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 exclusivo fusible formador de dos etapas (TSFF) con conmutación de vía de chispas 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 formadores de una sola etapa convencionales. 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 una potencia 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 de aumento de corriente muy limitada o un voltaje de salida limitado, lo que no ha sido posible hasta ahora con los fusibles formadores convencionales 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. . Estos impulsos se utilizan, por ejemplo, para emular procesos físicos con parámetros extremos en condiciones de laboratorio (generadores de sobretensiones atmosféricas de tensión o corriente2,3, sistemas de investigación de plasma o física nuclear, por ejemplo, generadores de plasma X-pinch) o como impulsos que suministran fuentes de radiación electromagnética de alta potencia. generalmente para sistemas de radar4, fuentes de láser pulsado5 o sistemas de energía dirigida6 (sistemas anti-drones7,8, sistemas militares9, etc.). Las aplicaciones de fuentes de impulsos 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 impulsos de parámetros tan extremos con el uso de una sola etapa generadora es imposible en la práctica, debido a importantes dificultades técnicas (resultantes de tensiones eléctricas o electrodinámicas y térmicas de alto voltaje). Al mismo tiempo, las fuentes de impulsos individuales no proporcionan parámetros de impulsos adecuados (en términos de amplitud insuficiente o duración de impulsos demasiado larga). Por tanto, en sistemas reales, la generación de pulsos de alta potencia se realiza indirectamente mediante sistemas en cascada (como se muestra en la Fig. 1) en los que cada etapa sucesiva provoca un aumento relativo en la potencia máxima del pulso al tiempo 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 formación de circuitos se pueden dividir en sistemas de tipo corriente y voltaje, dependiendo de la naturaleza del pulso generado. Las soluciones típicas de sistemas de tensión son los generadores 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 generadores de corriente, la solución más comúnmente 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 con el devanado del generador23,24,25. El pulso de salida de corriente FCG se moldea 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 la batería de condensadores. El proceso de conformación se basa en el fenómeno de limitación dinámica de la corriente que fluye en la bobina inductiva de conformación mediante el interruptor de apertura extremadamente rápida que genera importantes sobretensiones transmitidas a la carga del sistema. El elemento de conmutación más utilizado es un fusible conformador (FF)26,27,28, cuyo principio de funcionamiento se basa en la rápida desintegración de los elementos fusibles (con mayor frecuencia en forma de un haz de cables bien conductores o tiras de láminas). ) 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 impulsos de alta potencia basado en fusibles suministrado por un banco de condensadores de impulsos: C0: banco de condensadores de impulsos cargado al voltaje U0; T: trigatrón (explosión de chispas activada), iF, uF: corriente y voltaje del fusible formador.

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: vircator, triodo reflejo, reditron o sistemas híbridos, que debido a diversos efectos electrónicos (p. ej., La vibración del plasma de electrones generada por la emisión explosiva de un cátodo expuesto a un campo eléctrico extremo) genera un haz de radiación electromagnética, generalmente en el rango de las microondas. Para la generación efectiva de formas cuasi estables de plasma de electrones es necesario suministrarlas desde fuentes de pulso (principalmente del tipo de ancho de banda amplio) con una amplitud de voltaje significativa, alta 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 eficazmente 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 una pendiente de limitación de corriente simultánea del orden de varias docenas a un poco más de cien kA/μs. Los valores de potencia máxima instantánea obtenidos de los impulsos generados alcanzan cientos de MW o varios GW. Para aumentar la potencia, la compacidad y la eficiencia de los sistemas de generación y formación de impulsos 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 para la eficiencia de la generación de impulsos 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 se muestran en la Fig. 2) ha llevado a la identificación inequívoca de un criterio ampliado 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 una amplia gama de condiciones de operación ha llevado a plantearse la posibilidad de incrementar el valor del criterio antes mencionado (dj/dtmax) en sistemas basados ​​en fusibles por encima de los valores alcanzados hasta ahora. hasta ahora, lo que podría brindar la oportunidad de aumentar significativamente la pendiente de la limitación de corriente y, por lo tanto, de generar sobretensiones con una amplitud significativamente mayor que en el caso de las soluciones FF convencionales. Es posible aumentar la pendiente de la densidad de corriente del fusible dj/dt en el circuito con la bobina de inducción formadora (Fig. 2) reduciendo la sección transversal equivalente de los elementos fusibles (relacionada con el número de elementos paralelos y la sección transversal de un alambre fusible único) o aumentando el voltaje de la fuente forzando el flujo de corriente en el circuito. Sin embargo, la aplicación directa del primer método limita simultáneamente la pendiente de la pendiente ascendente de la corriente en el circuito LC insertando una resistencia equivalente al fusible significativa y limitando el valor de la 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 otro lado, el aumento de la tensión de la fuente que suministra el flujo de corriente en el PFS está relacionado con la necesidad de utilizar baterías de condensadores con una tensión de funcionamiento mayor, 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 una importante reducción de la compacidad y movilidad de este tipo de soluciones.

