2.7. Измерение малых индуктивностей элементов импульсных установок .7 .
1. Программа работы. Ознакомиться с измерительными приборами и их характеристиками. Измерить с помощью прибора Аи рассчитать:
а) индуктивность кольца из тонкой проволоки (диаметр 1,5—
2 мм) с длиной по окружности 700—1000 мм;
б) индуктивность двухпроводной линии из того же проводника при расстоянии' между проводами 30-40 мм. Измерить характерные геометрические размеры и определить погонную индуктивность коаксиальных кабелей типа КВИМ ;
КВИ-120, РК-50—9—И; АКПВМ 1/60, ФКП:
по непосредственным измерениям с помощью прибора Е 12-1 А;
расчетом;
по измеренной погонной емкости С , пользуясь соотношением
L 'C = ер.
Сравнить их индуктивности. Измерить с помощью схемы на рис. 2.28 и рассчитать индуктивности одновитковы х соленоидов при различном соотношении их длины и диаметра и экспериментально определить поправочный коэффициент к (Ь /2 г. Проанализировать полученные результаты и сделать выводы по работе. Пояснения краб от е
Получение импульсных токов с большой крутизной нарастания до 1013 Ас) требует создания генераторов импульсных токов ГИТ) с малой собственной индуктивностью . Это может быть обеспечено лишь при применении специальных малоиндуктивных конденсаторов, разрядников, кабелей, сборных шин. При разработке указанных элементов возникает задача расчета или экспериментального определения их индуктивностей Расчет индуктивностей основывается на законах полного тока и электромагнитной индукции и предполагает знание распределения магнитного поля или его энергии. При этом индуктивность определяется распределением магнитного поля как вне, таки в теле проводника. Поэтому при определении индуктивности устройств, работающих при переменном токе, необходимо учитывать поверхностный эффект и эффект близости. Г луб и напр они кн о вен и я электромагнитного поля в тело проводника 5ЭМ определяется угловой частотой переменного тока сом агнитной проницаемостью ц и удельной проводимостью материала проводника у. Она равна 5ЭМ 2яЛ/2/ощх . При высоких частотах (порядка 104 Гц и выше) значение 5ЭМ много меньше линейных размеров поперечного сечения, и можно считать, что ток сосредоточен в весьма тонком слое у поверхности проводника, индуктивность определяется только распределением магнитного поля вне проводника. Степень влияния эффекта близости зависит от взаимного расположения и собственных размеров контуров, она может быть оценена только в простейших случаях. В системах, у которых поперечные размеры проводников малы пос равнению с расстояниями между проводниками, влияние эффекта близости несущественно. Пользуясь понятиями о собственной и взаимной индуктивности контуров, следует учитывать, что они имеют смысл лишь при условии, что в любой момент времени ток можно считать одинаковым для всех сечений каждого контура. Эти понятия применимы, следовательно, лишь тогда, когда электромагнитное поле в среде, окружающей контуры, квазистационарно, те. когда длина волны электромагнитных колебаний в этой среде много больше размеров контуров и расстояний между ними, те. Л » / , где X — длина электромагнитной волны , I — размер контура. Расчет Рис. 2.22. Провод над проводящей плоскостью индуктивностей некоторых контуров (полагается, что окружающая среда и вещество проводников имеют р = |i0) h выполняется последующим формулам. Индуктивность системы в виде горизонтального проводника на высоте h над проводящей плоскостью (рис. 2.22) длиною I: при низких частотах гр л In— + при высоких частотах
А
2п г. Индуктивность двухпроводной линии длиною I (рис. 2.23): при низких частотах
А
In-
' - г О+ г
4 у при d » г
Ч -4 - W
- A П при высокой частоте и d » г 2 = М п . п
г
Для этого случая погрешность из-за неучета эффекта близости в определении индуктивности можно определить по формуле
ДА = (\x0l/ri)(r2/ d 2) .
