нс, может составлять 20-50 кВ. При скорости нарастания напря- жения на каждом вакуумном зазоре до 1,16 кВ/нс и средней по длине коммутатора напряженности элек- трического поля от 50 до 100 кВ/см длительность им- пульса напряжения, ограничиваемая этим разрядни- ком, составляла 40-600 нс (см. рис. 9). Было показано, что в разработанной конструкции сильноточного ва- куумного разрядника с позиций его электрической прочности высота конусных изоляторов из оргстекла в межэлектродных вакуумных зазорах может быть уменьшена до 5 мм и должна превышать величину выбранного рабочего вакуумного зазора h = 1 мм со- ответственно не менее чем в пять раз. 10 ISSN 2074-272X. Електротехніка і Електромеханіка. 2009. №3. ЗАКЛЮЧЕНИЕ 1. На основании материалов ряда опубликован- ных исследований российских специалистов в облас- ти ВИТ выполнен весьма обширный обзор новых на- учно-технических разработок по созданию и практи- ческому внедрению нового поколения надежно и дли- тельно функционирующих мощных управляемых (не- управляемых) высоковольтных сильноточных ваку- умных разрядников, применяемых в разрядных элек- трических цепях мощных ВЭФУ с ЕНЭ (ИНЭ) для выполнения в сфере ИЭ современных научных и тех- нологических задач и в схемах защиты дорогостояще- го силового электроэнергетического оборудования от воздействия аварийных токов и перенапряжений ат- мосферного и коммутационного происхождения. 2. Наряду с кратким описанием новых конструк- ций и их особенностей из рассматриваемого класса разрядников, указанием достигнутых ими высоких уровней для технических характеристик при комму- тации импульсных напряжений и токов различной длительности (от наносекундного временного диапа- зона до секундного) в представленном обзоре в сжа- том виде приведены и основные физические положе- ния, лежащие в основе протекающих в них сложных электрофизических процессов и облегчающие как профессионально подготовленному читателю, так и начинающим научно-техническим работникам вос- приятие исследуемой здесь техники и электрофизики высоких напряжений и больших импульсных токов. 3. Автор посчитал бы свою нелегкую научно- публицистическую задачу выполненной при условии определенного использования приведенных передо- вых зарубежных разработок и результатов в исследо- ваниях, проводимых сейчас в Украине в области ВИТ. СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 1. Месяц Г.А. Импульсная энергетика и электроника.- М.: Наука, 2004. - 704 с. 2. Александров А.Ф., Рухадзе А.А. Сильноточные электро- разрядные источники света // Успехи физических наук.- 1974.-т.112.-№2. - С. 195-230. 3. Накопление и коммутация энергии больших плотностей/ Под ред. Бостика У., Нарди В., Цукера О.: Пер. с англ. Э.И. Асиновского, В.С. Комелькова.- М.: Мир, 1979. – 474 с. 4. Баранов М.И. Ретроспектива, современное состояние и перспективы развития исследований в области создания электроустановок с мощными накопителями электрической и магнитной энергии // Електротехніка і електромеханіка.- 2007.- №5.- С. 48-60. 5. Beznasyuk N.N., Galakhov I.V., Garanin S.G. et al. The four-channel laser facility LUCH- a module of the ISKRA-6 facility// Proceeding of XXVII European Conference on Laser Interaction with Matter (ECLIM-2002), 2002.- р. 105-110. 6. Безуглов В.Г., Беляев С.А., Галахов И.В. и др. Новое поколение мощных полупроводниковых коммутаторов для применений импульсной энергетики // Труды международ- ной научно-технической конференции МИОМ-2007 (Рос- сия, г. Самара, СГАУ, 18-19 сентября 2007).- С. 28-34. 7. Техника больших импульсных токов и магнитных полей/ Под ред. В.С. Комелькова.- М.: Атомиздат, 1970. – 472 с. 8. Кнопфель Г. Сверхсильные импульсные магнитные по- ля.- М.: Мир, 1972. – 391 с. 9. Кремнев В.В., Месяц Г.А. Методы умножения и транс- формации импульсов в сильноточной электронике.- Ново- сибирск: Наука, 1987. – 226 с. 10. Бочков В.Д., Дягилев В.М., Королев Ю.Д. и др. Мощные коммутаторы тока с низким давлением газа // Приборы и техника эксперимента.-1998.-№5.-С. 91-95. 11. Бойко Н.И., Евдошенко Л.