Das Konzept einer neuen Zwei

Wissenschaftliche Berichte Band 12, Artikelnummer: 18176 (2022) Diesen Artikel zitieren

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Dieses Manuskript stellt das Konzept, das physikalische Funktionsprinzip und Studien zu einer neuen und einzigartigen zweistufigen Schmelzsicherung (TSFF) mit zwischenstufiger Funkenstreckenkommutierung vor und stellt ihre Anwendung zur Bildung von Hochleistungsimpulsen mit extremen Parametern vor. Das Papier klassifiziert die TSFF-Leistung und vergleicht sie mit herkömmlichen einstufigen Formsicherungen. Die Schlussfolgerungen werden durch analytische und experimentelle Studien unter Laborbedingungen gestützt. Darüber hinaus werden der Entwurf des TSFF-Prototyps sowie die angewandten Messmethoden und Prüfstände vorgestellt. Die entwickelte Technologie des TSFF ermöglicht die Erzielung beispielloser Parameter von Hochleistungsimpulsen mit Überspannungen von bis zu 800 kV und einer Impulsleistung von mehreren zehn GW in einem sehr kompakten Design. Die einzigartigen Eigenschaften des TSFF ermöglichen seine effiziente Integration mit einer Vielzahl von Energiequellen, selbst bei sehr begrenzter Stromanstiegssteilheit oder begrenzter Ausgangsspannung, was bisher mit herkömmlichen einstufigen Formsicherungen nicht möglich war. Das vorgeschlagene System lässt sich leicht skalieren und gewährleistet gleichzeitig eine deutlich größere Flexibilität der Anwendungen.

In vielen Bereichen der Wissenschaft und Technik besteht die Notwendigkeit, elektrische Hochleistungsimpulse mit einer signifikanten Stromamplitude (in der Größenordnung von Hunderten von kA) oder Spannung (in der Größenordnung von Hunderten von kV) und einer Dauer von Bruchteilen einer Mikrosekunde zu erzeugen1 . Solche Impulse werden beispielsweise zur Nachbildung physikalischer Prozesse mit extremen Parametern unter Laborbedingungen (Spannungs- oder Stromgeneratoren für atmosphärische Überspannungen2,3, Forschungssysteme für Plasma- oder Kernphysik, z. B. X-Pinch-Plasmageneratoren) oder als Impulse zur Versorgung leistungsstarker elektromagnetischer Strahlungsquellen verwendet. üblicherweise für Radarsysteme4, gepulste Laserquellen5 oder gerichtete Energiesysteme6 (Abwehrdrohnensysteme7,8, militärische Systeme9 usw.). Anwendungen mit Hochleistungsimpulsquellen erfordern häufig eine kompakte Form10 für Transportzwecke11 oder um den Einbau in einem kleinen Gehäuse (z. B. im Raketenkörper) zu ermöglichen. Die direkte Erzeugung von Impulsen solch extremer Parameter mit einer einzigen Erzeugungsstufe ist in der Praxis aufgrund erheblicher technischer Schwierigkeiten (aufgrund elektrischer oder elektrodynamischer und thermischer Hochspannungsspannungen) nicht möglich. Gleichzeitig liefern einzelne Pulsquellen keine geeigneten Pulsparameter (z. B. unzureichende Amplitude oder zu lange Pulsdauer). Daher erfolgt die Erzeugung von Hochleistungsimpulsen in realen Systemen indirekt mithilfe von Kaskadensystemen (wie in Abb. 1 dargestellt), bei denen jede aufeinanderfolgende Stufe eine relative Erhöhung der Spitzenleistung des Impulses bewirkt und gleichzeitig seine Dauer verkürzt12.

Blockdiagramm des Systems zur Kaskadenerzeugung und -formung von Hochleistungsimpulsen.