2 r
2 Рис. 2.23. Двухпроводная линия. Индуктивность кольца кругового сечения при гк » г (рис. при низкой частоте
Ц. - Н-ОЙс In— — 1,75
I
г
(при этом погрешность и з-за неучета эффекта близости при гк/ г = 0,1 равна 3 при высокой частоте = IV k ^ n- f - 2 •
4. Индуктивность коаксиального кабеля при малой толщине наружного провода (рис. при низкой частоте им алой толщине наружного проводника j V
2 п
1п
/*,
1
+ - й при высокой частоте
Рис. 2.25. Коаксиальный кабель = (ц 0//2л)1п(/-2/г]).
Рис. 2.26. О дновитковы й тонкостенный соленоид. Индуктивность одновиткового соленоида при малой толщине стенки (рис. 2.26) L = yL0(nr2/ b ) k , где к{Ь/2г) — поправочный коэффициент, зависящий от частоты и отношения Ь/2г (рис. Существует несколько способов измерениям алых индуктивностей. В данной работе используется прибор для измерениям алых индуктивностей Е 1 2 -АИ н д у к ти вн ость и емкость измеряются резонансным методом си н д и кац и ей резонанса по нулевым биениям. В приборе имеются два высокочастотных генератора, собранных по одной схеме. В колебательный контур одного генератора включен образцовый конденсатор переменной емкости. В контур второго генератора последовательно с контурной индуктивностью включается измеряемая индуктивность L%, При отсутствии измеряемой индуктивности (клеммы “L " закорочены) оба генератора по нулевым биениям настраиваются на одинаковую частоту. Для получения нулевых биений на индикаторе изменяют частоту другого генератора, изменяя емкость образцового конденсатора, шкала которого проградуирована непосредственно ввели чинах индуктивности. Измерение индуктивностей на одном поддиапа зоне (0,05—1 мкГ) производится на частотах (1,55-1,11) МГц. Рис. 2.27. Зависимость коэффициента кот отношения Ь/2г в формуле для индуктивности соленоида Рис. 2.28. Схема для измерения малых индуктивностей Измерение малых индуктивностей может производиться по схеме, изображенной на рис. В цепь генератора высокой частоты включаются последовательно элемент, индуктивность которого L% необходимо измерить, и известная (эталонная) индуктивность L 0. По падению напряжения на L% — Ux и на L a — U0 определяют индуктивность :h'А.КЛМ- В рамках выполнения данной лабораторной работы при измерениях малых индуктивностей прибором типа Е- IA необходимо прибор настраивать на ноль при закороченных токопроводящих шинах, не изменяя при этом их конфигурации. Схема для измерения малых индуктивностей с помощью эталонной индуктивности показана на рис. 2.28, Питание схемы осуществляется от высокочастотного генератора ( / = 100—200 кГц, для согласования сопротивления нагрузки с выходным сопротивлением генератора используется понижающий трансформатор с коэффициентом трансформации В качестве эталонной индуктивности используются взаимная индуктивность двух круговых витков или при измерении особо малых индуктивностей индуктивность одновиткового соленоида, вычисленные с большой точностью. Значения U0 измеряются непосредственно на ток оп ров од я щи х шинах. Скорость распространения электромагнитной волны вдоль однородной линии равна и =
1/у[щх
= где L'w. С — погонные индуктивность и емкость кабеля, их можно также рассчитать по формуле £ ' = е
|
х
/ С '. Измерение погонной емкости кабеля производить с помощью прибора Е 1 А . При сравнении результатов расчета и измерений определить погрешности полученных результатов по общим правилам. В отчете конечные результаты определения индуктивности кабеля необходимо привести на погонный метр. Требования к отчету
Отчет должен содержать:
а) схему измерений;
б) численные результаты измерения индуктивности и их сравнение с расчетными оценками;
в) выводы по работе. Электрические характеристики управляемого вакуумного разрядника. Программа работы. Ознакомиться с экспериментальной установкой и инструкцией по технике безопасности и эксплуатации. По параметрам контура поджига оценить максимальные значения тока поджига при зарядном напряжении 20 кВ в случае наличия и отсутствия ограничительного сопротивления. Определить предел срабатывания вакуумного разрядника при поджиге на катоде и на аноде в случаях малых и больших токов под жига тес ограничительными безо грани ч и тельного сопротивления вцепи поджига).