С., Иванов В.М. и др. Высоко- вольтные искровые разрядники для технологических устано- вок // Приборы и техника эксперимента.-2001.-№2. - С. 79-88. 12. Баранов М.И., Бочаров Ю.П., Зябко Ю.П. и др. Высоко- вольтные сильноточные искровые коммутаторы для генера- торов импульсных напряжений и токов // Технічна електро- динаміка.-2003.-№3. - С. 41-47. 13. Баранов М.И., Колиушко Г.М., Кравченко В.И. и др. Генератор тока искусственной молнии для натурных испы- таний технических объектов // Приборы и техника экспери- мента.-2008.-№3. - С. 81-85. 14. Ермилов И.В. Разработка комплекса высоковольтного сильноточного оборудования нового поколения для маг- нитно-импульсной обработки материалов // Труды между- народной научно-технической конференции МИОМ-2007 (Россия, г. Самара, СГАУ, 18-19 сентября 2007). - С. 88-98. 15. Баранов М.И. Применение новых газоразрядных и твер- дотельных полупроводниковых коммутаторов в сильноточ- ных цепях мощных высоковольтных электрофизических установок // Електротехніка і електромеханіка.- 2009.- №1.- С. 65-68. 16. Bochkov V.D., Bochkov D.V., Dyagilev V.M. et al. High power pscudospark switches for pulsed power// Proceeding International Power Modular Conference, Hollywood, USA, June 30-July 3, 2002. - p. 475-478. 17. Бочков В.Д., Бочков Д.В., Гнедин И.Н. и др. Мощные псевдоискровые коммутаторы для импульсной энергетики// Труды международной научно-технической конференции МИОМ-2007 (Россия, г. Самара, СГАУ, 18-19 сентября 2007). - С. 23-27. 18. Юсупов Р.Ю. Магнитно-импульсные установки нового поколения для промышленных и учебно-научных целей // Труды международной научно-технической конференции МИОМ-2007 (Россия, г. Самара, СГАУ, 18-19 сентября 2007).- С. 251-259. 19. Грехов И.В., Козлов А.К., Коротков С.В. и др. Высоко- вольтные р.в.д. переключатели субмегаамперных импуль- сов тока микросекундного диапазона длительности // При- боры и техника эксперимента.-2003.-№1.-С. 53-55. 20. Алферов Д.Ф., Иванов В.П., Сидоров В.А. Сильноточ- ные вакуумные коммутирующие устройства для мощных накопителей энергии // Приборы и техника эксперимента.- 1998.-№5. - С. 83-90. 21. Алферов Д.Ф., Иванов В.П., Сидоров В.А. Новое поко- ление сильноточных вакуумных управляемых разрядников// Прикладная физика.-2001.-№4. - С. 41-48. 22. Алферов Д.Ф., Иванов В.П., Сидоров В.А. Управляемые вакуумные разрядники: основные свойства и применение// Электро.-2002.-№2. - С. 31-37. 23. Алферов Д.Ф., Белкин Г.С., Будовский А.И. Применение быстродействующих управляемых коммутирующих уст- ройств в электроэнергетике // Электричество.-1998.-№7.- С. 2-8. 24. Алферов Д.Ф., Будовский А.И., Иванов В.П. и др. Силь- ноточный быстродействующий короткозамыкатель// Элек- тротехника.-2003.-№11. - С. 56-59. 25. Матвеев Н.В., Иванников И.А., Хабаров Д.А. Быстро- действующая защита нагрузки от токов короткого замыка- ния на управляемых вакуумных разрядниках // Прикладная физика.-2001.-№4. - С. 49-57. 26. Алферов Д.Ф., Матвеев Н.В., Сидоров В.А. и др. Высо- ковольтное быстродействующее шунтирующее устройство // Электротехника.-2003.-№11. - С. 60-64. 27. Патент №12376 Україна, МПК Н03К3/53. Установка для отримання імпульсного струму блискавки / М.І. Баранов, М.М. Ігнатенко, А.К. Колобовський.- Опубл. 2006.- Бюл. №2. 28. Долгачев Г.И., Масленников Д.Д., Ушаков А.Г. Сильно- точный вакуумный разрядник // Приборы и техника экспе- римента.- 2004.-№5. - С. 82-86. Поступила 17.06.2008 Баранов Михаил Иванович, д.т.н., с.н.с. НИПКИ "Молния" Национального технического университета "Харьковский политехнический институт" Украина, 61013, Харьков, ул. Шевченко, 47, НИПКИ "Молния" НТУ "ХПИ" тел. (057) 707-68-41, факс (057) 707-61-33, e-mail: eft@kpi.kharkov.ua
id	nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-143199
institution	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
issn	2074-272X
language	Russian
last_indexed	2025-12-07T15:34:39Z
publishDate	2009
publisher	Інститут технічних проблем магнетизму НАН України
record_format	dspace
