El concepto de dos nuevos

Scientific Reports volumen 12, Número de artículo: 18176 (2022) Citar este artículo

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Este manuscrito presenta el concepto, el principio de funcionamiento físico y los estudios sobre un nuevo y único fusible de formación de dos etapas (TSFF) con conmutación de chispa entre etapas y presenta su aplicación para formar pulsos de alta potencia de parámetros extremos. El documento clasifica el rendimiento de TSFF y lo compara con los fusibles convencionales de formación de una sola etapa. Las conclusiones están respaldadas por estudios analíticos y experimentales en condiciones de laboratorio. También se presenta el diseño del prototipo TSFF, así como los métodos de medición aplicados y los bancos de pruebas. La tecnología desarrollada del TSFF permite alcanzar parámetros sin precedentes de pulsos de alta potencia con sobretensiones que alcanzan los 800 kV y potencias de pulso de decenas de GW en un diseño muy compacto. Las propiedades únicas del TSFF permiten su integración eficiente con una amplia gama de fuentes de energía, incluso con una pendiente ascendente de corriente muy limitada o un voltaje de salida limitado, lo que no ha sido posible hasta ahora con los fusibles convencionales de formación de una sola etapa. El sistema propuesto se puede escalar fácilmente, al tiempo que garantiza una flexibilidad mucho mayor de las aplicaciones.

En muchos campos de la ciencia y la ingeniería, existe la necesidad de generar pulsos eléctricos de alta potencia con una amplitud significativa de corriente (del orden de cientos de kA) o voltaje (del orden de cientos de kV) y una duración de fracciones de microsegundo1 . Dichos pulsos se utilizan, por ejemplo, para emular procesos físicos con parámetros extremos en condiciones de laboratorio (generadores de picos atmosféricos de voltaje o corriente2,3, sistemas de investigación para plasma o física nuclear, por ejemplo, generadores de plasma X-pinch) o como pulsos que suministran fuentes de radiación electromagnética de alta potencia, generalmente para sistemas de radar4, fuentes de láser pulsado5 o sistemas de energía dirigida6 (sistemas contra drones7,8, sistemas militares9, etc.). Las aplicaciones de fuentes de pulsos de alta potencia a menudo requieren una forma compacta10 para fines de transporte11, o para permitir la instalación en una carcasa pequeña (por ejemplo, en el cuerpo del misil). La generación directa de pulsos de parámetros tan extremos con el uso de una sola etapa de generación es imposible en la práctica, debido a importantes dificultades técnicas (resultantes de esfuerzos eléctricos o electrodinámicos y térmicos de alto voltaje). Al mismo tiempo, las fuentes de pulsos individuales no proporcionan los parámetros de pulso adecuados (en términos de amplitud insuficiente o duración de pulso demasiado larga). Por tanto, en los sistemas reales, la generación de pulsos de alta potencia se realiza de forma indirecta mediante sistemas en cascada (como se muestra en la Fig. 1) en los que cada etapa sucesiva provoca un aumento relativo de la potencia pico del pulso a la vez que reduce su duración12.

Diagrama de bloques del sistema de generación y formación de cascada de pulsos de alta potencia.

Las soluciones de generación de pulsos de alta potencia y circuitos de formación se pueden dividir en sistemas de tipo corriente y tensión, dependiendo de la naturaleza del pulso generado. Las soluciones típicas de los sistemas de tensión son los generadores de Marx13,14,15,16 u otros tipos de sistemas multiplicadores de tensión, a menudo integrados con líneas de formación especiales17,18, por ejemplo, en la topología de Blumlein19,20. En el caso de los generadores de tipo corriente, la solución más utilizada es el generador de compresión de flujo magnético (FCG)21,22, que multiplica el valor de la corriente por compresión explosiva del flujo magnético acoplado al devanado del generador23,24,25. El pulso de salida de corriente FCG se forma en un sistema de formación de pulsos (PFS) para adaptar sus parámetros a los requisitos de carga. La figura 2 muestra el diagrama del concepto de funcionamiento de un PFS basado en fusibles alimentado desde el banco de condensadores. El proceso de formación se basa en el fenómeno de limitación dinámica de la corriente que fluye en la bobina inductiva de formación por el interruptor de apertura extremadamente rápida que genera sobretensiones significativas transmitidas a la carga del sistema. El elemento de conmutación que se usa con más frecuencia es un fusible formador (FF)26,27,28, cuyo principio de funcionamiento se basa en la rápida desintegración de los elementos fusibles (la mayoría de las veces se fabrican en forma de un haz de cables bien conductores o tiras de lámina). ) debido al flujo de corrientes de alta densidad29. En la Ref.30 se presenta una clasificación detallada, una introducción a la tecnología y una lista de parámetros ejemplares de formación de fusibles con el fin de generar pulsos de alta potencia (teniendo en cuenta varias fuentes primarias y sistemas de generación de pulsos).

Diagrama esquemático del sistema de formación de pulsos de alta potencia basado en fusibles alimentado por un banco de capacitores de pulsos: C0—banco de capacitores de pulsos cargado al voltaje U0; T: trigatrón (vía de chispas activada), iF, uF: corriente y voltaje del fusible de formación.

Las cargas típicas, que también constituyen los sistemas de emisión electromagnética, que cooperan con los PFS basados ​​en FF son varios tipos de lámparas pulsadas de microondas de alta potencia10, con mayor frecuencia: sistemas vircator, triodo reflejo, reditrón o híbridos, que debido a diversos efectos electrónicos (p. ej., vibración del plasma de electrones generado por la emisión explosiva de un cátodo expuesto a un campo eléctrico extremo) generan un haz de radiación electromagnética, generalmente en el rango de microondas. Para la generación efectiva de formas cuasi estables de plasma de electrones, es necesario suministrarlas desde fuentes de pulsos (principalmente del tipo de ancho de banda amplio) con una amplitud de voltaje significativa, gran pendiente y alta capacidad de corriente de salida1,22. Por lo tanto, el objetivo de PFS suele ser maximizar los parámetros mencionados anteriormente para cooperar de manera efectiva con la carga. Los FF de una sola etapa para aplicaciones en sistemas de formación de pulsos descritos en la literatura disponible presentan propiedades apropiadas de generación de pulsos de alto voltaje, alcanzando valores desde varias docenas27,31 hasta incluso 400 kV32,33, con pendiente de limitación de corriente simultánea del orden de varias docenas a un poco más de cien kA/μs. Los valores de potencia pico instantáneos logrados de los pulsos generados alcanzan cientos de MW o varios GW. Para aumentar la potencia, la compacidad y la eficiencia de los sistemas de formación y generación de pulsos de alta potencia, es necesario desarrollar una nueva solución FF que vaya más allá de los parámetros limitados logrados hasta ahora.

