Исследование стабильности срабатывания управляемого многозазорного разрядника для емкостных накопителей с зарядным напряжением до 100 кВ и временем вывода энергии порядка 100 нс | Изв. вузов. Физика. 2019. № 7. DOI: 10.17223/00213411/62/7/53

Исследование стабильности срабатывания управляемого многозазорного разрядника для емкостных накопителей с зарядным напряжением до 100 кВ и временем вывода энергии порядка 100 нс

Приведены результаты исследований стабильности срабатывания шестиканального семизазорного искрового разрядника, предназначенного для включения емкостного накопителя энергии с зарядным напряжением до 100 кВ и временем вывода энергии порядка 100 нс. Рабочая среда разрядника - воздух атмосферного давления. В режиме с управляемым запуском измерялось время задержки пробоя всех зазоров разрядника относительно прихода пускового импульса напряжения и рассчитывалось среднеквадратичное отклонение времени задержки (джиттер) при варьировании зарядного напряжения и скорости нарастания пускового импульса напряжения. Получен джиттер менее 1 нс при зарядном напряжении 90-100 кВ и скорости нарастания пускового импульса напряжения ~ 650 кВ/мкс. С уменьшением скорости нарастания пускового импульса джиттер разрядника значительно возрастает. Так, при напряжении на разряднике 100 кВ для импульса пускового напряжения со скоростью нарастания ~ 200 кВ/мкс джиттер превышает 20 нс, а для импульса пускового напряжения со скоростью нарастания ~ 100 кВ/мкс джиттер превышает 30 нс. Для снижения джиттера в случае использования пусковых импульсов с низкой скоростью нарастания в разрядник введены лезвийные электроды, обеспечивающие зажигание в зазорах коронного разряда в процессе зарядки емкостного накопителя. Показано, что при скорости нарастания пускового импульса 100-200 кВ/мкс коронный разряд снижает джиттер в 2-3 раза.