spelling	Баранов, М.И. 2018-10-26T17:34:05Z 2018-10-26T17:34:05Z 2009 Применение новых вакуумных коммутаторов в сильноточных цепях мощных высоковольтных электрофизических установок и схемах аварийной защиты силового электрооборудования / М.И. Баранов // Електротехніка і електромеханіка. — 2009. — № 3. — С. 5-10. — Бібліогр.: 28 назв. — рос. 2074-272X https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/143199 621.3:537.3 Выполнен обзор ряда современных зарубежных исследований в области создания и применения нового поколения управляемых и неуправляемых вакуумных коммутаторов в сильноточных разрядных цепях мощных высоковольтных электрофизических установок для научных и технологических целей, а также в устройствах аварийной защиты силового электроэнергетического оборудования. Виконано огляд ряду сучасних закордонних досліджень в області створення і застосування нового покоління керованих і некерованих вакуумних комутаторів у сильнострумних розрядних колах потужних високовольтних електрофізичних установок для наукових і технологічних цілей, а також у пристроях аварійного захисту силового електроенергетичного устаткування. The paper reviews a series of recent foreign research in the field of creation and application of new-generation controlled and uncontrolled vacuum switchboards in both high-current discharge circuits of powerful high-voltage electrophysical installations intended for scientific and technological purpose and also in emergency protection devices of power electric equipment. ru Інститут технічних проблем магнетизму НАН України Електротехніка і електромеханіка Електричні машини та апарати Применение новых вакуумных коммутаторов в сильноточных цепях мощных высоковольтных электрофизических установок и схемах аварийной защиты силового электрооборудования Application of new vacuum switchboards in high-current circuits of powerful highvoltage electrophysical installations and emergency protection circuits of power electrical equipment Article published earlier
spellingShingle	Применение новых вакуумных коммутаторов в сильноточных цепях мощных высоковольтных электрофизических установок и схемах аварийной защиты силового электрооборудования Баранов, М.И. Електричні машини та апарати
title	Применение новых вакуумных коммутаторов в сильноточных цепях мощных высоковольтных электрофизических установок и схемах аварийной защиты силового электрооборудования
title_alt	Application of new vacuum switchboards in high-current circuits of powerful highvoltage electrophysical installations and emergency protection circuits of power electrical equipment
title_full	Применение новых вакуумных коммутаторов в сильноточных цепях мощных высоковольтных электрофизических установок и схемах аварийной защиты силового электрооборудования
title_fullStr	Применение новых вакуумных коммутаторов в сильноточных цепях мощных высоковольтных электрофизических установок и схемах аварийной защиты силового электрооборудования
title_full_unstemmed	Применение новых вакуумных коммутаторов в сильноточных цепях мощных высоковольтных электрофизических установок и схемах аварийной защиты силового электрооборудования
title_short	Применение новых вакуумных коммутаторов в сильноточных цепях мощных высоковольтных электрофизических установок и схемах аварийной защиты силового электрооборудования
title_sort	применение новых вакуумных коммутаторов в сильноточных цепях мощных высоковольтных электрофизических установок и схемах аварийной защиты силового электрооборудования
topic	Електричні машини та апарати
topic_facet	Електричні машини та апарати
url	https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/143199
work_keys_str_mv	AT baranovmi primenenienovyhvakuumnyhkommutatorovvsilʹnotočnyhcepâhmoŝnyhvysokovolʹtnyhélektrofizičeskihustanovokishemahavariinoizaŝitysilovogoélektrooborudovaniâ AT baranovmi applicationofnewvacuumswitchboardsinhighcurrentcircuitsofpowerfulhighvoltageelectrophysicalinstallationsandemergencyprotectioncircuitsofpowerelectricalequipment

Institution

Similar Items