En la literatura disponible, el criterio considerado hasta ahora de la eficiencia de la generación de pulsos de sobretensión en un PFS basado en fusibles, relacionado con el tipo de mecanismo de desintegración de los elementos fusibles, era el valor máximo de la densidad de corriente jmax en la sección transversal de los elementos fusibles34 ,35. Una extensa investigación sobre el PFS basado en fusibles (los diagramas esquemáticos como en la Fig. 2) ha llevado a la identificación inequívoca de un criterio extendido que determina la eficiencia de la generación de pulsos de alta potencia en el PFS como la pendiente máxima de la densidad de corriente dj/ dtmax en secciones de elementos fusibles. El análisis realizado y sistematizado de los fenómenos que ocurren en los FF en un amplio rango de condiciones de operación ha llevado a cuestionar la posibilidad de incrementar el valor del mencionado criterio (dj/dtmax) en sistemas basados ​​en fusibles por encima de los valores alcanzados lejos, lo que podría brindar una oportunidad para un aumento significativo en la inclinación de la limitación de corriente y, por lo tanto, para la formación de sobretensiones con una amplitud significativamente mayor que en el caso de las soluciones FF convencionales. Es posible aumentar la inclinación de la densidad de corriente del fusible dj/dt en el circuito con la bobina de inducción de formación (Fig. 2) al reducir la sección transversal equivalente de los elementos fusibles (relacionada con el número de elementos paralelos y la sección transversal de un solo cable fusible) o aumentando el voltaje de la fuente forzando el flujo de corriente en el circuito. Sin embargo, la aplicación directa del método anterior limita simultáneamente la inclinación de la pendiente ascendente de corriente en el circuito LC al insertar una resistencia equivalente de fusible significativa y limitar el valor de corriente que precede a la desintegración del fusible, la llamada corriente de prearco ip (debido a un valor menor de la integral de Joule de la operación del fusible36), cuyo valor determina la pendiente de la limitación de corriente a cero por FF. Por otra parte, aumentar la tensión de la fuente que alimenta el flujo de corriente en el PFS está relacionado con la necesidad de utilizar bancos de condensadores con una tensión de operación más alta, lo que en la práctica provoca problemas de aislamiento en la construcción del banco de pruebas, mayor complejidad de los sistemas de precarga de baterías, y reducción significativa de la compacidad y movilidad de este tipo de soluciones.

Este artículo propone un concepto de una solución nueva y original de TSFF con conmutación de vía de chispa entre etapas que permite aumentar la potencia y disminuir el tiempo de duración de los pulsos formados y, por lo tanto, aumentar la pendiente del aumento de densidad de corriente en el PFS. elemento activo, es decir, el FF, con posibilidad simultánea de integrar este tipo de sistemas con fuentes de energía primaria (p. ej., baterías de condensadores) con tensión de salida limitada, o con fuentes de tipo corriente (p. ej., FCG).

Con el uso de un TSFF, es posible aumentar la eficiencia del proceso de formación de pulsos de alta potencia varias veces en comparación con los sistemas convencionales basados ​​en FF de una sola etapa y, por lo tanto, aumentar la amplitud del pulso de voltaje generado al alcance los 800 kV con pendiente de limitación de corriente superior a 300 kA/μs, y simultáneamente limitar su tiempo de duración a décimas o centésimas de μs. Hasta el momento no se han documentado sistemas con tales parámetros que mantendrían alta densidad de potencia, densidad de energía y compacidad de la solución.

El principio de funcionamiento del TSFF (como se muestra en la Fig. 3a) se basa en aumentar la pendiente del aumento de la densidad de corriente en la etapa II, en lo sucesivo denominada etapa de formación, con una sección transversal equivalente relativamente pequeña de los elementos fusibles. , debido a la conmutación de corriente significativa de la etapa I del TSFF, denominada etapa preparatoria, con mayor sección transversal de elementos fusibles. Debido al aumento significativo en la pendiente del aumento de la densidad de corriente en los elementos fusibles de la etapa de formación (incluso en tres órdenes de magnitud en relación con la etapa preparatoria) después de la conmutación, se produce una electroexplosión homogénea de los elementos fusibles de la etapa de formación y el PFS la corriente se limita extremadamente rápidamente, lo que genera una sobretensión significativa en el circuito con la bobina de inducción de formación.

Comparación de la estructura TSFF (a) y FF (b) de una sola etapa.

La estructura del TSFF se presenta de manera simplificada en la Fig. 3a y se compara con un fusible de formación de etapa única convencional que se muestra en la Fig. 3b. Los elementos fusibles de la etapa preparatoria están conectados directamente a los electrodos TSFF. La etapa de formación está conectada en serie con la vía de chispas de conmutación (CSG) y toda la rama está conectada en paralelo a la etapa preparatoria. Los elementos fusibles de ambas etapas se colocan en un compartimento de fusibles y están separados por una barrera aislante que evita la ignición de un arco entre ellos.

El concepto de TSFF está directamente relacionado con el principio de funcionamiento de los sistemas formadores de pulsos, que consiste en aumentar la potencia pico y reducir la duración del pulso en cada etapa sucesiva del sistema. El propósito de la etapa preparatoria del fusible es permitir que la corriente fluya en el PFS formando inductancia en la fase inicial de operación (la etapa de aumento de corriente). Por ello, consta de un gran número de elementos fusibles paralelos de gran sección equivalente n1S1, cuyo valor resulta de la integral de Joule específica que determina el valor máximo de la forma de onda de la corriente. Los elementos fusibles de la etapa de formación, con una sección transversal equivalente más pequeña n2S2, están separados por CSG de la ruta de flujo de corriente primaria en la fase inicial de operación. El proceso de desintegración de los elementos fusibles preparatorios inicia el fenómeno de limitación de corriente y la aparición de sobretensión entre los electrodos CSG, como resultado de lo cual se enciende la descarga y la corriente se conmuta rápidamente a la etapa de formación. La conmutación rápida de corriente de alto valor a la etapa de formación genera flujos de corriente de muy alta densidad y de fuerte aumento en sus elementos fusibles, lo que conduce a su electroexplosión. Al mismo tiempo, durante el intervalo de corriente cero de la etapa preparatoria después de la conmutación de corriente entre etapas (de hecho, una corriente muy pequeña puede fluir a través de la etapa preparatoria en este momento), el proceso de ionización térmica en el canal de plasma, formado después de la desintegración de los elementos fusibles de la etapa preparatoria, se detiene y tiene lugar su desionización parcial. Como resultado, el canal de plasma de la etapa preparatoria puede reconstruir la resistencia eléctrica antes del momento de limitación repentina de corriente a cero por parte de los elementos fusibles de la etapa de formación y la generación de un pulso de sobretensión significativo, que (en FF convencional de una sola etapa) podría provocar el reinicio de la descarga posterior a la desintegración del fusible y hacer ineficaz el proceso de limitación de corriente.

La sección transversal equivalente de los elementos fusibles de la etapa preparatoria debe seleccionarse de modo que su desintegración tenga lugar justo antes de que la forma de onda actual alcance su máximo. Por lo tanto, la selección del número, la sección transversal y la longitud de los elementos fusibles generalmente se basa en el criterio de energía y el criterio integral de Joule, como se presenta en la Ref.30. Sin embargo, debido a la fuerte no linealidad de los fenómenos que ocurren en el TSFF y su influencia en el circuito PFS, este método es aproximado y para determinar efectivamente las condiciones óptimas de operación es necesario utilizar un método experimental. Dado que no es necesario generar sobretensiones muy altas en la etapa preparatoria (que solo debe garantizar el encendido de CSG), es posible alimentar el PFS basado en TSFF desde fuentes que no pueden garantizar alta dinámica de aumento de densidad de corriente, sin impacto significativo en el valor de la sobretensión formada por la etapa de formación. De hecho, es la etapa preparatoria la que en cualquier caso asegura la adecuada y alta dinámica de aumento de la densidad de corriente para los elementos fusibles de la etapa de formación.

La Figura 4 presenta un diagrama esquemático simplificado del PFS con un fusible de formación de dos etapas en dos etapas operativas. En la Fig. 5 se muestran formas de onda típicas e idealizadas de cantidades eléctricas, es decir, corrientes y voltajes TSFF en PFS.

Diagrama esquemático del PFS basado en TSFF durante la operación en la fase preparatoria (a) y en la fase de formación de pulso después de la conmutación entre etapas (b): C0—banco de capacitores de pulso con voltaje uc, T—trigatron (gap de chispas disparado), L: inductancia de formación, DPC: canal de plasma desionizante, iF, uF: corriente y voltaje del fusible, i1, i2: corriente de etapa preparatoria y de formación.