Este artículo propone el concepto de una solución nueva y original de TSFF con conmutación de vía de chispas 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 la 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 (por ejemplo, baterías de condensadores) con tensión de salida limitada, o con fuentes de tipo corriente (por ejemplo, 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 valor que alcance los 800 kV con una 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 parámetros que mantendrían una 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 una corriente importante procedente de la etapa I del TSFF, denominada etapa preparatoria, con mayor sección de elementos fusibles. Debido al aumento significativo de 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 formada.

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

La estructura del TSFF se presenta de manera simplificada en la Fig. 3a y se compara con un fusible de formación de una sola etapa 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 el vía de chispas de conmutación (CSG) y toda la rama está conectada en paralelo a la etapa preparatoria. Los elementos fusibles de ambas etapas están colocados en un compartimento de fusibles y 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 de formación de pulsos, que consiste en aumentar la potencia máxima 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 este motivo, está formado por 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 rápida conmutación de corriente de alto valor a la etapa de conformación genera una densidad muy alta y flujos de corriente que aumentan abruptamente 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 se produce su desionización parcial. Como resultado, el canal de plasma de la etapa preparatoria es capaz de reconstruir la resistencia eléctrica antes del momento de limitación repentina de la corriente a cero por los elementos fusibles de la etapa de formación y la generación de un pulso de sobretensión significativo, que (en FF de una sola etapa convencional) podría causar que el fusible se vuelva a encender después de la descarga de desintegración y hacer que el proceso de limitación de corriente sea ineficaz.

La sección transversal equivalente de los elementos fusibles de la etapa preparatoria debe seleccionarse de modo que su desintegración se produzca justo antes de que la forma de onda de la corriente alcance su máximo. Por tanto, la selección del número, sección y longitud de los elementos fusibles suele basarse en el criterio de energía y el criterio de 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 debería garantizar la ignición del CSG), es posible alimentar el PFS basado en TSFF desde fuentes que no son capaces de garantizar una alta dinámica de aumento de la 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 garantiza la alta dinámica apropiada de aumento de 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 formador de dos etapas en dos etapas operativas. En la Fig. 5 se muestran formas de onda típicas idealizadas de cantidades eléctricas, es decir, corrientes y voltajes TSFF en PFS.

Diagrama esquemático del PFS basado en TSFF durante el funcionamiento en la fase preparatoria (a) y en la fase de formación de impulsos después de la conmutación entre etapas (b): C0: banco de condensadores de impulsos con voltaje uc, T: trigatrón (explosión de chispas activada), 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 el funcionamiento 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 que asciende por la etapa preparatoria hasta su desintegración, y genera una sobretensión inicial para el encendido por 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 resistencia eléctrica del 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 mediante electroexplosión de elementos fusibles de la etapa de formación. Generación de sobretensión importante en la bobina formadora.

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

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

Al igual que en el diseño FF de una sola etapa, la fase 1 de la operación TSFF comienza en el momento en que se inicia el 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 del fusible iF fluye íntegramente a través de los elementos de la etapa preparatoria i1, provocando un aumento de 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 fusión (en el tiempo th) y desintegración (lo que limita la corriente en comparación con la corriente de descarga esperada del banco de capacitores 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, como resultado, la caída de voltaje en la etapa preparatoria TSFF aumenta hasta alcanzar el voltaje de encendido USGI del CSG. 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 del funcionamiento del 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, resistencia LS1 e inductancia de la etapa preparatoria.

