плазмоэрозионный размыкатель

Формула изобретения

1. ПЛАЗМОЭРОЗИОННЫЙ РАЗМЫКАТЕЛЬ, содержащий вакуумную камеру, коаксиально расположенные электроды, образующие разрядный канал, подключенные с одной стороны к разноименным клеммам источника тока, а с другой стороны к нагрузке, и систему плазменных пушек, установленных во внешнем электроде в радиальном направлении относительно разрядного канала, отличающийся тем, что, с целью повышения стабильности работы и увеличения мощности, коммутируемой в нагрузку, размыкатель снабжен блоком контролируемого роста индуктивности, выполненным в виде изолятора и размещенным между коаксиальными электродами со стороны нагрузки, торцевая поверхность которого, обращенная к разрядному каналу, выполнена со спиральным каналом остроугольного профиля.

2. Размыкатель по п.1, отличающийся тем, что коаксиальные электроды со стороны блока контролируемого роста индуктивности выполнены со сквозными пазами, заполненными диэлектриком.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к электротехнике, а именно к коммутирующим устройствам для выключения и переключения импульсных токов и может быть использовано в народном хозяйстве в качестве аварийных выключателей в энергетических установках и в экспериментальной технике для получения больших мощностей.

Известны плазмоэрозионные размыкатели [1] содержащие вакуумную камеру, источник импульсного напряжения, подключенный к коаксиально расположенным электродам, систему радиально расположенных плазменных пушек. Основным недостатком их является нестабильность работы и сравнительно низкий КПД передачи энергии в нагрузку, обусловленные самопроизвольным ростом индуктивности плазмы в результате развития неустойчивости по отношению к росту индуктивности.

Наиболее близким из известных технических решений к предлагаемому является плазмоэрозионный размыкатель [2] Известный размыкатель содержит вакуумную камеру, источник импульсного напряжения, подключенный к коаксиально расположенным электродам, систему радиально расположенных плазменных пушек, причем центральный электрод выполнен в виде спирали, угол захода которой определяется выражением

90>>arcsin где _пл, _м электропроводность плазмы и материала электрода соответственно; R радиус спирали, d толщина витка спирали, а ее длина l_сп определяется выражением

[d_пл -/D 2R/] < l_сп 2[d_пл + /D 2R/] где d_пл диаметр плазменных пушек, D диаметр внешнего электрода.

Недостатком этого размыкателя является низкий КПД передачи энергии в нагрузку, а также отсутствие стабильности работы.

Цель изобретения повышение стабильности работы и увеличение мощности, коммутируемой в нагрузку.

Поставленная цель достигается тем, что в отличие от известного плазмоэрозионного размыкателя, содержащего вакуумную камеру, коаксиально расположенные электроды, образующие разрядный канал, подключенные с одной стороны к разноименным клеммам источника тока, а с другой стороны к нагрузке, и систему плазменных пушек, установленных во внешнем электроде в радиальном направлении относительно разрядного канала, предлагаемый размыкатель снабжен блоком контролируемого роста индуктивности, выполненным в виде изолятора и размещенным между коаксиальными электродами со стороны нагрузки, торцевая поверхность которого, обращенная к разрядному каналу, выполнена со спиральным каналом остроугольного профиля. При этом коаксиальные электроды со стороны блока контролируемого роста индуктивности выполнены со сквозными пазами, заполненными диэлектриком.

На чертеже представлен в разрезе плазменно-эрозионный размыкатель, общий вид.

Размыкатель состоит из коаксиальных электродов 1, 2, источника тока 3, вакуумной камеры 4, образованной электродами, плазменных пушек 5, диэлектрической преграды 6 со спиральным каналом 7, стенки которого имеют остроугольный профиль; при этом электроды выполнены с пазами 8, заполненными диэлектриком; 9 нагрузка.

Предлагаемое устройство работает следующим образом.

При включении плазменных пушек 5, в пространство вакуумной камеры 4 между электродами 1 и 2 инжектируется плазма. При достижении плазмой внутреннего электрода к электродам подводится ток от источника 3. По цепи: источник тока электроды плазма начинает течь ток. Ток создает в пространстве между электродами магнитное поле. Со стороны магнитного поля на плазму с током действуют электромагнитные силы, ускоряющие плазму вдоль коаксиальных электродов. Втекание ускоренной плазмы в спиральный канал 7 приводит к перестройке тока и магнитного поля и к резкому увеличению ее индуктивности, сопротивления и длины, что приводит к переключению тока и выключению его в плазменной перемычке.

Плазма с током в магнитном поле не устойчива по отношению к росту индуктивности. Электромагнитные силы действуют всегда в направлении ее увеличения. Из-за развития неустойчивости рост индуктивности плазмы происходит самопроизвольно, неконтролируемым образом.

Экспериментальная проверка осуществлялась в коаксиальной линии. Материал электродов медь. В качестве диэлектрической преграды был использован фторопласт со спиральным каналом. Запитка линии производилась от конденсаторной батареи с напряжением 4 кВ. Индуктивность подводящих проводов и линии от преграды 0,510^-6 Гн. Нагрузкой являлась индуктивность 0,510^-6 Гн. Плазма, замыкающая электроды, создавалась взрывом алюминиевой фольги, масса 50 мг. В нагрузку был переключен ток в соответствии с законом сохранения потока. Максимальное напряжение на нагрузке 56 кВ. Прерыватель работает стабильно. При наиболее "тяжелой" для переключения индуктивной нагрузке осуществлено увеличение мощности в 28 раз.

Изобретение предназначено для согласования импульсных источников энергии с разного рода нагрузками. Нагрузкой, в зависимости от решаемых задач, могут быть накаливаемые и ненакаливаемые вакуумные диоды, источники ионов, ускорители заряженных частиц, плазменные устройства и др. Источником тока могут служить конденсаторные батареи (быстрые и медленные), индуктивные накопители энергии, взрывомагнитные и магнитогидродинамические генераторы и т.д. В качестве рабочего вещества в плазменных пушках могут быть использованы вещества с малой атомной массой.

Кроме того, изобретение может использоваться для генерации высоковольтных электрических импульсов, при этом могут использоваться полные генерирующие импульсы и импульсы в различной фазе генерации.

Преимуществом изобретения является то, что в предлагаемом техническом решении целенаправленный контролируемый рост индуктивности обеспечен затеканием ускоренной электромагнитными силами плазмы в спиральный канал в диэлектрической преграде. Стенки спирального канала имеют остроугольный профиль для предотвращения возникновения отраженных ударных волн, препятствующих затеканию плазмы в канал. Затекание плазмы в заранее заданный спиральный канал приводит к контролируемому росту индуктивности и к перестройке тока и магнитного поля. Первоначально плоский плазменный диск превращается в спираль с заранее заданной индуктивностью. Возрастает индуктивность плазмы, а вместе с ее перестройкой и сопротивление. При этом сопротивление возрастает на несколько порядков. В процессе изменения индуктивности на ней возникает ЭДС индукции, которая вместе с напряжением на сопротивлении плазмы приводит к уменьшению тока в плазме и к переключению его в нагрузку. Ток в плазме уменьшается, что приводит к ее распаду и полному выключению.

Чтобы исключить возникновение вихревых токов в коаксиальных электродах при перестройке тока и магнитного поля, уменьшающих индуктивность перестраиваемой плазмы, коаксиальные электроды выполнены со сквозными пазами, заполненными диэлектриком.

Таким образом, использование изобретения позволяет повысить стабильность работы размыкателя и увеличить мощность, коммутируемую в нагрузку.