Shot-to-shot operation stability of a triggered multiple gap switch for capacitive energy storages with a charging volta.pdf Введение В мощных импульсных генераторах индукционного типа (линейные импульсные трансформаторы [1], индукционные сумматоры напряжения [2], ЛТД-генераторы [3, 4]) требуется решать вопрос синхронного либо с заданной задержкой по времени включения газовых разрядников. Время запаздывания от момента прихода пускового напряжения на разрядник до начала спада напряжения имеет статистическую составляющую и соответственно разброс. Статистическое время запаздывания характеризуется средним временем запаздывания и среднеквадратичным отклонением от него (джиттер разрядника). Наличие джиттера у разрядников приводит к затягиванию фронта импульса, уменьшению выходного напряжения и мощности генераторов, снижению эффективность вывода энергии в нагрузку. Например, для индукционного сумматора напряжения RITS с фронтом выходного импульса 20 нс и длительностью 70 нс джиттер в 4.5 нс приводит к снижению уровня энергии, выведенной в нагрузку, на 10 % [2, 5]. Для ЛТД-генератора с 48 ступенями и 12 секциями в каждой ступени джиттер в 10 нс уменьшает амплитуду напряжения на ~ 4 % и увеличивает время нарастания импульса на 13 % с 38 до 43 нс [6]. В работах [7, 8] отмечается влияние джиттера на равномерность вершины квазипрямоугольного выходного импульса ЛТД-ступеней, содержащих секции с высшими гармониками. Джиттер часто используют для сравнения стабильности срабатывания разрядников различных конструкций [9, 10], подразумевая, что время запаздывания этих разрядников подчиняется нормальному закону распределения. В реальности, распределение времени запаздывания может быть различным в зависимости от конкретных условий, но отмечается тенденция к уменьшению среднего значения и среднеквадратичного отклонения с ростом перенапряжения в зазорах разрядника и интенсивности их облучения источником ионизации [11]. В работе исследуется стабильность многозазорного разрядника, разработанного в ИСЭ СО РАН, с рабочим напряжением до 100 кВ в воздухе атмосферного давления. Определен джиттер разрядника в зависимости от скорости нарастания пускового импульса и наличия подсветки от вспомогательного коронного разряда. Конструкция разрядника Рис. 1. Шестиканальный семизазорный газовый разрядник Фотография разрядника приведена на рис. 1. За основу взята планарная геометрия разрядника, позволяющая обеспечить достаточную длину поверхности между высоковольтным и низковольтным электродами, не увеличивая высоту разрядника, а также минимизировать расстояние между искровыми каналами и обратным токопроводом. Разрядник содержит семь последовательных зазоров длиной 6 мм между стальными сферическими электродами диаметром 22 мм. Напряжение по зазорам разрядника распределяется с помощью делителя напряжения, собранного из резисторов номиналом 68 МОм. Разрядник способен обеспечить зажигание до шести параллельных искровых каналов. Пусковой импульс подается в каждый из каналов разрядника на электроды третьего ряда относительно низковольтной стороны. Эти электроды имеют сквозные отверстия диаметром 9 мм, через которые проходит пусковой проводник диаметром 1.5 мм в полиэтиленовой изоляции. Развязка основного разрядного контура и пусковой цепи по постоянному напряжению обеспечивается за счет разделительной емкости между пусковым проводником и пусковыми электродами. В конструкции разрядника предусмотрена возможность установки в каждый из зазоров зубчатых лезвийных электродов, предназначенных для инициирования коронного разряда. Толщина лезвий 0.2 мм, материал лезвий - нержавеющая сталь. Геометрия зазора и длина лезвий подобраны так, чтобы при низком напряжении (около 10 кВ) на лезвиях зажигался коронный разряд, но при последующем подъеме напряжения пробой происходил не с лезвий, а со сферических электродов диаметром 22 мм при напряженности поля, близкой к пробивной напряженности в однородном поле. Статическое напряжение самопробоя в воздухе атмосферного давления единичного зазора длиной 6 мм между сферическими электродами диаметром 22 мм составляет Usb ~ 18 кВ, что соответствует средней напряженности электрического поля 30 кВ/см. При наличии коронирующих лезвий напряжение самопробоя единичного зазора снижается на 10 % до 16 кВ. Напряжение самопробоя семизазорного разрядника с коронирующими электродами составляет около 110 кВ. Схема исследования Схема стенда для исследования разрядника приведена на рис. 2. Емкостной накопитель энергии C0 = 20 нФ заряжается от высоковольтного зарядного источника 2 напряжением положительной полярности до 100 кВ. После запуска разрядника 1 от генератора пусковых импульсов 3 емкостной накопитель энергии разряжается на нагрузку с сопротивлением R0 = 3.8 Ом. Система регистрации включает в себя резистивный делитель Rd1 - Rd2 