Tan pronto como la caída de tensión en el CSG alcanza en el instante tc' el valor determinado estructuralmente de la tensión de encendido del explosor, 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 está limitada en cierta medida. El factor de limitación γi, definido como la relación entre la corriente conmutada y 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 CSG, comienza la conmutación de la corriente desde la etapa preparatoria a la etapa de conformación debido al valor mucho menor de la resistencia equivalente de los elementos fusibles "fríos" de la etapa de conformación. 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'' puede describirse mediante la ecuación. (3) con condiciones iniciales aproximadas (4). El modelo periférico presentado, con el fin de realizar un análisis cualitativo de los procesos que tienen lugar durante el funcionamiento del TSFF, se ha simplificado y limitado a los elementos principales, sin tener en cuenta los elementos parásitos menores del TSFF. En la práctica, las constantes de tiempo (del orden de ps) que resultan de la existencia, por ejemplo, de capacidades distribuidas de estructuras TSFF y trayectorias de corriente son imperceptibles desde la perspectiva de las constantes de tiempo relativamente "largas" de escala ns de los sistemas termoeléctricos y termomagneto. 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 tanto RS2 ≈ const. mientras continúa el aumento de la resistencia RS1, por lo tanto el valor de inductancia de la etapa preparatoria del fusible LS1 es insignificante. 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 insignificante y no afecta el proceso de conmutación.

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

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 la tensión de encendido USGI del explosor 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 con el aumento del número de elementos paralelos, se puede concluir que existe un cierto número óptimo de elementos fusibles de la etapa de conformación en relación con la etapa preparatoria. Se están realizando estudios de optimización para determinar los parámetros operativos óptimos del TSFF. Debido a la importante no linealidad de la ecuación. (3) parámetros, la solución se puede determinar numéricamente utilizando, por ejemplo, el modelo resistivo del fusible conformador, como en Ref.30 o Ref.12.

El proceso de conmutación de corriente desde la etapa preparatoria a la de formación finaliza en el instante 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 ambiental). Dependiendo del número de elementos fusibles de la etapa de formación y del valor de la tensión uC remanente en la capacitancia C0, es posible notar un aumento, estabilización o disminución temporal del valor de la corriente del fusible, según la Ec. (5).

Independientemente de la conmutación de la corriente desde la etapa preparatoria a la de conformación, el proceso de desintegración de los elementos fusibles de la etapa preparatoria no se detiene. Después de conmutar la corriente a la etapa de formación, se produce una mayor expansión radial del canal de plasma en la etapa preparatoria (lo que resulta en un aumento del 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 mediante 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 mucho mayor y una mayor pendiente 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 mayor dinámica de desintegración, es decir, garantiza una expansión radial más rápida de la columna de plasma, como resultado de lo cual la resistencia equivalente del canal también aumenta más rápido.

Los elementos fusibles de la etapa de formación pueden tener una longitud mucho mayor que los de la etapa preparatoria, de modo que pueden desintegrarse con la separación de un mayor número de espacios de arco elementales, es decir, a un valor de voltaje más alto de la columna de arco múltiple. .

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 electroexplosión tiene una menor densidad de portadores de carga libres, por lo tanto su resistencia equivalente es mayor y su proceso de desionización ocurre con mayor dinámica.

Durante el proceso final de limitación de corriente, el voltaje de la etapa de formación aparece también 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, se limita. por los elementos fusibles de la etapa de formación, puede causar cierta reducción de la sobretensión generada. Debido al profundo estado de desionización 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 resulta en una limitación efectiva de la corriente a cero en el tiempo toff.