4. Снять осциллограммы для определения времени запаздывания срабатывания разрядника от приложенного напряжения в случае его поджига со стороны катода и со стороны анода при большом и малом токе поджига. 5. Построить опытные зависимости времени запаздывания срабатывания разрядника от приложенного напряжения для случаев, перечисленных в п. 4. 6. Сравнить полученные в п. 5 зависимости. Оценить погрешности измерений времени запаздывания срабатывания разрядника. Пункты 5 -7 выполняются после расшифровки осциллограмм. Пояснения к работе Управляемый вакуумный разрядник (рис. 2.29) представляет собой разрядный промежуток в вакууме, образованный двумя плоскими основными электродами 1 и 2. Водном из основных электродов по оси имеется отверстие, в которое установлена диэлектрическая втулка 3 с управляющим электродом 4 в виде тонкого металлического стержня. Рабочая камера разрядника ограничена изоляционным корпусом 5 в виде кольца, выполненного из органического стекла, и основными электродами. Откачка камеры разрядника производится с помощью вакуумного насоса через специальный фланец в основном электроде. К электродами подсоединен конденсатор С, заряжаемый до рабочего напряжения Как известно, электрическая прочность разрядного промежутка с равномерным полем, находящегося при пониженном давлении газа, определяется законом Пашена, те -образной зависимостью разрядного напряжения от pS0 — произведения давления надлину разрядного промежутка. Вакуумные разрядники работают при малых значениях pS0 порядка 102Па-м(102 мм рт.ст.-см) и нижете. на левой ветви кривой Пашена. При малых давлениях газа сильно уменьшается вероятность ионизации остаточного газа первичными электронами, которые возникают по тем или иным причинам на поверхности катода ив объеме разрядника, вследствие Рис. 2.29. Управляемый вакуумный разрядники схема для исследования его электрических характеристик, 2 — основные электроды разрядника 3 — изолирующая втулка 4 — управляющий электрод 5 — изоляционный корпус М — монометрический преобразователь термопарный; ПР поджигающий разряд Сп — конденсатор поджига; Р — управляемый разрядник R0 — ограничительное сопротивление 2^ — сопротивление утечки Uc — высоковольтный синхронизирующий импульс Un — зарядное напряжение контура поджига; С 0 — конденсатор основной цепи UQ — основное напряжение Пи П 1 — измерительные петли контура поджига и основной цепи чего повышается электрическая прочность разрядного промежутка. При p S 0 Г Па-м и ниже электрическая прочность разрядного промежутка может достигнуть нескольких десятков киловольт и ограничивается разрядом по внутренней поверхности изоляционного корпуса. Таким образом, если вакуумный разрядник откачать до низкого давления, то его электрическая прочность оказывается выше рабочего напряжения контура и конденсатор Сможет быть заряжен до рабочего напряжения. Пробой между основными электродами разрядника можно вызвать, резко увеличив давление газа в объеме за счет напуска газа извне, те. опустившись по кривой Пашена в область минимальных разрядных напряжений. Однако такой способ управления срабатыванием вакуумного разрядника, как правило, неприемлем ввиду больших времен запаздывания срабатывания и разброса во времени, которые обусловлены инерционностью процесса напуска газа и большим статическим разбросом пробоя разрядного промежутка. Наиболее удобен электрический способ управления пробоем с использованием тригатронного узла с изолирующей втулкой. Управляемый пробой разрядника вызывает приложение к управляющему электроду высоковольтного импульса от специального генератора поджигающих импульсов. Высоковольтный импульс вызывает пробой вдоль торца изолирующей втулки (между управляющим электродом и краем отверстия основного электрода, так называемый поджигающий разряд, инициирующий разряд между основными электродами. Ввиду сложности и малоизученное процессов, происходящих при развитии пробоя в вакуумном промежутке, в настоящее время не существует общепринятой теории, достаточно