пускового напряжения Utrig(t), резистивный делитель Rd3 - Rd4 напряжения на нагрузке Uload(t) и резистивный шунт Rs для измерения тока в разряднике Ic(t) в процессе зарядки емкостного накопителя энергии (ток коронного разряда). Электрическая схема замещения одного канала разрядника показана на рис. 3. Схема содержит сопротивления R1, задающие равномерное распределение напряжения по зазорам разрядника, емкость межу пусковым проводником и пусковым электродом C1 ~ 2.3 пФ, межэлектродные емкости C2 ~ 1 пФ, емкости электродов на землю С3 ~ 1.8 пФ. В процессе зарядки емкостного накопителя С0 до напряжения U0 на каждом зазоре разрядника устанавливается разность потенциалов Ugap = U0/7, не превышающая напряжение самопро¬боя Usb и характеризующаяся коэффициентом . После подачи импульса пускового напряжения Utrig к пусковому электроду разрядника 6 прикладывается доля пускового напряжения, составляющая в первом приближении . Потенциал от пускового импульса на соседних электродах определяется выражениями [13] Пусковой импульс нарушает равномерное распределение напряжения вблизи пускового электрода, причем разность потенциалов по разные стороны от этих электродов не одинакова. Разность потенциалов на зазорах, прилегающих к пусковому электроду, с учетом разности потенциалов на зазорах от зарядного напряжения накопителя U0/7 будет (1) Для стабильного запуска разрядник должен иметь высокое перенапряжение на своих зазорах. Чем это перенапряжение выше, тем лучше. Как следует из анализа распределения напряжения на промежутках разрядника, условия для срабатывания более благоприятны в случае противоположной полярности зарядного и пускового напряжений. Поэтому при положительной полярности зарядного напряжения используется пусковой импульс отрицательной полярности. В этом случае, в соответствии с (1), бóльшая разность потенциалов создается в зазорах со стороны высоковольтных электродов разрядника, что приводит к последовательному пробою зазоров в направлении емкостного накопителя, а затем и зазоров в направлении заземленного электрода. Рис. 2. Схема исследования разрядника: 1 - разрядник; 2 - высоковольтный зарядный источник; 3 - генератор запускающих импульсов Рис. 3. Электрическая схема канала разрядника: , - емкость накопителя и сопротивление нагрузки, приведенные к одному каналу В экспериментах использовались три пусковых генератора, формирующих импульсы напряжения с разной скоростью нарастания (рис. 4): 650 кВ/мкс (кривая 1), 200 кВ/мкс (кривая 2) и 100 кВ/мкс (кривая 3). После пробоя всех зазоров разрядника формируется импульс напряжения на нагрузке с фронтом около 70 нс (кривая 4). Рис. 4. Осциллограммы пусковых импульсов напряжения (кр. 1-3) и напряжения на нагрузке (кр. 4); td - время задержки срабатывания разрядника относительно импульса пускового напряжения Из осциллограмм пускового напряжения и напряжения на нагрузке определялось время задержки (td) между приходом пускового импульса напряжения и пробоем всех зазоров разрядника. Джиттер разрядника (σ) рассчитывался из времени задержки в серии из 100 импульсов для каждого значения зарядного напряжения и каждого пускового импульса. Результаты эксперимента Пусковой импульс со скоростью нарастания 650 кВ/мкс обеспечивает запуск разрядника в диапазоне зарядного напряжения емкостного накопителя свыше 60 кВ без каких-либо изменений межэлектродных промежутков и давления воздуха. На рис. 5 приведены данные по времени задержки и джиттеру разрядника в зависимости от зарядного напряжения. Полученные данные показывают, что определяющим для стабильности запуска разрядника оказывается не величина возникающего перенапряжения на зазорах в момент пробоя, а условия, предшествующие запуску. Например, при зарядном напряжении 60 кВ напряжение на единичном зазоре разрядника 8.6 кВ, что составляет менее 50 % от напряжения самопробоя, т.е. коэффициент m < 0.5. В этом случае время задержки td ~ 80 нс, а джиттер σ ~ 2.6 нс. С увеличением зарядного напряжения до 100 кВ коэффициент m возрастает до 0.79, а время задержки td снижается до 25 нс. Пусковое напряже¬ние Utrig в момент запуска разрядника уменьшается примерно с 45 до 20 кВ. В соответствии с (1) снижается и возникающее перенапряжение на зазорах. Тем не менее джиттер разрядника падает до σ ~ 0.5 нс. Время задержки и джиттер разрядника значительно возрастают с уменьшением скорости нарастания пускового напряжения. Данные по запуску разрядника пусковыми импульсами со скоростью нарастания 200 и 100 кВ/мкс приведены на рис. 6. При напряжении на разряднике 100 кВ для импульса пускового напряжения со скоростью нарастания ~ 200 кВ/мкс время задержки увеличилось до td ~ 170 нс, джиттер σ > 20 нс; для импульса пускового напряжения со скоростью нарастания ~ 100 кВ/мкс: td ~ 255 нс, джиттер σ > 30 нс. При этом для импульсов пускового напряжения со скоростью