Sin embargo, si el intervalo de corriente cero de la etapa preparatoria es demasiado corto, es posible reionizar el canal de plasma aún desionizado, como resultado de lo cual sigue una corriente de alto valor (descargando la energía restante en el banco de capacitores). 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 conformador de dos etapas, en términos de principio y efectividad, 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 sola etapa, durante la fase inicial de operación, los elementos fusibles deben garantizar la posibilidad de que la corriente de 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 valor más alto 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 S por 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 más altos29,38 que 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 de la corriente PFS, esta 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 pendiente del aumento de la densidad de corriente dj/dt. Debido a las condiciones mencionadas anteriormente, 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 de la resistencia eléctrica más rápida posible, se deben realizar esfuerzos. hecho para minimizar la sección transversal y el número de elementos fusibles paralelos y maximizar su longitud.

Los criterios anteriores para la selección de elementos fusibles, que determinan la eficacia de la formación de impulsos por parte del FF, son opuestos. Por lo tanto, la selección de un número, sección transversal y longitud adecuados de elementos FF de una sola etapa no puede garantizar las condiciones óptimas de funcionamiento 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 preparatoria y de formación) a las condiciones de funcionamiento en el momento de aumento de corriente y el momento de apagado. Ambas etapas de fusible 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 importante de elementos de la etapa preparatoria con mayor sección y longitud limitada garantizan la posibilidad de aumentar la corriente en el PFS que forma la inductancia al valor más alto posible, mientras que un pequeño número de elementos formadores con un diámetro más pequeño y una mayor longitud garantiza una rápida limitación de la corriente y, en consecuencia, una eficiencia mucho mayor del proceso de generación de pulsos. Debido al valor incomparablemente mayor de la densidad de corriente y la pendiente de su aumento en los elementos fusibles de la etapa de formación, en comparación con la etapa preparatoria, su desintegración tiene un carácter explosivo homogéneo de acuerdo con el criterio (7)38,40,41.

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

donde ρ densidad del material fusible, μ0 permeabilidad magnética al vacío absoluto, jmax 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 artículo, la constante de tiempo τI del desarrollo de las inestabilidades internas y superficiales alcanza valores que van desde cientos de ns hasta un solo μs. Por lo tanto, para garantizar una explosión homogénea de los elementos fusibles, el tiempo hasta su desintegración debe ser inferior a τI. El proceso de desintegración electroexplosiva de elementos fusibles en condiciones de fuerte aumento de la densidad de corriente con el aislamiento de espacios de arco elementales (desintegración del cable fusible estriado debido a fuerzas electrodinámicas y termodinámicas29,39), acompañado de la formación de canales de plasma y desionización, es como se muestra en la figura 7.

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

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

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

Debido a la pendiente claramente mayor del aumento de densidad de corriente dj/dt en los elementos fusibles de la etapa de conformación, es necesario utilizar un alambre de bobinado con un diámetro correspondientemente menor para limitar el fenómeno de difusión del campo magnético dentro del conductor. Un diámetro demasiado grande de los elementos fusibles en combinación con un tiempo de conmutación entre etapas suficientemente corto puede dar como resultado un calentamiento superficial no homogéneo y una explosión ablativa del elemento fusible29, lo que ocurre cuando el tiempo necesario para evaporar todo el material fusible es mucho más corto que el tiempo electromagnético. Constante de tiempo térmica de la difusión de la 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 penetración de la corriente sometidos al flujo de corrientes de densidad considerable 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 con un diámetro adecuadamente 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) que consta de 24 fusibles paralelos con diámetros de 0,25 mm y 0,125 mm. se han simulado en estado transitorio como respuesta a una corriente forzada con una pendiente lineal significativa (que supera los 100 kA/μs en un solo fusible). Las pruebas de simulación se realizaron en el dominio del tiempo utilizando el método de elementos finitos (basado en la difusión magnetotérmica y las ecuaciones de Maxwell y teniendo en cuenta el acoplamiento de campos electromagnéticos y térmicos) en el entorno informático CST Studio 202244.

Modelo discretizado del interior del compartimento de fusibles compuesto 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 único 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, según las suposiciones, 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 creciente 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 eso 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 representativas de TSFF (Fig. 5), es posible desarrollar dependencias aproximadas que determinen los valores de las integrales de Joule para la etapa preparatoria I2t1 y la etapa de formación I2t2 según (10) y (11), respectivamente. Por simplicidad, se asumió una forma de onda triangular de la 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 definido como (12).

donde toff limitación actual 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, Ecs. (13) y (14), respectivamente.

