Искажение поля. Параллельное включение разрядников, страница 3

Создание мощных импульсных генераторов с высокой частотой повторения импульсов – новое направление в МИТ, развиваемое последние 10-20 лет. Потребность в них продиктована необходимостью интенсификации как технологических процессов, так и физического эксперимента.

В первую очередь это эффективный метод увеличения средней мощности генератора и его удельной средней мощности:

где  - запасаемая энергия генератора,

- частота следования импульсов,

W_уд – удельная запасаемая энергия, Дж/м³,

V – объем генератора.

При увеличении  при заданных W_уд и V увеличивается N_ср генератора, а при заданных N_ср и W_уд – уменьшаются габариты устройства и увеличивается средняя мощность N_ср/V.

Коммутатор является одним из наиболее ответственных элементов. При мощности  10⁹ Вт для этого выступает искровой разрядник. Основные характеристики частотных генераторов: надежность, долговечность, стабильность параметров импульсов – определяются в основном характеристиками существующих разрядников.

Основная задача стоит в увеличении частоты следования импульсов и увеличения ресурса разрядников. На сегодняшний день разработаны опытные образцы разрядников с частотой в несколько тысяч включений в секунду (несколько кГц) с ресурсом 10⁷ – 10⁸ включений. Этого пока недостаточно для многих приложений.

Например, при f = 10³ Гц и N_p = 10⁷ имеем время непрерывной работы t = 10⁴ сек.  2,5 часа. В настоящее время решаются следующие вопросы.

4.3.4.1 Восстановление электрической прочности искрового промежутка после разряда

Время восстановления электрической прочности промежутка разрядника определяет его частотные свойства, т.е. максимальную частоту следования импульсов. После прекращения импульса тока в разряднике существует столб высокоионизированного газа. В последующие моменты времени в разрядном промежутке протекают процессы:

а) деионизация заряженных частиц, б) охлаждение столба горячего газа (Т_нач  10-12 тыс. К)

Причем первый процесс существенно более быстрый.

Время восстановления на 50-60% на порядок меньше времени восстановления до 90% прочности. Характер кривой восстановления используется на практике следующим образом.

В общем случае время восстановления ЭП зависит от многих параметров: коммутируемой энергии, длительности протекания тока, сорта газа и т.д. при прочих равных условиях время восстановления уменьшается с увеличением теплопроводности газа и уменьшением амплитуды тока. По этой причине при больших частотах следования импульсов ~ 10² – 10³ Гц и выше применяется водородное наполнение разрядников, что усложняет и удорожает коммутатор. В настоящее время ведутся работы по поиску эффективных газовых смесей, обладающих малым временем восстановления и высокой способностью к разложению при электрических разрядах. Частотные разрядники с высокой средней мощностью на уровне десятков кВт – единиц МВт имеют принудительную продувку газом межэлектродного промежутка. Дутье осуществляется, как правило, поперек канала разряда. Газовое дутье обеспечивает:

1)  смену рабочего газа в промежутке перед следующим импульсом;

2)  предотвращает загрязнение изоляторов распыленным металлом с электродов;

3)  обеспечивает отвод выделяющегося тепла от разрядника в окружающую среду как в теплообменник;

4.3.4.2. Эрозия электродов

Второй серьезной проблемой является эрозия, рабочих поверхностей электродов воздействием искровых разрядов. Эрозия электродов сопровождается изменением формы электродов и состояния их поверхности, а также загрязнением газовой среды и поверхности изоляции. Это, в свою очередь, обуславливает изменение характеристик разрядника: уменьшается статическое разрядное напряжение и электрическая прочность изоляционной конструкции, ухудшаются управляемость, снижается ресурс разрядника.

Эрозия материала электродов происходит следующим образом: поверхность электрода, на которую опирается разрядный канал, нагревается за счет потока тепла из канала, а также в результате бомбардировки поверхности ускоренными в приэлектродной области заряженными частицами (электронами из анода и ионами из катода). В результате кратковременного воздействия мощных тепловых потоков и ограниченной теплопроводности материала электродов, их поверхность может нагреваться до температуры плавления и испарения.