Formas de onda idealizadas de cantidades eléctricas durante la operación TSFF, con valores característicos marcados (símbolos de acuerdo con la Fig. 4 y el texto descriptivo). Dibujo ilustrativo no a escala.

El proceso de operación del TSFF se puede dividir en cuatro fases:

Corriente ascendiendo por la etapa preparatoria hasta su desintegración, y generando una sobretensión inicial para el encendido de la descarga del CSG.

Conmutación de corriente de la etapa preparatoria a la etapa de formación después de la desintegración de los elementos fusibles de la etapa preparatoria.

Flujo de corriente a través de la etapa de formación con recuperación simultánea de la fuerza eléctrica de un canal de plasma formado después de la desintegración de los elementos fusibles de la etapa preparatoria (intervalo de corriente cero).

Limitación rápida de la corriente por electroexplosión de los elementos fusibles de la etapa de formación. Generación de sobretensiones importantes en la bobina de formación.

La Figura 6 presenta un modelo de circuito PFS simplificado basado en TSFF, que incluye elementos periféricos agrupados que representan ambas etapas del fusible, sobre cuya base es posible analizar el funcionamiento del sistema.

Modelo de circuito agrupado PFS basado en TSFF simplificado (consulte el texto descriptivo para obtener una explicación de los símbolos).

Al igual que en el diseño FF de etapa única, la fase 1 de la operación TSFF comienza en el momento del inicio del flujo de corriente desde la fuente (banco de capacitores o FCG) en el circuito de formación, como se muestra en la Fig. 6. En la fase inicial, el total La corriente de fusible iF fluye completamente a través de los elementos de la etapa preparatoria i1, provocando un aumento en su energía interna, temperatura y, como resultado, resistencia. Hasta que los elementos fusibles de la etapa preparatoria alcancen el nivel de energía interna necesaria para iniciar el proceso de su fusión (en el tiempo th) y desintegración (lo que limita la corriente en comparación con la corriente de descarga esperada del banco de condensadores iexp), TSFF tiene las características de un FF de una sola etapa debido a la separación galvánica de la etapa de formación por CSG. En el momento de inicio del proceso de desintegración de los elementos fusibles de la etapa preparatoria, su resistencia equivalente aumenta rápidamente y, en consecuencia, la caída de tensión en la etapa preparatoria TSFF aumenta hasta alcanzar la tensión de encendido CSG USGI. Debido a un aumento significativo en la resistencia de los elementos de la etapa preparatoria, la caída de voltaje en el CSG es principalmente resistiva. Así, en la fase 1 de funcionamiento TSFF, la caída de tensión en el CSG resulta directamente del estado de los elementos fusibles de la etapa preparatoria y está determinada por la relación (1).

donde RS1, LS1 resistencia e inductancia de la etapa preparatoria.

Tan pronto como la caída de voltaje en el CSG alcanza el valor estructuralmente determinado del voltaje de encendido del espacio de chispas en el momento tc', comienza la conmutación de la corriente a la etapa de formación. Como resultado del fenómeno iniciado de desintegración de los elementos fusibles de la etapa preparatoria, la corriente que fluye en el circuito se limita hasta cierto punto. El factor de limitación γi, definido como la relación de la corriente conmutada a la etapa de formación Ic referida al valor máximo de la corriente de la etapa preparatoria Imax (2), resulta de la tensión de encendido USGI a la que se conmuta la corriente y está relacionado con la estado de los elementos fusibles de la etapa preparatoria en el momento en que se enciende el CSG.

donde Imax valor máximo de la corriente de la etapa preparatoria TSFF.

En el momento tc' del encendido del CSG, comienza la conmutación de la corriente desde la etapa preparatoria a la etapa de formación debido al valor mucho más bajo de la resistencia equivalente de los elementos fusibles "fríos" de la etapa de formación. Al comienzo del proceso de conmutación, los elementos fusibles de la etapa de formación tienen una temperatura ambiente, a diferencia de la columna de plasma (de alta resistencia) formada después de la desintegración de los elementos fusibles de la etapa preparatoria.

La dinámica del proceso de conmutación de corriente entre etapas en el intervalo de tiempo tc' a tc'' se puede describir mediante la ecuación. (3) con condiciones iniciales aproximadas (4). El modelo periférico presentado, a los efectos del análisis cualitativo de los procesos que tienen lugar durante la operación de TSFF, se ha simplificado y limitado a los elementos principales, sin tener en cuenta los elementos parásitos menores de TSFF. En la práctica, las constantes de tiempo (del orden de ps) resultantes de la existencia de, por ejemplo, capacidades distribuidas de estructuras TSFF y rutas de corriente son imperceptibles desde la perspectiva de las constantes de tiempo de escala ns relativamente "larga" de termoeléctrico y termo-magneto- procesos hidrodinámicos.

Se puede suponer que durante la conmutación no hay un aumento significativo en la resistencia de los elementos de la etapa de formación, por lo que RS2 ≈ const. mientras continúa el aumento de la resistencia RS1, por lo tanto, el valor de la inductancia de la etapa de preparación del fusible LS1 es despreciable. En tan poco tiempo, el voltaje a través del capacitor fuente uC permanece constante. Después de la ignición del arco en CSG, la caída de voltaje uCSG también es despreciable y no afecta el proceso de conmutación.

donde L formando inductancia, RS2, LS2 formando etapa de resistencia e inductancia.

Además de los parámetros del circuito de conmutación, los parámetros clave que determinan la dinámica de la conmutación entre etapas y que resultan de las condiciones iniciales del proceso de conmutación son el voltaje de encendido USGI del espacio de chispa de conmutación y la inductancia de la etapa de formación del fusible. Teniendo en cuenta este hecho y que la densidad de corriente en los elementos fusibles disminuye a medida que aumenta el número de elementos paralelos, se puede concluir que existe un cierto número óptimo de elementos fusibles de la etapa de formación en relación con la etapa preparatoria. Se están realizando estudios de optimización para determinar los parámetros operativos óptimos del TSFF. Debido a la no linealidad significativa de la ecuación. (3) parámetros, la solución se puede determinar numéricamente usando, por ejemplo, el modelo resistivo del fusible formador, como en Ref.30 o Ref.12.

El proceso de conmutación de corriente desde la etapa preparatoria a la de formación finaliza en el tiempo tc'' en el que toda la corriente del fusible fluye a través de la etapa de formación, iF = i2. A partir de ahora (fase 3 de funcionamiento TSFF), durante un breve tiempo necesario para aumentar la energía interna de los elementos fusibles de la etapa de formación, la tensión uF en el fusible alcanza un pequeño valor resultante de la caída de tensión en su resistencia inicial equivalente (resistencia de los elementos a una temperatura cercana a la ambiente). Dependiendo del número de elementos fusibles de la etapa de formación y del valor del voltaje uC remanente en la capacitancia C0, es posible notar un aumento, asentamiento o disminución temporal del valor de la corriente del fusible, de acuerdo con la Ec. (5).

Independientemente de la conmutación de la corriente desde la etapa preparatoria a la de formación, el proceso de desintegración de los elementos fusibles de la etapa preparatoria no se detiene. Después de que la corriente se conmuta a la etapa de formación, una mayor expansión radial del canal de plasma en la etapa preparatoria (lo que da como resultado un aumento en el diámetro de la columna de plasma) y su desionización intensiva en condiciones sin corriente (intervalo de corriente cero) tener lugar, aumentando así aún más la resistencia equivalente RS1.