Die Lösungen für Hochleistungsimpulserzeugungs- und -formungsschaltungen können je nach Art des erzeugten Impulses in Strom- und Spannungssysteme unterteilt werden. Typische Lösungen für Spannungssysteme sind Marx-Generatoren13,14,15,16 oder andere Arten von Spannungsvervielfachersystemen, oft integriert mit speziellen Umformleitungen17,18, z. B. in der Blumlein-Topologie19,20. Bei Stromgeneratoren ist die am häufigsten verwendete Lösung der Magnetflusskompressionsgenerator (FCG)21,22, der den Stromwert durch explosionsartige Kompression des mit der Generatorwicklung gekoppelten Magnetflusses vervielfacht23,24,25. Der Stromausgangsimpuls des FCG wird in einem Pulsformungssystem (PFS) geformt, um seine Parameter an die Lastanforderungen anzupassen. Abbildung 2 zeigt das Diagramm des Funktionskonzepts eines sicherungsbasierten PFS, das aus der Kondensatorbank gespeist wird. Der Formierungsprozess basiert auf dem Phänomen der dynamischen Begrenzung des in der formierenden Induktionsspule fließenden Stroms durch den extrem schnell öffnenden Schalter, der erhebliche Überspannungen erzeugt, die auf die Last des Systems übertragen werden. Das am häufigsten verwendete Schaltelement ist eine Formsicherung (FF)26,27,28, deren Funktionsprinzip auf dem schnellen Zerfall schmelzbarer Elemente (meistens in Form eines Bündels gut leitender Drähte oder Folienstreifen) basiert ) aufgrund des Flusses hochdichter Ströme29. Eine detaillierte Klassifizierung, eine Einführung in die Technologie und eine Liste beispielhafter Parameter für die Bildung von Sicherungen zur Erzeugung von Hochleistungsimpulsen (unter Berücksichtigung verschiedener Primärquellen und Impulserzeugungssysteme) wurden in Ref. 30 vorgestellt.

Schematische Darstellung des sicherungsbasierten Hochleistungs-Impulsformungssystems, das von der Impulskondensatorbank gespeist wird: C0 – Impulskondensatorbank, aufgeladen auf die Spannung U0; T – Trigatron (ausgelöste Funkenstrecke), iF, uF – bildender Sicherungsstrom und Spannung.

Typische Lasten, die auch elektromagnetische Emissionssysteme bilden und mit FF-basierten PFSs zusammenarbeiten, sind verschiedene Arten von Hochleistungs-Mikrowellen-Pulslampen10, am häufigsten: Vircator, Reflextriode, Reditron oder Hybridsysteme, die aufgrund verschiedener elektronischer Effekte (z. B. Schwingungen eines Elektronenplasmas, die durch explosive Emission einer Kathode erzeugt werden, die einem extremen elektrischen Feld ausgesetzt ist) erzeugen einen Strahl elektromagnetischer Strahlung, normalerweise im Mikrowellenbereich. Für die effektive Erzeugung quasistabiler Formen von Elektronenplasmen ist es notwendig, diese aus Impulsquellen (hauptsächlich vom Typ mit großer Bandbreite) mit einer signifikanten Spannungsamplitude, hoher Steilheit und hoher Ausgangsstromfähigkeit zu versorgen1,22. Daher besteht das Ziel von PFS normalerweise darin, die oben genannten Parameter zu maximieren, um effektiv mit der Last zusammenzuarbeiten. Einstufige FF für Anwendungen in Pulsformungssystemen, die in der verfügbaren Literatur beschrieben werden, weisen geeignete Hochspannungspulserzeugungseigenschaften auf und erreichen Werte von mehreren Dutzend27,31 bis sogar 400 kV32,33 bei gleichzeitiger Strombegrenzungssteilheit in der Größenordnung von mehreren Dutzend bis a etwas über einhundert kA/μs. Die erreichten momentanen Spitzenleistungswerte der erzeugten Impulse erreichen Hunderte von MW oder mehrere GW. Um die Leistung, Kompaktheit und Effizienz von Hochleistungsimpulserzeugungs- und -formungssystemen zu steigern, ist es notwendig, eine neue FF-Lösung zu entwickeln, die über die bisher erreichten begrenzten Parameter hinausgeht.