нарастания 100, 200 и 650 кВ/мкс величина напряжения в момент запуска и возникающее перенапряжение на зазорах различаются незначительно. Рис. 5. Время задержки срабатывания разрядника без коронирующих электродов при скорости нарастания пускового импульса 650 кВ/мкс и зарядном напряжении 60, 70, 80, 90 и 100 кВ Рис. 6. Время задержки срабатывания разрядника без коронирующих электродов при зарядном напряжении 100 кВ и скорости нарастания пускового импульса 100 и 200 кВ/мкс Отметим, что для пусковых импульсов со скоростью нарастания 100 и 200 кВ/мкс абсолютный разброс времени задержки оказывается соизмеримым с длительностью фронта формируемого на нагрузке импульса. В случае установки в разрядке дополнительных лезвийных электродов в процессе зарядки емкостного накопителя зажигается коронный разряд, который служит эффективным источником инициирующих электронов. Ток коронного разряда на уровне 1 мкА начинает регистрироваться при напряжении на разряднике около 60 кВ, что соответствует напряжению на единичном зазоре около 9 кВ. По мере увеличения напряжения до 100 кВ ток коронного разряда нарастает свыше 100 мкА. Экспериментальные данные времени задержки для разрядника с дополнительными лезвийными электродами при зарядном напряжении 100 кВ приведены на рис. 7. Сравнение распределений времени задержки в отсутствии и при наличии вспомогательного коронного разряда представлено в виде диаграмм размаха (англ. box-plot) на рис. 8. Стабилизирующее действие короны в значительной мере проявляется при использовании пусковых импульсов с низкой скоростью нарастания. Так, при скорости нарастания пускового импульса ниже 200 кВ/мкс коронный разряд снижает джиттер в 2-3 раза. При крутом фронте пускового напряжения (скорость нарастания ~ 650 кВ/мкс) влияние коронного разряда явно не выражено. Рис. 7. Время задержки срабатывания разрядника с дополнительными коронирующими электродами при зарядном напряжении 100 кВ и скорости нарастания пускового импульса напряжения 100, 200 и 650 кВ/мкс Рис. 8. Диаграммы размаха распределения времени задержки срабатывания разрядника без коронирующих электродов (а) и с дополнительными коронирующими электродами (б) при зарядном напряжении 100 кВ Анализ распределений статистического разброса времени задержки показывает, что закон распределения может отличаться от нормального. Данный вывод, в частности, следует из проверки экспериментальных результатов на ошибку первого рода по критерию согласия Шапиро - Уилка [13]. В качестве примера в таблице приведены значения статистики критерия Шапиро - Уилка при уровне значимости α = 0.05 для эксперименитальных данных на рис. 8. Значение р-квантиля статистики критерия Шапиро - Уилка для p = α = 0.05 в серии из n = 99 независимых наблюдений W = 0.976 [14]. Это значение превышает табличные данные в трех из шести приведенных случаях. Следовательно, для этих случаев нулевая гипотеза о нормальном распределении отклоняется. Расчетные статистики критерия Шапиро - Уилка для p = α = 0.05 Вариант разрядника Скорость нарастания пускового импульса напряжения, кВ/мкс 100 200 650 Без коронного разряда 0.992 0.960 0.975 С коронным разрядом 0.983 0.983 0.972 Заключение Определен джиттер многозазорного разрядника, разработанного в ИСЭ СО РАН, с рабочим напряжением до 100 кВ в воздухе атмосферного давления в зависимости от скорости нарастания пускового импульса и наличия подсветки вспомогательным коронным разрядом. При скорости нарастания пускового импульса 650 кВ/мкс реализуется джиттер менее 1 нс при зарядном напряжении 90-100 кВ. С уменьшением скорости нарастания пускового напряжения время задержки и джиттер разрядника значительно возрастают. Так, при напряжении на разряднике 100 кВ для импульса пускового напряжения со скоростью нарастания ~200 кВ/мкс джиттер превышает 20 нс, а для импульса пускового напряжения со скоростью нарастания ~100 кВ/мкс джиттер превышает 30 нс. Абсолютный разброс времени задержки оказывается соизмеримым с длительностью фронта импульса, формируемого на нагрузке. Выполнено сравнение с джиттером разрядника, в котором добавлены лезвийные электроды, обеспечивающие зажигание коронного разряда в зазорах в процессе зарядки емкостного накопителя. При высокой скорости нарастания импульса пускового напряжения ~ 650 кВ/мкс влияние коронного разряда явно не выражено. Стабилизирующее действие короны проявляется при использовании пусковых импульсов с низкой скоростью нарастания. Так при скорости нарастания пускового импульса ниже 200 кВ/мкс коронный разряд снижает джиттер в 2-3 раза. Показано, что закон распределения времени задержки может отличаться от нормального и, следовательно, использовать только джиттер может быть не достаточным для сравнения стабильности срабатывания разрядника в различных условиях работы или сравнения различных конструкций разрядника.