La relación entre la pendiente de la etapa de formación y la dinámica de densidad de corriente de 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 etapa preparatoria y de formación (16). Cabe señalar que la constante de Meyer KM (6) puede tener diferentes valores para diferentes grados de densidad de corriente dj/dt, pero en el rango de variabilidad está limitada hacia arriba al 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 las mechas 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 la 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 una dinámica de corriente relativamente baja (por ejemplo, FCG o banco de supercondensadores) sin un deterioro significativo del proceso de formación de pulsos. La rápida desintegración de la etapa de conformación (relacionada con una pendiente significativa del aumento de la densidad de corriente) se puede obtener mediante la selección apropiada de secciones transversales equivalentes de los elementos fusibles de la etapa de conformación 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 en las condiciones de suministro TSFF desde el banco de capacitores pulsados. En el caso de la cooperación del TSFF con el FCG, la intensidad del aumento actual depende principalmente del diseño del FCG.

En el caso del plasma de alta densidad formado tras la desintegración de elementos fusibles, la desionización se produce mediante 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 enfriamiento y de la posibilidad de expansión del canal de plasma. Debido a los tiempos de desionización considerados en el nivel de cientos de ns, el único mecanismo eficaz para enfriar el canal de plasma formado después de la desintegración de los elementos fusibles es la radiación, que está limitada debido a las condiciones de alta temperatura en la cámara del fusible. Por lo tanto, el factor dominante que causa una rápida desionización y el aumento de la resistencia equivalente del canal de plasma es la expansión radial del plasma45,46,47,48, que se desarrolla con una velocidad específica resultante de la dinámica de la electroexplosión de la mecha. Este fenómeno provoca una reducción significativa de la densidad de portadores de carga libres en el canal de plasma en función del tiempo. Por 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 sobre la dinámica de la propia desintegración, el diámetro del alambre de los elementos fusibles de la etapa de formación también puede tener un impacto directo sobre 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 del aislamiento eléctrico del canal es mayor que para elementos de mayor diámetro (manteniendo las mismas secciones equivalentes, y cumpliendo el criterio de calentamiento homogéneo resultante del 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 está asegurada la posibilidad de un aumento adecuado de la resistencia equivalente RS1, la aparición de sobretensiones importantes tras la electroexplosión de los elementos de la etapa de formación hace que el flujo de corriente de retorno pueda tener lugar nuevamente en la rama 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 puede fluir la corriente siguiente.

En un FF de una sola etapa, en el que no ocurre 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 del corriente limitada. En consecuencia, en comparación con TSFF, existe una probabilidad mucho mayor de que el arco se reinicie 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 formador de dos etapas con conmutación de vía de chispa proporciona parámetros operativos de formación de pulsos de alta potencia mucho mejores en una amplia gama de condiciones de corriente y voltaje, en comparación con el FF de una sola etapa. soluciones.