In der verfügbaren Literatur war das bisher betrachtete Kriterium für die Effizienz der Überspannungsimpulserzeugung in einem sicherungsbasierten PFS, bezogen auf die Art des Zerfallsmechanismus der schmelzbaren Elemente, der Maximalwert der Stromdichte jmax im Querschnitt der schmelzbaren Elemente34 ,35. Umfangreiche Untersuchungen zum sicherungsbasierten PFS (die schematischen Diagramme wie in Abb. 2) haben zur eindeutigen Identifizierung eines erweiterten Kriteriums geführt, das die Effizienz der Hochleistungsimpulserzeugung im PFS als maximale Steilheit der Stromdichte dj/ bestimmt. dtmax in Schmelzleiterquerschnitten. Die durchgeführte und systematisierte Analyse der im FF in einem breiten Spektrum von Betriebsbedingungen auftretenden Phänomene hat zu der Frage geführt, ob es möglich ist, den Wert des oben genannten Kriteriums (dj/dtmax) in sicherungsbasierten Systemen über die so erreichten Werte hinaus zu erhöhen Dies könnte die Möglichkeit einer deutlichen Erhöhung der Steilheit der Strombegrenzung und damit der Entstehung von Überspannungen mit deutlich größerer Amplitude als bei herkömmlichen FF-Lösungen bieten. Eine Erhöhung der Steilheit der Sicherungsstromdichte dj/dt im Stromkreis mit der sich bildenden Induktionsspule (Abb. 2) ist durch Reduzierung des äquivalenten Querschnitts der Schmelzelemente (bezogen auf die Anzahl der parallelen Elemente und den Querschnitt a) möglich einzelner Schmelzdraht) oder durch Erhöhen der Spannung der Quelle, wodurch der Stromfluss im Stromkreis erzwungen wird. Die direkte Anwendung der ersteren Methode begrenzt jedoch gleichzeitig die Steilheit der Stromanstiegsflanke im LC-Kreis, indem ein erheblicher Ersatzwiderstand der Sicherung eingefügt und der Stromwert vor dem Zerfall der Sicherung begrenzt wird – der sogenannte Vorlichtbogenstrom ip (aufgrund von ein kleinerer Wert des Joule-Integrals des Sicherungsbetriebs36), dessen Wert die Steilheit der Strombegrenzung auf Null durch FF bestimmt. Andererseits ist die Erhöhung der Spannung der Quelle, die den Stromfluss im PFS liefert, mit der Notwendigkeit verbunden, Kondensatorbänke mit einer höheren Betriebsspannung zu verwenden, was in der Praxis zu Isolationsproblemen beim Aufbau des Prüfstands und einer höheren Komplexität führt die Batterievorladesysteme und eine deutliche Reduzierung der Kompaktheit und Mobilität dieser Art von Lösung.

Dieser Artikel schlägt ein Konzept einer neuen und originellen TSFF-Lösung mit interstufiger Funkenstreckenkommutierung vor, die es ermöglicht, die Leistung zu erhöhen und die Dauer der gebildeten Impulse zu verkürzen und so die Steilheit des Stromdichteanstiegs im PFS zu erhöhen aktives Element, dh der FF, mit gleichzeitiger Möglichkeit der Integration dieses Systemtyps mit primären Energiequellen (z. B. Kondensatorbatterien) mit begrenzter Ausgangsspannung oder mit Stromquellen (z. B. FCG).

Durch den Einsatz eines TSFF ist es möglich, die Effizienz des Hochleistungsimpulsformungsprozesses im Vergleich zu herkömmlichen Systemen auf Basis einstufiger FFs um ein Vielfaches zu steigern und damit die Amplitude des erzeugten Spannungsimpulses zu erhöhen Wert, der 800 kV erreicht, mit einer Steilheit der Strombegrenzung über 300 kA/μs und gleichzeitig die Begrenzung seiner Dauer auf Zehntel oder Hundertstel μs. Systeme mit solchen Parametern, die eine hohe Leistungsdichte, Energiedichte und Kompaktheit der Lösung aufrechterhalten würden, wurden bisher nicht dokumentiert.

Das Funktionsprinzip des TSFF (wie in Abb. 3a dargestellt) basiert auf der Erhöhung der Steilheit des Stromdichteanstiegs in Stufe II, im Folgenden als Formierungsstufe bezeichnet, bei einem relativ kleinen äquivalenten Querschnitt der schmelzbaren Elemente , aufgrund der Umwandlung erheblicher Ströme aus Stufe I des TSFF, der sogenannten Vorbereitungsstufe, mit größerem Querschnitt der schmelzbaren Elemente. Aufgrund der signifikanten Erhöhung der Steilheit des Stromdichteanstiegs in den Schmelzelementen der Formierungsstufe (sogar um drei Größenordnungen im Vergleich zur Vorbereitungsstufe) nach der Kommutierung kommt es zu einer homogenen Elektroexplosion der Schmelzelemente der Formierungsstufe und dem PFS Der Strom wird extrem schnell begrenzt, was zu einer erheblichen Überspannung im Stromkreis mit der sich bildenden Induktionsspule führt.

Vergleich der TSFF- (a) und der einstufigen FF-Struktur (b).