Una vez que los elementos fusibles de la etapa de formación han alcanzado la energía interna necesaria en el tiempo de prearco tp, la corriente se limita rápidamente a cero por electroexplosión de los elementos fusibles de la etapa de formación y se produce una sobretensión de valor extremo Umax en el fusible. Una sobretensión tan alta es posible debido a las siguientes características de los elementos de la etapa de formación:

Un valor y una inclinación mucho mayores del aumento de la densidad de corriente en los elementos fusibles de la etapa de formación (debido a su sección transversal equivalente más pequeña) conduce a su dinámica de desintegración más alta, es decir, asegura una expansión radial más rápida de la columna de plasma, como resultado de lo cual la resistencia del canal equivalente también aumenta más rápido.

Los elementos fusibles de la etapa de formación pueden tener una longitud mucho mayor que los de la etapa preparatoria, por lo que pueden desintegrarse con la separación de un mayor número de arcos elementales, es decir, a un mayor valor de tensión de la columna multiarco. .

Debido a la menor sección transversal equivalente de los elementos fusibles de la etapa de formación, el canal de plasma creado como resultado de su rápida electro-explosión tiene una menor densidad de portadores de carga libres, por lo que su resistencia equivalente es mayor y su proceso de desionización se produce con mayor rapidez. dinámica.

Durante el proceso de limitación de corriente final, el voltaje de la etapa de formación también aparece en la columna de plasma de la etapa preparatoria, que durante el intervalo de corriente cero tp - tc'' pudo restaurar libremente la fuerza de recuperación eléctrica. Debido a los niveles extremos de sobretensiones generadas y al aumento mucho más rápido de la resistencia equivalente en la etapa de formación del fusible, la corriente de fuga de retorno comienza a fluir a través de la columna de plasma de la etapa preparatoria, alcanzando el valor máximo Ir y, al conducir parcialmente la corriente limitada por los elementos fusibles de la etapa de formación, puede provocar cierta reducción de la sobretensión generada. Debido al estado de desionización profunda de su canal de plasma, junto con la selección adecuada de los parámetros del fusible, la corriente de retorno de la etapa preparatoria no conduce a su reionización, lo que da como resultado una limitación de corriente efectiva a cero en el tiempo toff.

Sin embargo, si el intervalo de corriente cero de la etapa preparatoria es demasiado corto, es posible volver a ionizar el canal de plasma aún desionizante, como resultado de lo cual la corriente de seguimiento de alto valor (descargando la energía restante en el banco de condensadores) puede fluir En ese caso, la limitación de corriente y el proceso de formación de impulsos pueden resultar ineficaces.

Por lo tanto, es necesario minimizar el valor de la corriente de retorno Ir mediante la selección adecuada de las secciones transversales n1S1 de la etapa preparatoria y n2S2 de la etapa de formación, junto con el valor de la tensión de encendido CSG USGI, asegurando la longitud adecuada de los elementos de la etapa de formación y proporcionando un tiempo de desionización suficientemente largo tp - tc'' del canal de plasma de la etapa preparatoria. Todo el proceso de limitación de corriente en el intervalo toff − tp debe completarse lo antes posible para maximizar la eficiencia del proceso de formación de pulsos.

Un fusible de formación de dos etapas, en términos de principio y eficacia, tiene propiedades que son imposibles de lograr en un FF de una sola etapa de cualquier diseño. En el caso de un FF de una etapa, durante la fase inicial de operación, los elementos fusibles deben garantizar la posibilidad de que la corriente de la inductancia de formación aumente a un valor específico, a menudo grande (del orden de cientos de kA e incluso MA24) . Por lo tanto, deben tener una resistencia de conducción muy baja y proporcionar el mayor valor posible de la integral de Joule de prearco I2tp, que es la medida de la densidad de energía aplicada a los elementos fusibles, determinada por el tipo de material fusible y el cuadrado de el producto de la sección transversal S y el número de elementos fusibles n, según (6).

donde: constante de KM Meyer o integral específica del material fusible (para cobre: ​​KMCu ≈ (1,2 ÷ 1,4)‧1017 A2s/m4, o plata: KMag ≈ (0,8 ÷ 1)‧1017 A2s/m4)37.

Vale la pena mencionar que la constante de Meyer KM en condiciones de calentamiento rápido de elementos fusibles en FF asociado con una pendiente significativa del crecimiento de la densidad de corriente del fusible dj/dt puede alcanzar valores ligeramente superiores29,38 a los valores de diseño adoptados en la literatura.

La resistencia equivalente del fusible es proporcional a la longitud de los elementos fusibles e inversamente proporcional a su sección transversal equivalente. Para obtener una corriente PFS suficientemente alta, es necesario minimizar la resistencia del fusible en el estado de conducción minimizando la longitud y maximizando la sección transversal y el número de elementos fusibles.

Por otro lado, después de alcanzar el valor máximo por la corriente PFS, debe reducirse rápidamente a cero, por lo que la resistencia del fusible debe alcanzar el valor más alto posible en el menor tiempo posible (que está determinado por el mecanismo de desintegración del fusible29,39) . Uno de los factores clave que determinan el tipo de mecanismo de desintegración de los elementos fusibles es el valor máximo de la densidad de corriente jmax y la inclinación del aumento de la densidad de corriente dj/dt. Debido a las condiciones antes mencionadas, en la segunda fase de operación FF (es decir, la fase de limitación de corriente), para obtener la mayor dinámica posible del proceso de limitación de corriente a cero y la recuperación más rápida posible de la fuerza eléctrica, se deben esforzar hecho para minimizar la sección transversal y el número de elementos fusibles paralelos y para maximizar su longitud.

Los criterios anteriores para la selección de elementos fusibles, que deciden sobre la efectividad de la formación de pulsos por parte de FF, son opuestos. Por lo tanto, la selección de un número, sección transversal y longitud apropiados de elementos FF de una etapa no puede garantizar las condiciones óptimas de operación del fusible en el PFS. Al mismo tiempo, el diseño de TSFF permite el ajuste funcional de los elementos fusibles en ambas etapas del fusible (etapa de preparación y formación) a las condiciones de operación en el momento del aumento de corriente y el momento de apagarlo. Ambas etapas fusibles TSFF tienen el número, la sección y la longitud de los elementos fusibles adaptados a las fases de funcionamiento en PFS, es decir, un número significativo de elementos de etapa preparatoria con mayor sección y longitud limitada aseguran la posibilidad de aumentar la corriente en el La inductancia de formación de PFS al valor más alto posible, mientras que un pequeño número de elementos de formación con un diámetro más pequeño y una mayor longitud garantiza una limitación de corriente rápida y, en consecuencia, una eficiencia mucho mayor del proceso de generación de pulsos. Debido al valor incomparablemente más alto de la densidad de corriente y la pendiente de su ascenso en los elementos fusibles de la etapa de formación, en comparación con la etapa preparatoria, su desintegración tiene una naturaleza de explosión homogénea de acuerdo con el criterio (7)38,40,41.

donde tr tiempo para la desintegración del fusible, τI constante de tiempo del desarrollo de inestabilidades superficiales e internas en el elemento fusible, que se puede estimar utilizando (8)42,43, aproximadamente independiente de la longitud y geometría de bobinado de los elementos fusibles.

donde ρ densidad del material fusible, μ0 permeabilidad magnética al vacío absoluto, jmáx valor máximo de la densidad de corriente del elemento fusible en el momento anterior a la desintegración.

Para los valores de corrientes y tiempos considerados en este trabajo, la constante de tiempo τI del desarrollo de inestabilidades superficiales e internas alcanza valores que van desde cientos de ns hasta un solo μs. Por lo tanto, para asegurar la naturaleza homogénea de la explosión de los elementos fusibles, el tiempo hasta su desintegración debe ser más corto que τI. El proceso de desintegración electroexplosiva de elementos fusibles en condiciones de fuerte aumento de la densidad de corriente con el aislamiento de los arcos elementales (desintegración estriada del cable fusible debido a fuerzas electrodinámicas y termodinámicas29,39), acompañado de formación de canales de plasma y desionización, es se muestra en la Fig. 7.