полно описывающей процесс управляемого пробоя вакуумного разрядника. Однако на основании известных физических явлений в газах можно представить схему развития управляемого пробоя, позволяющую понять ряд основных экспериментально установленных свойств и характеристик разрядников. П ред ставим, что поджигающий разряд произошел на отрицательном основном электроде. Возникающий вдоль поверхности изолирующей втулки разряд представляет собой плазму, которая является поставщиком электронов для основного разрядного промежутка. Кроме этого, поджигающий разряд вызывает десорбцию молекул и атомов, адсорбированных на изолирующей втулке и электродах, а также испарение материала собственно втулки и электродов. Электроны из поджигающего разряда ускоряются в основном электрическом поле и частично ионизируют остаточный газ. Электронный ток из мощного поджигающего разряда ограничивается объемным зарядом электронов в разрядном промежутке аналогично тому, как ограничивается ток в вакуумном диоде, при этом зависимость тока от напряжения подчиняется закону 3/2. Как показывают оценочные расчеты, амплитуда электронного тока при этом ограничивается несколькими амперами. Это начальная или доплазменная стадия развития управляемого пробоя. По мере протекания тока его амплитуды возрастают за счет постепенной компенсации объемного заряда электронного облака положительными ионами, создающимися в объеме газа при его ионизации ускоренными электронами, как это имеет место в газоразрядных приборах, например в тиратронах. Таким образом, возникает газоразрядная плазма. Вследствие быстрого нагрева плазмы, по-видимому за счет пучковых неустойчивостей, бурно развиваются ионизационные процессы и резко увеличивается проводимость плазмы. Это плазменная стадия развития разряда. При этом из-за низкого начального давления газа газоразрядные процессы развиваются во всем объеме разрядного промежутка и образуется разрядный канал, диффузный по форме. Сопротивление разрядного канала становится существенно меньше полного сопротивления контура, и разрядник коммутирует цепь. Т ок в разрядном промежутке во снов ном определяется движением электронов, так как скорость дрейфа ионов многом еньш е, чем электронов. Поэтому плотность тока в сечении разрядного канала j = emj, где е заряд электрона п — концентрация заряженных частиц в объеме (в плазме п электронов п однозарядных ионов и — средняя скорость электронов в направлении действия основного электрического поля. Различают два крайних режима работы вакуумного разрядника в зависимости от начального давления газа. Первый режим — когда в объеме существует высокая концентрация остаточного газа, при ионизации которого создается плазма с большой концентрацией заряженных частиц, благодаря чему обеспечивается большая плотность тока и разрядник может коммутировать рабочие токи до 105—106 А. Такой режим соответствует давлению в вакуумном разряднике примерно 1 Паи выше. При полной однократной ионизации газа концентрация электронов оказывается выше см и при направленной скорости последних около 106 см-с-1 плотность тока в плазме в соответствии с формулой может достигать 104 А-см-2. При такой плотности тока и площади поперечного сечения канала разряда, равной десяткам см, коммутируемые токи могут быть свыше 105 А. В связи стем, что в указанном выше диапазоне давлений статическое разрядное напряжение разрядника не превышает примерно 50 кВ, максимальное рабочее напряжение разрядников, работающих в первом режиме, должно быть не более 3 0-40 кВ. Второй режим — работа при давлениях много меньше 1 Па, коща концентрация заряженных частиц при полностью ионизированном газе много меньше, чем необходимо для коммутации больших рабочих токов. Пониженным давлениям газа соответствуют более высокие статические разрядные напряжения, и рабочие напряжения разрядников могут превышать 50 кВ. Режим работы разрядника определяющий с учетом его времени запаздывания срабатывания т. В первом режиме значение т определяется процессом развития