Применение генераторов импульсного напряжения и генераторов импульсного тока

Применение ГИН и ГИТ.

Техника больших импульсных токов и магнитных полей является неотъемлемой техники высокого напряжения, где она впервые и возникла как ответвление импульсной высоковольтной техники. Если и начальный период своего развития она целиком опира­лась па принципы высоковольтного аппаратостроения, раз­работанные для других целей, то в настоящее время эта новая область обрела свою специфику, которая, в свою очередь, оказывает и воздействие на про­гресс всей техники высоких напряжений в целом. Ударные генераторы токов начали строиться с небольшим отстава­нием по отношению к генераторам импульсных напряжений. Необходимость в тех и других возникла с появлением вы­соковольтных линий электропередач, включающих аппара­тов и других высоковольтных устройств, подвергающихся воздействиям атмосферных и внутренних перенапряжений.  Почти все разделы техники высоких напряжений органи­чески связаны с такими разделами физики, как разряд в газовых средах (корона, искра, дуга), жидких и твердых диэлектриках, явления, возникающие на границах сред, пробои вакуумных промежутков и т. д.

Техника больших импульсных токов основывалась и в значительной мере основывается на применении конден­саторных батарей. Наиболее мощные батареи употребля­лись ранее для компенсации реактивных потерь в сетях. Основное требование к ним — высокая надежность, поз­воляющая вести длительную эксплуатацию без замены отдельных элементов. Исходя из этого, определялись рас­четные градиенты изоляции и соответственные запасы прочности.

И 1937 г. А. А. Горев предложил применять конденсаторной батареи для моделирования процессов   в выключающих аппаратах при разрыве   цепей в мощных энергосистемах. Идея А. А. Горева оказалась плодотворной и в дальнейшем была реализована в Советском Союзе, а также в других странах, в испытательных лабораториях.

Для моделирования низкочастотных процессов в сети не требуется очень больших токов, малоиндуктивных контуров и динамически устойчивых конденсаторов. Впервые эти требования возникли при моделировании микросекундных процессов, в частности, процессов, возникающих в аппаратах и газовой изоляции при прямых ударах молнии.

В тридцатых годах, когда особенно быстро увеличива­лась протяженность высоковольтных цепей и грозовые аварии наносили ощутимый ущерб экономике энергоси­стем, начали строить установки, позволяющие получать не только высокие импульсные напряжения  [до (3—5)×10⁶в], но и большие импульсные токи. Возрос интерес к физике длинных искр и молнии, а также к коротким мощ­ным искровым разрядам. Чтобы приблизиться к естествен­ным условиям, создаются совместно действующие на один разрядный промежуток генераторы напряжения и тока. В конструкциях последних использовались конденсаторы, рассчитанные на применение в высоковольтных сетях, шины простейшей конструкции с воздушной изоляцией, искровые воздушные разрядники и т. п. Параметры бата­рей, строившихся в разных странах, приведены в табл.1.

В начале пятидесятых годов в связи с исследованиями по термоядерному синтезу необходимо было существенно увеличить амплитуду и крутизну тока в импульсах дли­тельностью 10—1000 мксек. В так называемых быстрых про­цессах максимальная температура плазмы в момент куму­ляции как в линейных самосжимающихся разрядах (z-пинчах), так и в самосжимающихся плазменных оболочках с азимутальными  

токами (0-пинчах) в момент кумуляции пропорциональна квадрату тока.ъ

Таблица1

Недостаточность представлений о физике быстрых про­цессов и их возможностях, а также переоценка трудностей создания более мощных установок послужили причиной замедления прогресса в сильноточной импульсной технике.

В шестидесятых годах возникают новые области приме­нения этой техники. К ним, в частности, относятся: 1) им­пульсное ускорение плазмы для лабораторных исследований и космических движителей; 2) газоразрядные им­пульсные источники света, где стал актуальным вопрос о переходе к более высоким параметрам разряда; 3) ядерная физика, где сильные магнитные поля необходимы для уско­рителей; 4) аэродинамика и астрофизика, где мощные раз­ряды позволяют получать сильные ударные волны и потоки плазмы для моделирования процессов в космосе и в мощных взрыва; 5) промышленная технология, где импульсные токи и поля используются для штамповки металлов и дру­гих целей. К настоящему времени созданы заново и продол­жают совершенствоваться все элементы ударных генера­торов тока, а именно малоиндуктивные импульсные кон­денсаторы, с помощью которых увеличены к.п.д. контуров малых и средних энергий включаемых на малоиндуктивные нагрузки; конструкции соединительных шин и между­шинной изоляции с применением новейших изоляционных материалов и синтетических смол; малоиндуктивные ка­бели высокого напряжения на импульсные токи 50—150 ка; управляемые разрядники  разных типов (воздушные, высокого давления, вакуумные, с твердым диэлектриком) на токи от 10³ до 2 • 10⁶ а, синхронизируемые с точностью 10 ^-8— 10^-6 сек; различные типы соленоидов и катушек на магнитные поля напряженностью 10⁴— 10⁶ эрст. На основе этих элементов действуют установки в режимах однократ­ных и циклических включений. Их параметры варьируют в широких пределах: по энергиям — от 10² до 10⁷ дж; по токам — от 10³ до 10⁷ а; по напряжениям — от 5 до 300 кв.

Наиболее надежно освоены рабочие напряжения до 60 кв. Выше этого уровня напряжений конструкции ста­новятся громоздкими или сложными из-за трудностей ис­пользования воздушной изоляции (корона, скользящие разряды). Одним из возможных путей повышения напря­жения установок малых и средних энергий, применяемых, например, для получения коротких мощных электронных пучков, является переход к коротким импульсам порядка десятков и сотен наносекунд.

В ближайшее время пара­метры наносекундных генераторов предполагается увеличить до 10⁵—10⁶ а и 10⁷ в.

Будущее техники больших импульсных токов, незави­симо от уровня рабочих напряжений, связано с дальней­шим наращиванием энергии в импульсе. Оценки показы­вают, что для любого возможного решения проблемы термо­ядерного синтеза понадобятся энергии выше 10⁸ дж. Нетрудно видеть, что конденсаторная техника для таких контуров оказывается излишне громоздкой, так как плотность электрической    энергии    в   них   составляет   около   8×10^-2 дж/см³. В перспективе с помощью новых синтетических материалов удельную энергию можно будет увели­чить до 2-4 дж1см³, однако и такой серьезный шаг не ре­шает эту проблему.