Dibujo esquemático del proceso de desintegración estriada electroexplosiva del elemento fusible en condiciones de una pendiente de densidad de corriente significativa.

El diseño del TSFF es una combinación de dos fusibles FF de una sola etapa con características adaptadas a las dos fases de operación del fusible. Los elementos de la etapa de formación tienen una sección transversal equivalente n2S2 mucho más pequeña y una longitud l2 mayor, en comparación con la etapa preparatoria, lo que se expresa mediante las relaciones (9). Puede ser posible aumentar la longitud de los elementos fusibles de la etapa de formación, mientras se mantienen las dimensiones generales especificadas de la cámara del fusible TSFF, enrollando en espiral los elementos o enrollando a lo largo de una cadena poligonal sobre soportes aislantes, como se muestra en la Fig. 3a.

Si es necesario alcanzar el valor de la integral Joule TSFF equivalente a un FF de una etapa, se reduce el número de elementos paralelos de la etapa preparatoria en relación con el FF de una etapa y el déficit resultante se compensa con el valor de la integral Joule de los elementos de la etapa de formación.

Debido a la pendiente significativamente mayor del aumento de la densidad de corriente dj/dt en los elementos fusibles de la etapa de formación, es necesario utilizar un alambre de bobinado con un diámetro correspondientemente menor para limitar el fenómeno de la difusión del campo magnético dentro del conductor. Un diámetro demasiado grande de los elementos fusibles en combinación con un tiempo de conmutación entre etapas lo suficientemente corto puede dar como resultado un calentamiento superficial no homogéneo y una explosión ablativa del elemento fusible29, que ocurre cuando el tiempo necesario para evaporar todo el material fusible es mucho más corto que el electromagneto. constante de tiempo térmico de la difusión de densidad de corriente radial hacia el interior del elemento fusible.

Debido al fenómeno de difusión de corriente y a la velocidad de difusión térmica limitada (muchos órdenes de magnitud menor), la evaporación del material fusible durante la explosión ablativa ocurre inicialmente solo en la superficie del conductor, a menudo incluso antes de que el núcleo del elemento fusible alcance el estado líquido. El proceso de este tipo tiene lugar en conductores de diámetro considerable en relación con la profundidad de la piel de penetración de corriente sometidos al flujo de corrientes de considerable densidad y alta dinámica. La explosión ablativa de un conductor es mucho menos dinámica que la explosión homogénea, por lo que en el caso de FF es un fenómeno indeseable y el riesgo de que ocurra debe limitarse mediante el uso de elementos fusibles de un diámetro convenientemente pequeño.

Para visualizar el efecto del diámetro del elemento fusible en la distribución interna de la densidad de corriente, se realizaron simulaciones numéricas del flujo de corriente en elementos conductores del compartimiento de fusibles (Fig. 8) compuesto por 24 fusibles paralelos con diámetros de 0,25 mm y 0,125 mm se han simulado en el estado transitorio como respuesta a una corriente forzada con una inclinación lineal significativa (superior a 100 kA/μs en un solo fusible). Las pruebas de simulación se realizaron en el dominio del tiempo utilizando el método de los elementos finitos (basado en la difusión magnetotérmica y las ecuaciones de Maxwell y teniendo en cuenta el acoplamiento de los campos electromagnético y térmico) en el entorno informático CST Studio 202244.

Modelo discretizado del interior del compartimento portafusibles formado por 24 elementos fusibles paralelos (300 mm de largo y 0,25 mm o 0,125 mm de diámetro).

Las Figuras 9 y 10 presentan distribuciones visualizadas del valor absoluto de la densidad de corriente j en la sección transversal de un solo elemento fusible con un diámetro de 0,25 mm y 0,125 mm, respectivamente, en momentos seleccionados de aumento de corriente.

Visualización de la distribución dinámica de la densidad de corriente en la sección transversal de un elemento fusible de plata con un diámetro de 0,25 mm durante el flujo de corriente con una pendiente significativa.

Visualización de la distribución dinámica de la densidad de corriente en la sección transversal de un elemento fusible de plata con un diámetro de 0,125 mm durante el flujo de corriente con una pendiente significativa.

Las Figuras 9 y 10 muestran que, de acuerdo con los supuestos, la influencia del diámetro del elemento fusible en la distribución de la densidad de corriente es un factor que debe tenerse en cuenta en el caso de pulsos de corriente con una pendiente ascendente significativa (como en el caso de conmutación entre etapas). La distribución desigual de la densidad de corriente puede cambiar la naturaleza del proceso de desintegración del fusible y deteriorar las propiedades de generación de PFS. Es por ello que en la etapa de formación del TSFF se deben utilizar elementos fusibles hechos de un alambre de menor diámetro que el de la etapa preparatoria.

Sobre la base de las curvas de corriente TSFF representativas (Fig. 5), es posible desarrollar dependencias aproximadas que determinan los valores de las integrales de Joule para la etapa preparatoria I2t1 y la etapa de formación I2t2 según (10) y (11), respectivamente. Para simplificar, se asumió una forma de onda triangular de corriente i1 y una forma de onda trapezoidal de i2. Se adoptaron designaciones consistentes con la Fig. 5.

donde γi factor de limitación de corriente, definido como (2), t2AV tiempo promedio del flujo de corriente a través de los elementos de la etapa de formación definidos como (12).

donde toff limitación de corriente a tiempo cero. Se adoptaron las designaciones de acuerdo con la Fig. 5.

Con base en la Fig. 5, también es posible determinar los valores promedio aproximados de la pendiente del aumento de la densidad de corriente en los elementos fusibles de la etapa preparatoria dj1/dtAV y la etapa de formación dj2/dtAV, Eqs. (13) y (14), respectivamente.

La relación entre la inclinación de la dinámica de la densidad de corriente de la etapa de formación y la etapa preparatoria se puede determinar a partir de la ecuación. (15).

Sobre la base de las Ecs. (10) y (11), es posible determinar los tiempos de flujo de corriente a través de los elementos fusibles tc'' y t2AV, y simplificar la Ec. (15) a una forma que depende únicamente de la relación de las secciones transversales equivalentes de los elementos de la etapa preparatoria y de formación (16). Cabe señalar que la constante de Meyer KM (6) puede tener diferentes valores para diferentes inclinaciones de la densidad de corriente dj/dt, pero en el rango de variabilidad está limitada hacia arriba por el doble de su valor inicial29,38.

El valor real del factor de limitación de corriente γi está en el rango de 0,5 a 1 y depende principalmente del voltaje de encendido USGI del CSG. Se puede concluir que para desintegrar los fusibles de la etapa de formación con una explosión rápida, se debe maximizar el valor del criterio (16). El criterio (16) es de naturaleza altamente no lineal (en potencia de 3), lo que garantiza un aumento significativo en la pendiente del aumento de la densidad de corriente en los elementos fusibles de la etapa de formación. Por lo tanto, es posible integrar TSFF con fuentes de energía y PFS con dinámicas de corriente relativamente bajas (p. ej., FCG o banco de supercondensadores) sin un deterioro significativo del proceso de formación de pulsos. La desintegración rápida de la etapa de formación (relacionada con la pendiente significativa del aumento de la densidad de corriente) puede obtenerse mediante la selección apropiada de secciones transversales equivalentes de los elementos fusibles de la etapa de formación en relación con los preparatorios.