ионизационных процессов в остаточном газе при воздействии поджигающего разряда. При этом естественно, что полярность основного электрода, на котором осуществляется поджиг, влияет на процесс развития разряда и, следовательно, назначение т3. При поджиге на катоде и относительно большой плотности остаточного газа быстро развивается начальная стадия разряда и затем плазменная, что обеспечивает малые значения т. В этом случае роль поджига сводится к созданию самоподдерживающего электронного тока в начальной стадии развития разряда. Дальнейшее развитие разряда от величины тока поджига не зависит, поэтому более мощный поджиг несколько уменьшает значение т . Большое влияние наврем я запаздывания срабатывания оказывает давление остаточного газа. Более высокое давление газа уменьшает длительность начальной и плазменной стадии и, следовательно, значение т, которое мало зависит от рабочего напряжения. При поджиге на аноде самостоятельный электронный ток возникает лишь после того как ионы, вытягиваемые из области поджига электрическим полем, дойдут до катода и создадут там за счет бомбардировки поверхности и перестройки местного электрического поля условия для эффективной электронной эмиссии. За счет времени развития этого процесса увеличивается значение т 3 по сравнению с вариантом поджига на катоде. Зависимости тот напряжения, приложенного ква ку умному разряднику, представлены на рис. Во втором режиме работы разрядника и з-за малой плотности остаточного газа резко увеличивается время, необходимое для развития ионизации в начальной стадии. Кроме того, требуется значительное время для поступления в разрядный промежуток нейтрального газа за счет десорбции с поверхности электродов и стенок камеры, а также за счет эрозии последних. Лишь ионизация поступивших частиц, число которых намного превышает число частиц остаточного газа, может обеспечить необходимую для коммутации тока концентрацию заряженных частиц в плазме. В связи с этим при более мощном поджиге происходит интенсивное поступление частиц из области под жига в разрядный промежуток и, следовательно, резко сокращаются во времени начальная и плазменная стадии. Таким образом, в этом режиме малые времена т можно обеспечить лишь при достаточно мощных поджигающих разрядах. Поступление нейтральных частиц в объем резко увеличивается при под жиге у изоляционной стенки разрядника за счет облегченной десорбции и эрозии последней. Такой способ поджига оказывается целесообразным в разрядниках, работающих во втором режиме, те. при пониженных давлениях. Рис. 2.30. Зависимость времени запаздывания срабатывания вакуумного разрядника от приложенного напряжения при поджиге на катоде 2 — при поджиге на аноде При промежуточных давлениях 1(Г2П а Па) ионизационные процессы в разрядниках развиваются более сложно, чем в рассмотренных выше двух режимах, и зависимость тз от рабочего напряжения, мощного поджига носит более сложный характер. В вакуумных разрядниках при достаточно мощном поджиге независимо от начального давления возникает область поджига с повышенной плотностью частиц, в которой облегчены условия развития пробоя, как в области минимума образной кривой Па- шена. Поэтому минимальное напряжение срабатывания вакуумных разрядников оказывается, как правило, очень низким — менее 1 кВ. И з-за низкого предела срабатывания вакуумных разрядников и слабой зависимости их времени запаздывания тот рабочего напряжения и малой индуктивности они находят применение в емкостных генераторах импульсных токов не только в качестве основных коммутаторов, но и для шунтирования индуктивной нагрузки в момент достижения максимального тока с целью получения апериодического импульса тока. В рамках выполнения данной лабораторной работы исследование электрических характеристик управляемого вакуумного разрядника производится на установке, схема которой показана на рис. 2.29. Предварительно с помощью механического форвакуумного насоса откачивают разрядник до давления примерно 1 Па. Последнее измеряется с