Der Aufbau des TSFF ist in Abb. 3a vereinfacht dargestellt und im Vergleich zu einer herkömmlichen einstufigen Schmelzsicherung in Abb. 3b dargestellt. Die Schmelzelemente der Vorbereitungsstufe sind direkt mit den TSFF-Elektroden verbunden. Die Formierungsstufe ist in Reihe mit der kommutierenden Funkenstrecke (CSG) geschaltet und der gesamte Zweig ist parallel zur Vorbereitungsstufe geschaltet. Die Schmelzelemente beider Stufen sind in einem Sicherungsfach untergebracht und durch eine Isolierbarriere getrennt, die die Zündung eines Lichtbogens zwischen ihnen verhindert.

Das Konzept des TSFF steht in direktem Zusammenhang mit dem Funktionsprinzip der Impulsformungssysteme, das darin besteht, die Spitzenleistung zu erhöhen und die Impulsdauer in jeder aufeinanderfolgenden Stufe des Systems zu verringern. Der Zweck der Sicherungsvorbereitungsphase besteht darin, den Stromfluss im PFS zu ermöglichen, der die Induktivität in der Anfangsphase des Betriebs (der Phase des Stromanstiegs) bildet. Aus diesem Grund besteht es aus einer großen Anzahl paralleler Schmelzelemente mit einem großen Ersatzquerschnitt n1S1, dessen Wert sich aus dem spezifischen Joule-Integral ergibt, das den Maximalwert der Stromwellenform bestimmt. Die Schmelzelemente der Formierungsstufe mit einem kleineren äquivalenten Querschnitt n2S2 werden in der Anfangsphase des Betriebs durch CSG vom primären Stromflusspfad getrennt. Der Zerfallprozess der vorbereitenden Schmelzelemente löst das Strombegrenzungsphänomen und das Auftreten einer Überspannung zwischen den CSG-Elektroden aus, wodurch die Entladung gezündet wird und der Strom schnell in die Formierungsphase kommutiert. Durch die schnelle Umwandlung des Stroms hoher Stärke in die Formierungsstufe werden in den Schmelzelementen Stromflüsse mit sehr hoher Dichte und steilem Anstieg erzeugt, was zu deren Elektroexplosion führt. Gleichzeitig wird während des Nullstromintervalls der Vorbereitungsphase nach der Stromumschaltung zwischen den Phasen (tatsächlich kann zu diesem Zeitpunkt ein sehr kleiner Strom durch die Vorbereitungsphase fließen) der thermische Ionisationsprozess im Plasmakanal nach dem Zerfall gebildet In der Vorbereitungsphase werden die schmelzbaren Elemente abgebaut und ihre teilweise Entionisierung erfolgt. Dadurch ist der Plasmakanal der Vorbereitungsstufe in der Lage, die elektrische Stärke wiederherzustellen, bevor der Strom durch die Schmelzelemente der Formierungsstufe plötzlich auf Null begrenzt wird und ein erheblicher Überspannungsimpuls erzeugt wird, der (bei herkömmlichen einstufigen FF) auftreten könnte Dies führt dazu, dass die Sicherung nach der Zerfallentladung erneut zündet und den Strombegrenzungsprozess unwirksam macht.

Der äquivalente Querschnitt der Schmelzelemente der Vorstufe sollte so gewählt werden, dass deren Zerfall kurz vor Erreichen des Maximums der Stromwellenform erfolgt. Daher basiert die Auswahl der Anzahl, des Querschnitts und der Länge der schmelzbaren Elemente normalerweise auf dem Energiekriterium und dem Joule-Integralkriterium, wie in Ref. 30 dargestellt. Aufgrund der starken Nichtlinearität der im TSFF auftretenden Phänomene und ihres Einflusses auf die PFS-Schaltung handelt es sich bei dieser Methode jedoch um eine Näherungsmethode. Um die optimalen Betriebsbedingungen effektiv zu bestimmen, ist die Verwendung einer experimentellen Methode erforderlich. Da in der Vorbereitungsphase keine sehr hohen Überspannungen erzeugt werden müssen (die lediglich die Zündung von CSG gewährleisten sollen), ist es möglich, das TSFF-basierte PFS aus Quellen zu versorgen, die nicht in der Lage sind, eine hohe Dynamik des Stromdichteanstiegs sicherzustellen. ohne wesentlichen Einfluss auf den Wert der durch die Umformstufe gebildeten Überspannung. Tatsächlich ist es die Vorbereitungsstufe, die in jedem Fall die entsprechende hohe Dynamik des Stromdichteanstiegs für die Schmelzelemente der Formierungsstufe gewährleistet.