Ключевые слова

jitter, corona discharge, Multigap multichannel spark switch, стабильность срабатывания, коронный разряд, газовый разрядник высокого давления

Авторы

ФИООрганизацияДополнительноE-mail
Сморудов Григорий ВладимировичИнститут сильноточной электроники СО РАНведущ. электроникsmorudov@mail.ru
Кумпяк Евгений ВалентиновичИнститут сильноточной электроники СО РАНнауч. сотр.kumpyak@oit.hcei.tsc.ru
Жерлицын Андрей АлексеевичИнститут сильноточной электроники СО РАНк.т.н., ведущ. науч. сотр., зав. отделомandzh@oit.hcei.tsc.ru
Всего: 3

Ссылки

Shapiro S.S. and Francia R.S. // J. Am. Stat. Associat. - 1972. - V. 67. - No. 337. - P. 215-216.
ГОСТ Р ИСО 5479-2002. Статистические методы. Проверка отклонения распределения вероятностей от нормального распределения. - М.: Изд-во стандартов, 2002. - 27 с.
Ковальчук Б.М., Кремнев В.В., Поталицын Ю.Ф. Сильноточные наносекундные коммутаторы. - Новосибирск: Наука, 1979. - 176 с.
Мик Дж., Крэгс Дж. Электричекий пробой в газах. - М.: ИЛ, 1960. - 605 с.
Woodworth J.R., Stygar W.A., Bennett L.F., et al. // Phys. Rev. ST Accel. Beams. - 2010. - No. 13(8). - P. 080401.
Woodworth J.R., Alexander J.A., Gruner F.R., et al. // Phys. Rev. ST Accel. Beams. - 2009. - No. 12(6). - P. 060401.
Alexeenko V.M., Mazarakis M.G., Kim A.A., et al. // Phys. Rev. ST Accel. Beams. - 2016. - No. 19. - P. 090401.
Alexeenko V.M., Mazarakis M.G., Kim A.A., et al. // Изв. вузов. Физика. - 2014. - Т. 57. - № 12/2. - С. 5-8.
Leckbee J.J., Maenchen J.E., Johnson D.L., et al. // IEEE Trans. Plasma Sci. - 2006. - V. 34. - No. 5. - P. 1888-1899.
Smith I.D., Bailey V.L., Fockler Jr.J., et al. // IEEE Trans. Plasma Sci. - 2000. - V. 28. - No. 5. - P. 1653-1659.
Ким А.А., Ковальчук Б.М., Кумпяк Е.В., Цой Н.В. // Изв. вузов. Физика. - 1999. - Т. 42. - № 12. - С. 3-8.
Ковальчук Б.М., Визирь В.А., Ким А.А. и др. // Изв. вузов. Физика. - 1997. - Т. 40. - № 12. - С. 25-37.
Smith I.D. // Phys. Rev. ST - Accelerators and Beams. - 2004. - No. 7. - P. 064801.
Лучинский А.В., Ратахин Н.А., Федущак В.Ф., Шепелев А.Н. // Изв. вузов. Физика. - 1997. - Т. 40. - № 12. - С. 67-75.
 Исследование стабильности срабатывания управляемого многозазорного разрядника для емкостных накопителей с зарядным напряжением до 100 кВ и временем вывода энергии порядка 100 нс | Изв. вузов. Физика. 2019. № 7. DOI: 10.17223/00213411/62/7/53

Исследование стабильности срабатывания управляемого многозазорного разрядника для емкостных накопителей с зарядным напряжением до 100 кВ и временем вывода энергии порядка 100 нс | Изв. вузов. Физика. 2019. № 7. DOI: 10.17223/00213411/62/7/53