помощью термопарного манометрического преобразователя и вакуумметра ВТ. Включается тиратронный генератор синхронизирующихся импульсов. И сследуем ы й вакуумный разрядник с подсоединенным к нему конденсатором С образует основной разрядный контур. Конденсатор С заряжается от выпрямительной установки до напряжения U0. Управление вакуумным разрядником производится от генератораподжигающих импульсов, состоящего из конденсатора Сп (0,1 мкФ) и управляемого воздушного разрядника тригатронного типа. Конденсатор Сп заряжается от второй выпрямительной установки до напряжения Un. При подаче высоковольтного синхронизирующего импульса £7, оттиратронного генератора срабатывает разрядник Рико н д ен сато р Сп начинает разряжаться через поджигающий промежуток вакуумного разрядника. Одновременно низковольтным синхронизирующим импульсом запускается двухлучевой импульсный осциллограф. Время срабатывания запаздывания вакуумного разрядника определяется по осциллограмме как интервал времени от момента пробоя поджигающего промежутка до момента быстрого нарастания тока в основном контуре (рис. 2.31). Момент пробоя поджигающего промежутка регистрируется по скорости изменения магнитного потока в контуре поджига, которая пропорциональна скорости изменения тока в этом контуре. Сигнал регистрируется при помощи небольшой петли П х пронизываемой частью магнитного потока контура поджига. При этом петля П х замкнута на вход измерительного кабеля. Сигнал, пропорциональный производной тока, позволяет более четко фиксировать момент появления тока. Аналогично при помощи петли П 2 регистрируется появление тока в основном контуре. Д ля правильного отсчета времени запаздывания срабатывания необходимо перед снятием осциллограмм проверить Рис. 2.31. Осциллограмма для определения времени запаздывания срабатывания разрядника Гм — метки времени 1 — импульс запуска 2 — кривая тока и отрегулировать синхронность записи обоими лучами. Для этого необходимо одновременно на оба луча подать одни и те же метки времени и произвести корректировку соответствующими перемещениями лучей. Для масштаба повремени на осциллограммах регистрируются метки времени. М инимальное напряжение срабатывания разрядника i70min определяется постепенным снижением зарядного напряжения при подаче поджигающего импульса. Напряжение, при котором наблюдается 50%-ное срабатывание вакуумного разрядника при подаче поджигающих импульсов, принимается за U0min.2.8.3. Требования к отчетуОтчет должен содержать: а) схему экспериментальной установки; б) предельные характеристики срабатывания вакуумного раз рядника; в) примеры осциллограмм с определением времени запаздыва ния; г) графики опытных данных зависимости времени запаздывания от приложения напряжения; д) оценка погрешности измерения времени запаздывания; е) выводы по работе. Разрядные напряжения концевых устройств импульсных установок. Программа работы. Провести испытания разделки кабеля (тип кабеля указывает преподаватель) при постоянном, переменном 50 Гц и импульсном напряжении косинусоидальной формы. Определить зависимости разрядных напряжений от длины разделки — U =/{/)• 2. При испытании разделки кабеля импульсом напряжения колебательной формы (см. рис. 2.33) снять осциллограмму полного импульса напряжения при незавершенном скользящем разряде и осциллограммы импульсов при завершенном разряде По осциллограммам определить время развития разряда по длине разделки. Провести испытания разделок различных типов кабелей указанных преподавателем) при воздействии импульсного напряжения колебательной формы. Определить зависимости разрядных напряжений от длины разделки (закраины изоляции) Up = f{ l) . Испытать конструкции разделок кабелей, в которых приняты меры по увеличению разрядного напряжения. Поданным, полученным в пи, построить зависимости разрядных напряжений от длины разделок кабелей. Сопоставить и проанализировать данные, полученные в пи, указав, как разрядное напряжение зависит от формы воздействующего напряжения и от толщины