Para verificar el concepto TSFF, se ha desarrollado y fabricado un modelo de laboratorio, así como también se han realizado una serie de pruebas de laboratorio en el PFS propuesto suministrado desde un banco de condensadores de pulsos. 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 vía de chispas de conmutación (a) y un perfil con una vista en primer plano de la estructura de vía de chispas de conmutación (b): 1—sistema de montaje rápido para elementos fusibles, 2—elementos fusibles de la etapa de formación, 3—soportes aislantes, 4—partición aislante del compartimiento de fusibles, 5—electrodo ajustable CSG, 6—casquillo aislante y soporte para el ajuste interno inferior de los elementos fusibles, 7—jaula de fusibles externa con un transductor de medición de corriente integrado para medir componentes de corriente de fusible, 8—tubo aislante del compartimiento de fusibles, 9—accesorio de fusible externo, 10—elementos fusibles de la etapa preparatoria, 11—accesorios internos inferiores con ganchos, 12—sello de gas del compartimiento de fusibles, 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 para los elementos fusibles se ha formado en una configuración plana, es decir, ambas etapas del FF están separadas por una barrera aislante que tiene la forma de una placa hecha de material de 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 alambres de plata de tipo poligonal. La estructura de soporte con elementos fusibles se coloca en el compartimento de fusibles en forma de tubo de poliamida con dos herrajes externos unidos a sus extremos. El uso de varillas de soporte aislantes y devanado 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 garanticen un gradiente de potencial uniforme (durante el proceso de desintegración) a lo largo de su longitud, lo que significa que dos cualesquiera cercanos 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 descargas entre los elementos fusibles. Por otro lado, debido a la posibilidad de perturbaciones en la estructura del alambre fusible (que además fue calibrado en la etapa de producción), pueden ocurrir ligeras diferencias de potencial. Por 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 bobinado 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 particular es igual a n1max = 10, mientras que para la etapa de formación n2max = 6. La Figura 11b presenta un diseño simplificado del explosor de conmutación TSFF que tiene la forma de un cátodo de cobre y un ánodo de aluminio con la forma adecuada. Mediante un montaje adecuado del electrodo de cobre fue posible ajustar la distancia entre los electrodos de chispa y, con ello, ajustar la tensión de encendido USGI en el rango de 50 kV a aprox. 180 kilovoltios. El valor mínimo de la tensión de encendido USGI 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 una sola etapa con los parámetros de la etapa preparatoria. En el caso de que el encendido CSG se produzca 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 paralelo en el tiempo y los parámetros alcanzados también serán comparables a los de una etapa. FF.

Para medir por separado los componentes relevantes de la corriente TSFF (corriente de la etapa preparatoria i1 y corriente de la 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 trayectorias de flujo de los respectivos componentes de corriente del fusible. En el caso de no estar disponible un transductor de corriente con un rango de medición adecuado, la solución geométrica propuesta permite ampliar el rango de medición de corriente utilizando la topología del divisor de corriente junto con un método de compensación de medición adecuado49.

Además de los parámetros del circuito PFS en el que está instalado el FF, la eficiencia de la formación de impulsos de alta potencia basada en fusibles está influenciada por muchos factores de diseño del fusible, entre ellos:

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 compartimento de fusibles.

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

Las pruebas de laboratorio del TSFF se han realizado en un laboratorio PFS suministrado por la batería de condensadores de impulsos. El sistema de conformado 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 condensadores con capacidad de C0 = 200 µF y baja inductancia parásita interna (menos de 100 nH, el valor estimado midiendo la forma de onda de la corriente de cortocircuito), precargado a UC0 = 10 kV. Otros elementos del PFS incluyen un trigatron T (explosión de chispas activada eléctricamente), una bobina formadora sin núcleo (FC) con 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 condensadores 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 disparo TPG, OF fibra óptica, condensadores 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 suministrado desde una batería de condensadores de pulso. Designaciones según la Fig. 12.

El voltaje TSFF se midió usando 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 TSFF individuales 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 actuales en ambas etapas del TSFF, se instaló un casquillo aislante que conducía la corriente de la etapa preparatoria del TSFF a través del accesorio del fusible inferior en la parte inferior de la cámara del fusible y se conectó a la ruta de corriente externa tipo jaula en el exterior. el compartimento de fusibles. De esta manera, durante las pruebas se podría medir tanto la corriente total del TSFF como la corriente de la etapa preparatoria. 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 separados y aislados galvánicamente (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 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 utiliza un fusible de una etapa en condiciones de corriente similares y parámetros similares de elementos fusibles (Fig. 17).

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

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

Formas de onda TSFF iF actual y Joule integral I2t durante el funcionamiento: resultados de pruebas de laboratorio. Los valores característicos están marcados en la figura. Primer plano sobre 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 el funcionamiento: resultados de pruebas de laboratorio. Los valores característicos están marcados en la figura. Primer plano del proceso limitante actual.

La Figura 15 muestra las formas de onda de la corriente y el voltaje del fusible, con una vista cercana 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 de Joule TSFF, a partir de 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 apagado de la etapa de formación relacionados 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 prearco. Una diferencia muy pequeña en los valores presentados demuestra una dinámica de desintegración muy alta 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, confirmando un aumento de casi el doble del calor acumulado en los elementos fusibles de la etapa de formación durante una electroexplosión tan violenta, en comparación con los valores típicos disponibles en la literatura. (con respecto, por ejemplo, a la etapa preparatoria TSFF o a los elementos fusibles FF de una sola etapa)29,38 como se presenta a continuación, Ec. (6).