Abbildung 4 zeigt ein vereinfachtes schematisches Diagramm des PFS mit einer zweistufigen Formsicherung in zwei Betriebsstufen. Typische, idealisierte Wellenformen elektrischer Größen, also TSFF-Ströme und -Spannungen in PFS, sind in Abb. 5 dargestellt.

Schematische Darstellung des TSFF-basierten PFS während des Betriebs in der Vorbereitungsphase (a) und in der Impulsformungsphase nach der Zwischenkommutierung (b): C0 – Impulskondensatorbank mit Spannung uc, T – Trigatron (getriggerte Funkenstrecke), L – Forminduktivität, DPC – entionisierender Plasmakanal, iF, uF – Sicherungsstrom und -spannung, i1, i2 – Strom der Vorbereitungs- und Formierungsstufe.

Idealisierte Verläufe elektrischer Größen im TSFF-Betrieb mit markierten Kennwerten (Symbole gemäß Abb. 4 und Beschreibungstext). Illustrative Zeichnung, nicht maßstabsgetreu.

Der TSFF-Betriebsprozess kann in vier Phasen unterteilt werden:

Der Strom steigt durch die Vorbereitungsstufe bis zu seinem Zerfall an und erzeugt eine anfängliche Überspannung für die Zündung der CSG-Entladung.

Stromumschaltung von der Vorbereitungsstufe zur Umformstufe nach Zerfall der Schmelzelemente der Vorbereitungsstufe.

Stromfluss durch die Formierungsstufe mit gleichzeitiger Wiederherstellung der elektrischen Stärke eines Plasmakanals, der nach dem Zerfall der schmelzbaren Elemente der Vorbereitungsstufe gebildet wurde (Nullstromintervall).

Schnelle Begrenzung des Stroms durch Elektroexplosion der schmelzbaren Elemente der Umformstufe. Erzeugung einer erheblichen Überspannung in der Formspule.

Abbildung 6 zeigt ein vereinfachtes TSFF-basiertes PFS-Schaltungsmodell, einschließlich konzentrierter Peripherieelemente, die beide Stufen der Sicherung darstellen, auf deren Grundlage eine Analyse des Systembetriebs möglich ist.

Vereinfachtes TSFF-basiertes PFS-Pumped-Circuit-Modell (Erläuterung der Symbole finden Sie im Beschreibungstext).

Wie beim einstufigen FF-Design beginnt Phase 1 des TSFF-Betriebs in dem Moment, in dem der Stromfluss von der Quelle (Kondensatorbank oder FCG) in den Formierkreis eingeleitet wird, wie in Abb. 6 dargestellt. In der Anfangsphase beträgt die Summe Der Sicherungsstrom iF fließt vollständig durch die Elemente der Vorbereitungsstufe i1 und führt zu einer Erhöhung ihrer inneren Energie, Temperatur und damit ihres Widerstands. Bis die schmelzbaren Elemente in der Vorbereitungsphase das Niveau an innerer Energie erreichen, das erforderlich ist, um den Prozess ihres Schmelzens (zum Zeitpunkt th) und Zerfalls (der den Strom im Vergleich zum erwarteten Entladestrom der Kondensatorbank iexp begrenzt) einzuleiten, weist TSFF die folgenden Merkmale auf eines einstufigen FF durch galvanische Trennung der Umformstufe durch CSG. Zum Zeitpunkt des Beginns des Zerfalls der schmelzbaren Elemente der Vorbereitungsstufe steigt ihr Ersatzwiderstand schnell an und infolgedessen erhöht sich der Spannungsabfall in der TSFF-Vorbereitungsstufe, bis die CSG-Zündspannung USGI erreicht wird. Aufgrund eines erheblichen Anstiegs des Widerstands der Elemente der Vorbereitungsstufe ist der Spannungsabfall am CSG hauptsächlich ohmsch. Somit ergibt sich in Phase 1 des TSFF-Betriebs der Spannungsabfall am CSG direkt aus dem Zustand der Schmelzelemente der Vorbereitungsstufe und wird durch die Beziehung (1) bestimmt.

wobei RS1, LS1 Widerstand und Induktivität der Vorbereitungsstufe.