изоляции. Определить средние разрядные градиенты напряжения по поверхности разделок изоляции, отметить, насколько эффективны меры по увеличению электрической прочности разделок специальной конструкции. В отчете привести потенциальную схему установки и рисунки разделок испытываемых кабелей с указанием размеров. Пояснения к работе В емкостных накопителях энергии, предназначенных для получения больших импульсных токов, подвод тока к нагрузке осуществлялся с помощью малоиндуктивной ошиновки. Такая ошиновка в генераторах импульсов тока (ГИТ) может выполняться или в виде плоских шин, между которыми проложена изоляция из твердого диэлектрика, или в виде большого числа коаксиальных кабелей, включенных параллельно. В более общем случае ошиновка ГИТ может быть комбинированной и состоять как из участков с плоскими шинами, таки из участков, где подвод тока осуществляется с помощью кабелей. Требование минимальной индуктивности плоской ошиновки длиной I удовлетворяется за счет уменьшения толщины изоляции d между токоведущими шинами (приданном рабочем напряжении) и увеличения их ширины Ь(1^п = \i0(ld/b)). В кабелях это требование удовлетворяется за счету вели ч ен и яд и а метров жилы и оболочки, уменьшения толщины изоляции между ними, а также за счет уменьшения индуктивности разделки кабеля путем сокращения его длины. Уменьшение толщины изоляции между плоскими шинами, жилой и оболочкой кабеля ограничивается предельными значениями рабочей напряженности электрического поля, допустимыми при работе изоляции в заданном режиме. В качестве между шинной изоляции используют твердые диэлектрики полиэтилен кратковременная электрическая прочность .Епр = 70-110 кВ/мм), фторопласт (Епр = 70—110 кВ/мм), винипласт ( Е = 30—50 кВ/мм), вакуумная резина Е = 15—25 кВ/мм). Пробивные напряженности указаны при небольшой толщине изоляции 0,5—1 мм. Рабочая напряженность выбирается враз ниже Епр.В качестве изоляции кабелей используют полиэтилен, фторопласт, бумажно-масляную изоляцию. Наибольшее распространение получили высоковольтные кабели с полиэтиленовой изоляцией типа РК-75-9-12, РК-50-11-13, Р К -50-9-11 и специальные импульсные мало индуктивные кабели А К П В М -1 /5 0 , К П В -1/75, КВИ-120. Рабочая напряженность в этих кабелях составляет 12—15 кВ/мм. Иногда применяют кабели с многослойной изоляцией из фторопластовой ленты, например кабель ФКП-1/50, рабочая напряженность электрического поля в которых достигает 20—25 кВ/мм. В генераторах импульсных токов твердая изоляция шин и кабелей используется в сочетании с газовой (воздушной) изоляцией. На закраинах шин, в концевых разделах кабелей, а также в местах сочленения шин с разрядниками, а иногда и с конденсаторами твердая изоляция располагается так, что на нее действует резко неоднородное поле с большой касательной составляющей к поверхности диэлектрика. Электрическое полена краю плоских шин и электрическое поле в разделке кабеля показаны на рис. Здесь в области однородного поля электрическая прочность твердого диэлектрика может составлять 100—200 кВ/мм. На краю электрода электрическое поле выходит в воздушную среду, при этом напряженность поля значительно Рис. 2.32. Картина электрического поляна закраине плоских шина) ив разделке кабеля (б)превосходит напряженность начала ионизации воздуха, поэтому по поверхности диэлектрика может развиваться скользящий разряд. Различаю т четыре стадии скользящего разряда коронную , стримерную, искровую и завершенную. Наибольшую опасность представляет искровая стадия скользящего разряда, поскольку в канале искры возникает высокая температура (8—10) 103 К, что ведет к быстрому разрушению органических диэлектриков. Кроме того, при переходе кис кров ой стадии происходит резкое уменьшение сопротивления канала разряда. В результате головка канала приобретает потенциал электрода, и скользящий разряд резко удлиняется, возникает завершенный разряд по поверхности диэлектрика при весьма больших расстояниях между электродами. На изоляцию ГИТ воздействуют различные виды