La relación n1S1/n2S2 de las secciones transversales efectivas de los elementos fusibles también afecta el tiempo de desionización del canal de plasma en la etapa preparatoria durante el estado de corriente cero después de la conmutación de corriente a la etapa de formación. Este tiempo de desionización, igual al tiempo promedio t2AV del flujo de corriente a través de los elementos de la etapa de formación, se puede determinar con cierta aproximación a partir de la ecuación. (17).

donde κ = UC0/L pendiente de corriente promedio aproximada en el circuito PFS dependiendo del voltaje de capacitancia inicial UC0 y la inductancia de formación L bajo las condiciones de suministro de TSFF desde el banco de capacitores pulsados. En el caso de la cooperación de TSFF con FCG, la pendiente del aumento actual depende principalmente del diseño de FCG.

En el caso de plasma de alta densidad formado tras la desintegración de elementos fusibles, la desionización se produce como resultado de la recombinación de portadores de carga, es decir, electrones e iones. La desionización del canal de plasma depende en gran medida de las condiciones de refrigeración y de la posibilidad de expansión del canal de plasma. Debido a los tiempos de desionización considerados al nivel de cientos de ns, el único mecanismo efectivo para enfriar el canal de plasma formado después de la desintegración de los elementos fusibles es la radiación, la cual está limitada debido a las condiciones de alta temperatura en la cámara del fusible. Por lo tanto, el factor dominante que provoca una rápida desionización y el aumento de la resistencia equivalente del canal de plasma es la expansión radial del plasma45,46,47,48, desarrollándose con una velocidad específica resultante de la dinámica de la electroexplosión del fusible. Este fenómeno provoca una reducción significativa de la densidad de portadores de carga libres en el canal de plasma en función del tiempo. Por lo tanto, cuanto mayor sea la dinámica de desintegración de los elementos fusibles, mayor será la velocidad de desionización posterior del canal de plasma.

Las pruebas preliminares de laboratorio han indicado que, junto con el impacto obvio en la dinámica de la desintegración misma, el diámetro del alambre de los elementos fusibles de la etapa de formación también puede tener un impacto directo en la dinámica de expansión radial del canal de plasma en el tiempo posterior el inicio del proceso de desintegración. Para elementos de menor diámetro, la velocidad de recuperación de la resistencia eléctrica del aislamiento del canal es mayor que para elementos de mayor diámetro (manteniendo las mismas secciones equivalentes, y cumpliendo el criterio de calentamiento homogéneo por efecto piel). La investigación sobre un modelo cualitativo de este fenómeno está en curso.

La desintegración prematura de los elementos fusibles de la etapa de formación en relación con el comienzo de la conmutación de corriente disminuye el intervalo de tiempo de corriente cero necesario para restaurar la resistencia eléctrica del canal de plasma de la etapa preparatoria. En este caso, cuando no se asegura la posibilidad de un aumento adecuado de la resistencia equivalente RS1, la aparición de una sobretensión importante tras la electroexplosión de los elementos de la etapa de formación hace que el flujo de corriente de retorno pueda volver a producirse en el ramal de la etapa preparatoria. . La amplitud de esta corriente está relacionada con la duración del intervalo de tiempo de corriente cero t2AV. El flujo de la corriente de retorno hace que la energía interna del canal de plasma de la etapa preparatoria aumente nuevamente. Si se excede el valor crítico de la energía interna relacionada con la energía de ionización térmica del canal, el arco puede volver a encenderse y la corriente de seguimiento puede fluir.

En un FF de una sola etapa, en el que no se produce el intervalo de corriente cero, el canal de plasma resultante de la desintegración de baja dinámica de los elementos fusibles tiene una posibilidad limitada de restaurar la fuerza de recuperación eléctrica debido al suministro continuo de energía térmica desde el corriente limitada En consecuencia, en comparación con TSFF, existe una probabilidad mucho mayor de que el arco se vuelva a encender después de limitar la corriente a cero (o durante el proceso de limitación, en la pendiente descendente de la corriente).

En la Tabla 1 se presenta un resumen de las principales características y propiedades de TSFF en comparación con FF de una sola etapa.

En resumen, se puede afirmar que, debido a sus características físicas, el fusible de formación de dos etapas con conmutación de chispa proporciona parámetros operativos de formación de pulsos de alta potencia mucho mejores en una amplia gama de condiciones de corriente-voltaje, en comparación con el FF de una etapa. soluciones

Para verificar el concepto TSFF, se ha desarrollado y fabricado un modelo de laboratorio, así como se han realizado una serie de pruebas de laboratorio en el PFS propuesto alimentado desde un banco de condensadores de pulso. El objetivo de la investigación experimental fue confirmar las propiedades del TSFF determinadas sobre la base del análisis teórico, así como corregir algunas soluciones de diseño.

Las fotografías del modelo TSFF mostrando su estructura y elementos característicos se muestran en la Fig. 11.

Fotografías del modelo de laboratorio TSFF: vista lateral de la etapa de formación y chispa de conmutación (a) y un perfil con una vista de cerca de la estructura de la chispa de conmutación (b): 1—sistema de montaje rápido para elementos fusibles, 2—elementos fusibles de la etapa de formación, 3—soportes aislantes, 4—tabique aislante del compartimiento de fusibles, 5—electrodo ajustable CSG, 6—aislante de buje y soporte para montaje interno inferior de elementos fusibles, 7—jaula externa de fusibles con transductor de medida de corriente integrado para medir los componentes de corriente del fusible, 8—tubo aislante del compartimiento del fusible, 9—accesorio del fusible externo, 10—elementos fusibles de la etapa preparatoria, 11—accesorios internos inferiores con ganchos, 12—sello de gas del compartimiento del fusible, 13—corriente de pulso de banda ancha transductor de medida La ruta de flujo de corriente aproximada de la etapa preparatoria está marcada con flechas rojas, mientras que las flechas azules indican la ruta de flujo de corriente de la etapa de formación.

La estructura de soporte de los elementos fusibles se ha realizado en configuración plana, es decir, ambas etapas del FF están separadas por una barrera aislante en forma de placa de material polioximetileno. Los elementos de la etapa preparatoria (con una longitud de 320 mm) están suspendidos en un lado de la barrera (como se muestra en la Fig. 11), entre los electrodos internos de la cámara FF. La placa de barrera aislante soporta los elementos de la etapa de formación sobre las varillas aislantes, lo que permite montar un bobinado de tipo poligonal de alambres de plata. La estructura de soporte con elementos fusibles se coloca en el compartimento de fusibles en forma de tubo de poliamida con dos accesorios externos fijados en sus extremos. El uso de barras de soporte aislantes y bobinado de tipo poligonal de los elementos fusibles de la etapa de formación permite aumentar su longitud a l2 = 430 mm. Cuando se utiliza un método de bobinado helicoidal o poligonal, los elementos fusibles de la misma etapa (preparatoria o de formación) se colocan de tal manera que aseguren un gradiente de potencial uniforme (durante el proceso de desintegración) a lo largo de su longitud, lo que significa que dos cualesquiera se cierran. Los puntos entre sí a lo largo de los cables fusibles tienen un potencial similar. Este procedimiento se utiliza para limitar la probabilidad de ignición de las descargas entre los elementos fusibles. Por otro lado, debido a la posibilidad de perturbaciones en la estructura del cable fusible (que fue calibrado adicionalmente en la etapa de producción), pueden ocurrir ligeras diferencias de potencial. Por lo tanto, los elementos fusibles deben estar separados entre sí. El estudio asumió con éxito una distancia mínima de 5 mm. Con el método propuesto de devanado de elementos fusibles (que se muestra en la Fig. 11a), el número máximo de elementos de la etapa preparatoria de este modelo de laboratorio TSFF en particular es igual a n1max = 10, mientras que para la etapa de formación n2max = 6. La Figura 11b presenta un diseño simplificado del espacio de chispas de conmutación TSFF que tiene la forma de un cátodo de cobre y un ánodo de aluminio de forma adecuada. El montaje adecuado del electrodo de cobre ha hecho posible ajustar la distancia entre los electrodos de vía de chispas y, como resultado, ajustar la tensión de encendido USGI en el rango de 50 kV a aprox. 180 kV. El valor mínimo de la tensión de encendido USGI ciertamente no debe ser inferior a la tensión de alimentación del circuito PFS (como en el caso del artículo presentado: 10 kV). Si no se alcanza el USGI en la etapa preparatoria, no se producirá ninguna conmutación y TSFF se comportará como un FF de etapa única con los parámetros de la etapa preparatoria. En el caso de que la ignición del CSG tenga lugar demasiado pronto, es decir, antes de que se desintegren los elementos fusibles de la etapa preparatoria, los elementos fusibles de ambas etapas se desintegrarán aproximadamente en forma paralela en el tiempo y los parámetros logrados también serán comparables a los de una sola etapa. FF.