La Figura 17 compara los resultados del proceso de formación de pulsos y la generación de sobretensión en forma de formas de onda de corriente iF y voltaje uF del fusible para dos tecnologías FF: fusible de una etapa y TSFF con la misma cantidad 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, en el caso de utilizar TSFF se logró una amplificación de más de 2,3 veces de la sobretensión generada, con la correspondiente reducción de la duración del pulso, en comparación con un FF de una sola etapa. El uso de TSFF ha permitido alcanzar una pendiente del impulso de sobretensión del orden de 10.000 kV/μs.

Durante la investigación del laboratorio PFS del TSFF, las pruebas se registraron utilizando 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 formadora 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 utilizar materiales aislantes de alta pureza con una resistencia eléctrica muy alta.

Vista de descargas parciales de naturaleza volátil en el espacio alrededor del modelo TSFF, el divisor de voltaje y el accesorio superior de la bobina formadora durante el proceso de formación de pulsos (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 una adecuada selección de parámetros (secciones equivalentes de los elementos fusibles de las etapas preparatoria y de formación y tensión del explosor de conmutación), permite una mayor pendiente de la limitación de corriente a cero en PFS y una mayor resistencia de retorno eléctrico del fusible en comparación con los FF de una sola etapa utilizados anteriormente. En consecuencia, el TSFF permite la formación de un pulso de sobretensión con una pendiente y un valor máximo mucho mayores.

El concepto y la construcción propuestos del TSFF permiten alcanzar 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 del TSFF han sido confirmados en pruebas realizadas en condiciones de laboratorio sobre el prototipo diseñado y fabricado, durante las cuales se detectó una sobretensión de aprox. Para la longitud de la columna de fusibles de 350 mm se alcanzó 740 kV, que es más del doble que en el caso de utilizar FF de una etapa de cualquier configuración.

Con base en los resultados de 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 indicador universal que determina la efectividad del proceso de formación de pulsos de alta potencia. . En las pruebas anteriores, la potencia máxima alcanzó el valor pmax ≈ 14.800 MW, mientras que la densidad de potencia (teniendo en cuenta todos los elementos del stand del 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 encofrado adicionales (pmax < 6000 MW), o PFS con fusibles de una etapa convencionales (pmax < 5000 MW para parámetros de suministro similares).

La Tabla 2 presenta los parámetros obtenibles en diversas tecnologías de sistemas de conformado compactos 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 conformado de diferentes tecnologías, esta comparación es de carácter ilustrativa.

También cabe señalar que cuando se utiliza 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 (incluido el FF de una sola etapa), TSFF ofrece la posibilidad de utilizar una amplia gama de fuentes de corriente sin perder la capacidad de generar sobretensiones significativas, ya que puede funcionar con fuentes de corriente con una pendiente de aumento de corriente significativamente reducida, como un supercondensador. bancos o FCG.

Actualmente se están realizando trabajos avanzados para el desarrollo de la tecnología TSFF, que incluyen 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 fenómenos de amplificación de corriente y energía). La obtención de sobretensiones tan significativas con un volumen muy pequeño y, por tanto, una potencia y densidad de energía importantes, crea nuevas posibilidades de aplicación, principalmente en el campo de la energía dirigida, los sistemas contra drones, las pruebas de compatibilidad electromagnética o la investigación de laboratorio que requiere fuentes de alta potencia. pulsos.

Al mismo tiempo, la dinámica obtenida de desintegración de elementos fusibles, 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 presente estudio están disponibles del autor correspondiente previa solicitud razonable.

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El autor desea agradecer a la Facultad de Ingeniería Eléctrica y de Control de la Universidad Tecnológica de Gdansk por su 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 valiosa ayuda 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

Mikołaj Nowak

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Correspondencia a Mikołaj Nowak.

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

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Recibido: 27 de junio de 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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