напряжений. Постоянное ква зи постоянное) напряжение воздействует в зарядном режиме на изоляцию ГИТ, расположенную до разрядника разрядников. При разряде ГИТ на туже изоляцию действует Рис. 2.33. Импульсы напряжения колебательной формы ас предварительно приложенным постоянным напряжением б — без постоянного напряжения колебательный импульс напряжения косинусоидальной формы риса Такую форму воздействующего напряжения принято называть косинусоидальной с предварительно приложенным постоянным напряжением. На изоляцию, расположенную после разрядников, действует импульс напряжения косинусоидальной формы (рис. 2.33, б Изоляция ГИТ должна выдерживать эти виды воздействий в течение всего срока работы установки (как правило, не менее 104 импульсов). При постоянном напряжении распределение напряжения по поверхности диэлектрика в соответствии с эквивалентной схемой [14] (рис. 2.34) определяется объемными поверхностным р сопротивлением диэлектрика, а также зависит от толщины диэлектрика d и длины закраины /. Наибольшая напряженность, касательная к поверхности диэлектрика, существует у электрода. В соответствии с законом распределения электрического поля напряжение возникновения коронного разряда UHK может быть записано в виде и н к к
VPu
d /p s
1 h P s / p ^ d l
j , где Ек — напряженность возникновения короны.
В реальных условиях из-за возникновения местной короны у электрода поверхность диэлектрика заряжается и происходит перераспределение напряженности электрического пол я.
Рис. 2.34. Эквивалентная схема частичных емкостей и проводим остей диэлектрика 1 — основные электроды 2 — диэлектрик Вследствие этого увеличивается напряжение устойчивой короны. Увеличивается и разрядное напряжение по сравнению с ожидаемым. При переменном напряжении, если выполняется условие l/coCu « p u и (1/coCj) « P j , где Сь и Cs — объемная и поверхностная емкости диэлектрика, то распределение напряженности поп оверхн ости диэлектрика происходит по емкостям. Напряжение возникновения скользящих разрядов = E ^ e sK d /e v t h ( ^ J t sKd /), где Ен — критическая напряженность разряда К — коэффициент, учитывающий конфигурацию электродов. Д ляп о ли этилена ри =1016 Ом см, р ^= (1-3)10 15 Оме. Если оценить значения сои для изоляции кабелей из полиэтилена толщиной 3—4 мм, то оказывается, что уже при невысоких частотах 102—103 Гц соотношение (2.21) выполняется и, следовательно, при развитии скользящего разряда по поверхности диэлектрика основную роль играет емкостная проводимость. Напряжение возникновения скользящих разрядов на переменном напряжении ниже, чем на постоянном. Это объясняется тем, что при переменном напряжении заряд, нанесенный на поверхность диэлектрика в течение одного полупериода напряжения, при другом полупериоде усиливает поле вблизи электрода. В области частот 0,1—1 кГц происходит переход от распределения напряжения по поверхности диэлектрика по проводимостям к распределению напряжения по емкостям, поэтому в этой области напряжение скользящих разрядов зависит от частоты (от отношения du/dt). В области частот выше 1 кГц напряжение возникновения скользящих разрядов и напряжение перекрытия изоляции по поверхности от частоты зависят слабо. При переменном напряжении (/= 1—250 кГц) скорость движения головки стримера скользящего разряда по поверхности диэлектрика при напряжении, несильно превышающем напряжение возникновения скользящих разрядов, обычно составляет 5—20 см/мкс. Поэтому перекрытие поверхности диэлектрика длиной / при возникновении импульса напряжения происходит в течение некоторого промежутка времени п = п ск, где в ск — средняя скорость движения головки скользящего разряда.
В частности, при возникновении на изоляции ГИТ колебательного импульса напряжения (см. рис. 2.33) с частотой 20—100 кГц перекрытие обычно наступает при обратной полуволне напряжения.
Напряжение возникновения скользящих разрядов, как следует из выражения (2.22), зависит от длины закраины диэлектрика. Оно приданных значениях е,
|
Скачать 6.21 Mb.