Para medir por separado los componentes relevantes de la corriente TSFF (corriente de etapa preparatoria i1 y corriente de etapa de formación i2), se ha instalado un divisor de corriente concéntrico apropiado en la parte inferior del modelo. La ruta interna de este divisor conduce solo el componente de corriente de la etapa preparatoria (mediante el uso de un casquillo aislante dentro de la cámara del fusible), mientras que la ruta externa (jaula de corriente) conduce solo la corriente de la etapa de formación. La Figura 11b muestra las rutas de flujo de los respectivos componentes de corriente del fusible. En caso de no disponer de un transductor de corriente con rango de medida adecuado, la solución geométrica propuesta permite ampliar el rango de medida de corriente utilizando la topología del divisor de corriente junto con un método de compensación de medida adecuado49.

Además de los parámetros del circuito PFS en el que se instala el FF, la eficiencia de la formación de pulsos de alta potencia basada en fusibles está influenciada por muchos factores de diseño del fusible, que incluyen:

sección transversal y geometría de un solo elemento fusible, y el número de elementos paralelos,

longitud de los elementos fusibles,

propiedades materiales de los elementos fusibles,

tipo y presión del medio (gas aislante) que llena el compartimiento del fusible.

La selección óptima de los parámetros FF anteriores para garantizar la eficacia adecuada del proceso de formación de pulsos es un problema del análisis multicriterio no lineal y no es el objetivo de este documento. Se está trabajando en una especificación detallada del impacto de los parámetros operativos seleccionados de TSFF en el proceso de formación de pulsos.

Las pruebas de laboratorio del TSFF se han realizado en un PFS de laboratorio alimentado por la batería de condensadores de pulsos. El sistema de formación se probó en condiciones sin carga para no introducir parámetros adicionales que pudieran afectar el funcionamiento del TSFF y para facilitar la comparación con otros PFS descritos en la literatura.

El banco de pruebas de laboratorio incluye una fuente de energía en forma de banco de capacitores con capacidad de C0 = 200 µF y baja inductancia parásita interna (menos de 100 nH, el valor estimado al medir la forma de onda de la corriente de cortocircuito), precargada para UC0 = 10 kV. Otros elementos del PFS incluyen un trigatron T (vía de chispas activada eléctricamente), una bobina de formación sin núcleo (FC) con una inductancia L = 2,2 µH y el modelo TSFF. El diagrama esquemático del banco de pruebas se presenta en la Fig. 12 y las fotografías del banco en la Fig. 13.

Diagrama esquemático del banco de pruebas de laboratorio PFS basado en TSFF: C0 = 200 μF: batería de capacitores de pulso cargados al voltaje inicial UC0 = 10 kV, T trigatron, L = 2,8 μH: inductancia de formación, divisor de voltaje de pulso VD, corriente de pulso PCM Pearson monitor, pila de diodos de alto voltaje HV-D; Sistema de carga de alto voltaje HVCS, generador de impulsos de activación TPG, fibra óptica OF, capacitores de acoplamiento de alto voltaje Ccoup, i1, corriente isum de la etapa preparatoria y corriente total del fusible, voltaje uF a través del fusible.

Fotografías del banco de pruebas de laboratorio PFS basado en TSFF alimentado por una batería de condensadores de pulso. Designaciones según la Fig. 12.

El voltaje TSFF se midió utilizando un divisor de voltaje de pulso resistivo VD con un ancho de banda de frecuencia de CC a aprox. 10 MHz fabricado, probado y verificado en la Universidad Tecnológica de Gdansk. La medición de las corrientes que fluyen en etapas individuales de TSFF se realizó con el uso de transductores de corriente Pearson de banda ancha50 con rangos y bandas de medición apropiados, es decir, monitores de corriente Pearson modelo 5624 (20 MHz, 20 kA) y modelo 4191 (7 MHz, 50 kA). Para permitir la medición de los componentes de corriente en ambas etapas del TSFF, se instaló en la parte inferior de la cámara del fusible un casquillo aislante que conducía la corriente de la etapa preparatoria del TSFF a través del accesorio del fusible inferior y se conectó a la ruta de corriente externa tipo jaula exterior. el compartimento de fusibles. De esta manera, tanto la corriente total TSFF como la corriente de la etapa preparatoria se pudieron medir durante las pruebas. Las formas de onda de corriente de la etapa de formación se determinaron numéricamente como la diferencia entre los dos componentes medidos. Las señales de todos los transductores de medida, es decir, transductores de corriente y divisores de tensión, se registraron con osciloscopios independientes y con aislamiento galvánico (clase Tektronix MSO58, DPO4104 y DPO 4054 o superior) debido a la aparición de diferencias de potencial entre las partes del circuito en las que se encuentran. fueron instalados y para minimizar la diafonía entre los canales del osciloscopio.

Las Figuras 14, 15 y 16 presentan las formas de onda de la corriente iF(t), el voltaje uF(t) y las integrales de Joule I2t calculadas como en (6). Se determinaron sobre la base de pruebas experimentales del modelo de laboratorio TSFF con los siguientes parámetros: n1 = 8, n2 = 4, USGI = 130 kV. Para estos parámetros, el valor máximo de la sobretensión generada alcanzó aprox. 740 kV, que es más del doble que en el caso de PFS que usa un fusible de una etapa en condiciones de corriente similares y parámetros similares de elementos fusibles (Fig. 17).

Formas de onda TSFF de corriente iF y tensión uF durante el funcionamiento: resultados de pruebas de laboratorio. Los valores característicos están marcados en la figura.

Formas de onda TSFF de corriente iF y tensión uF durante el funcionamiento: resultados de pruebas de laboratorio. Los valores característicos están marcados en la figura. Primer plano de la conmutación y el proceso de limitación de corriente.

TSFF actual iF y Joule integral I2t formas de onda durante el funcionamiento: resultados de pruebas de laboratorio. Los valores característicos están marcados en la figura. Primer plano de la conmutación y el proceso de limitación de corriente.

Comparación de las formas de onda de la corriente iF y el voltaje uF del TSFF y del fusible de una sola etapa (SSF) durante la operación: resultados de pruebas de laboratorio. Los valores característicos están marcados en la figura. Primer plano del proceso de limitación actual.

La Figura 15 muestra las formas de onda de la corriente y el voltaje del fusible, con una vista de cerca del proceso de conmutación y limitación de corriente que conduce a la formación rápida y significativa de sobrevoltaje. El valor absoluto máximo de la dinámica de limitación de corriente di/dtmax fue de aprox. 300 kA/μs. La Figura 16 muestra la forma de onda de la integral Joule TSFF, en base a la cual es posible determinar los valores aproximados de las integrales específicas de prearco y desconexión de los elementos fusibles de la etapa de formación como la diferencia de la integral de prearco I2tp de todo el TSFF y la integral en el momento de la conmutación de corriente entre etapas I2tc (de manera similar, I2toff en el caso de la integral de desconexión). En la variante presentada, los valores de la integral de prearco y la integral de desconexión de la etapa de formación en relación con el cuadrado del área de la sección transversal de los elementos se calcularon como:

El valor de la integral de desconexión adecuada es mayor en aprox. 5% que el de la integral de pre-arco. Una diferencia muy pequeña en los valores presentados demuestra una dinámica muy alta de desintegración de los elementos fusibles de la etapa de formación. Estos valores se pueden comparar con la constante de Meyer, ya que tienen el mismo significado físico, lo que confirma un aumento de casi el doble en el calor acumulado en los elementos fusibles de la etapa de formación durante una electro explosión tan violenta, en comparación con los valores típicos disponibles en la literatura. (sobre, por ejemplo, elementos fusibles FF de etapa preparatoria TSFF o de etapa única)29,38 como se presenta a continuación, Eq. (6).

La Figura 17 compara los resultados del proceso de formación de pulsos y la generación de sobrevoltaje en forma de formas de onda de corriente de fusible iF y voltaje uF para dos tecnologías FF: fusible de una etapa y TSFF con el mismo número de elementos fusibles: nSSF para un fusible de una etapa , y nTSFF1 para la etapa preparatoria (en el caso de TSFF), nSSF = nTSFF1 = 8.

Los resultados de laboratorio han confirmado plenamente la eficacia del concepto propuesto. Durante el funcionamiento de ambos FF con los mismos parámetros del PFS, se logró una amplificación de más de 2,3 veces de la sobretensión generada, con la correspondiente reducción de la duración del pulso, en el caso de utilizar TSFF, en comparación con un FF de una sola etapa. El uso de TSFF ha permitido alcanzar una pendiente de pulso de sobretensión del orden de 10.000 kV/μs.

En el transcurso de la investigación del laboratorio PFS basado en TSFF, las pruebas se registraron con una cámara de alta velocidad, lo que permitió estudiar el fenómeno de las descargas parciales (ionización parcial del aire) en el espacio alrededor del fusible, el divisor de tensión y el accesorio superior. de la bobina de formación durante el proceso de formación de impulsos (para el valor pico de sobretensión Umax = 740 kV). En la Fig. 18 se muestra un cuadro seleccionado de esta grabación. Debido a la alta intensidad del campo eléctrico en el espacio alrededor del modelo TSFF, fue necesario usar materiales aislantes de alta pureza con una fuerza eléctrica muy alta.

Vista de descargas parciales de naturaleza volátil en el espacio alrededor del modelo TSFF, divisor de tensión y accesorio superior de la bobina formadora durante el proceso de formación del pulso (para el valor pico de sobretensión Umax = 740 kV).

Las pruebas realizadas con el modelo de laboratorio de un fusible de formación de dos etapas han demostrado que su diseño, combinado con la selección adecuada de parámetros (secciones transversales equivalentes de los elementos fusibles de la etapa preparatoria y de formación y el voltaje de la vía de chispa de conmutación), permite una mayor inclinación de la limitación de corriente a cero en PFS y una mayor fuerza de retorno eléctrico del fusible en comparación con los FF de etapa única utilizados anteriormente. En consecuencia, el TSFF permite la formación de un pulso de sobretensión con una inclinación mucho mayor y un valor máximo.

El concepto y la construcción propuestos del TSFF permiten lograr parámetros de formación de pulsos de alta potencia, mucho más favorables que los que ofrecen los FF convencionales de una sola etapa. El principio físico de funcionamiento y los parámetros de TSFF han sido confirmados en pruebas realizadas en condiciones de laboratorio sobre el prototipo diseñado y fabricado, durante las cuales una sobretensión de aprox. Se lograron 740 kV para la longitud de la columna del fusible de 350 mm, que es más del doble que en el caso de usar FF de una etapa de cualquier configuración.

Con base en los resultados de las pruebas experimentales (formas de onda de corriente y voltaje), es posible determinar la potencia instantánea máxima del pulso generado y la densidad de potencia del sistema como el indicador universal que determina la efectividad del proceso de formación de pulsos de alta potencia. . En las pruebas anteriores, la potencia pico alcanzó el valor de pmax ≈ 14.800 MW, mientras que la densidad de potencia (teniendo en cuenta todos los elementos del stand de laboratorio) fue de aprox. pmáx/V ≈ 61 GW/m3. Estos valores son significativamente mayores que en el caso de utilizar, por ejemplo, un generador Marx, incluso con sistemas de formación adicionales (pmax < 6000 MW), o PFS con fusibles convencionales de una etapa (pmax < 5000 MW para parámetros de suministro similares).

La Tabla 2 presenta los parámetros que se pueden obtener en varias tecnologías de sistemas de encofrado compacto que se han recopilado sobre la base del análisis de las fuentes bibliográficas disponibles. Debido a la comparación de los parámetros de los sistemas de generación y formación de diferentes tecnologías, esta comparación es de carácter ilustrativo.

También se debe tener en cuenta que cuando se usa TSFF, es posible escalar el sistema aumentando el número de elementos fusibles paralelos (proporcionalmente para la etapa preparatoria y la etapa de formación) y aumentando la corriente de entrada de la etapa de generación anterior. A diferencia de otras tecnologías (incluida la FF de etapa única), TSFF brinda la posibilidad de utilizar una amplia gama de fuentes de corriente sin perder la capacidad de generar sobretensiones significativas, ya que puede operar con fuentes de corriente con una pendiente de aumento de corriente significativamente reducida, como supercondensador bancos o FCG.

Actualmente se está realizando un trabajo avanzado en el desarrollo de la tecnología TSFF, que incluye numerosas pruebas de laboratorio y estudios de simulación. TSFF tiene un gran potencial de desarrollo, principalmente hacia aplicaciones e integración con fuentes de corriente con alta densidad de energía (por ejemplo, FCG para fenómeno de amplificación de corriente y energía). La obtención de sobretensiones tan significativas con un volumen muy pequeño, y por tanto una densidad de potencia y energía importante, abre nuevas posibilidades de aplicación, principalmente en el campo de la energía dirigida, sistemas contra drones, ensayos de compatibilidad electromagnética o investigaciones en laboratorio que requieran fuentes de alta potencia. pulsos.

Al mismo tiempo, la dinámica de desintegración de elementos fusibles obtenida, antes inalcanzable, puede permitir una mejor comprensión de los procesos que tienen lugar durante los rápidos cambios de fase de los metales.

Los conjuntos de datos utilizados y/o analizados en el estudio actual están disponibles del autor correspondiente a pedido razonable.

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El autor desea agradecer a la Universidad Tecnológica de Gdansk, Facultad de Ingeniería Eléctrica y de Control por el apoyo financiero. El autor también desea agradecer a los miembros del equipo de investigación: Prof. Kazimierz Jakubiuk, Prof. Mirosław Wołoszyn, Dr. Marek Pikoń, Dr. Józef Czucha, Dr. Daniel Kowalak y Dr. Borys Semenowicz, por su invaluable ayuda sustantiva y asistencia en las pruebas de laboratorio durante la investigación. .

Facultad de Ingeniería Eléctrica y de Control, Universidad Tecnológica de Gdansk, 80-233, Gdańsk, Polonia

Nicolás Nowak

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La correspondencia es Mikołaj Nowak.

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Reimpresiones y permisos

Nowak, M. El concepto de un nuevo fusible de dos etapas para la formación de pulsos de alta potencia. Informe científico 12, 18176 (2022). https://doi.org/10.1038/s41598-022-23145-5

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Recibido: 27 junio 2022

Aceptado: 25 de octubre de 2022

Publicado: 28 de octubre de 2022

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-022-23145-5

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