Sobald der Spannungsabfall am CSG zum Zeitpunkt tc' den konstruktiv bedingten Wert der Zündspannung der Funkenstrecke erreicht, beginnt die Kommutierung des Stroms zur Formierungsstufe. Aufgrund des eingeleiteten Zerfallsphänomens der Schmelzelemente in der Vorbereitungsphase wird der im Stromkreis fließende Strom in gewissem Maße begrenzt. Der Begrenzungsfaktor γi, definiert als das Verhältnis des in die Formierungsstufe kommutierten Stroms Ic zum Maximalwert des Vorstufenstroms Imax (2), ergibt sich aus der Zündspannung USGI, bei der der Strom kommutiert wird, und steht im Zusammenhang mit der Zustand der schmelzbaren Elemente der Vorbereitungsstufe zum Zeitpunkt der Zündung des CSG.

wobei Imax Maximalwert des TSFF-Vorbereitungsstufenstroms.

Zum Zeitpunkt tc' der CSG-Zündung beginnt die Umwandlung des Stroms von der Vorbereitungsstufe zur Formierungsstufe aufgrund des viel niedrigeren Werts des Ersatzwiderstands der „kalten“ Schmelzelemente der Formierungsstufe. Zu Beginn des Kommutierungsprozesses haben die schmelzbaren Elemente der Vorbereitungsstufe Umgebungstemperatur, im Gegensatz zu der (hochohmigen) Plasmasäule, die nach dem Zerfall der schmelzbaren Elemente der Vorbereitungsstufe gebildet wird.

Die Dynamik des Stromkommutierungsprozesses zwischen den Stufen im Zeitintervall tc' bis tc'' kann durch Gl. (3) mit ungefähren Anfangsbedingungen (4). Das vorgestellte Peripheriemodell zum Zweck der qualitativen Analyse der während des Betriebs des TSFF ablaufenden Prozesse wurde vereinfacht und auf die Hauptelemente beschränkt, ohne die kleineren parasitären Elemente des TSFF zu berücksichtigen. In der Praxis sind die Zeitkonstanten (in der Größenordnung von ps), die sich aus der Existenz von z. B. verteilten Kapazitäten von TSFF-Strukturen und Strompfaden ergeben, aus der Perspektive der relativ „langen“ Zeitkonstanten im ns-Bereich thermoelektrischer und thermomagnetischer Systeme nicht wahrnehmbar. hydrodynamische Prozesse.

Es ist davon auszugehen, dass es während der Kommutierung zu keiner nennenswerten Erhöhung des Widerstandes der Umformstufenelemente kommt, also RS2 ≈ const. Während der Widerstand RS1 weiter ansteigt, ist der Induktivitätswert der Sicherungsvorbereitungsstufe LS1 vernachlässigbar. In so kurzer Zeit bleibt die Spannung am Quellkondensator uC konstant. Nach der Lichtbogenzündung im CSG ist der Spannungsabfall uCSG ebenfalls vernachlässigbar und hat keinen Einfluss auf den Kommutierungsvorgang.

wobei L die Induktivität bildet, RS2, LS2 den Stufenwiderstand und die Induktivität bilden.

Die entscheidenden Parameter, die die Dynamik der Zwischenkommutierung bestimmen und sich aus den Anfangsbedingungen des Kommutierungsprozesses ergeben, sind neben den Parametern des Kommutierungskreises die Zündspannung USGI der Kommutierungsfunkenstrecke und die Induktivität der Sicherungsstufe. Unter Berücksichtigung dieser Tatsache und der Tatsache, dass die Stromdichte in den Schmelzelementen mit zunehmender Anzahl paralleler Elemente abnimmt, kann daraus geschlossen werden, dass es eine gewisse optimale Anzahl an Schmelzelementen der Formungsstufe im Verhältnis zur Vorbereitungsstufe gibt. Derzeit laufen Optimierungsstudien, um die optimalen Betriebsparameter des TSFF zu ermitteln. Aufgrund der erheblichen Nichtlinearität der Gl. (3) Parameter, die Lösung kann numerisch bestimmt werden, indem beispielsweise das Widerstandsmodell der sich bildenden Sicherung verwendet wird, wie in Ref.30 oder Ref.12.

Der Prozess der Stromkommutierung von der Vorbereitungs- zur Formierungsstufe endet zum Zeitpunkt tc'', zu dem der gesamte Sicherungsstrom durch die Formierungsstufe fließt, iF = i2. Von nun an (Phase 3 des TSFF-Betriebs) erreicht die Spannung uF an der Sicherung für eine kurze Zeit, die zur Erhöhung der inneren Energie der Schmelzelemente der Formierungsstufe erforderlich ist, einen kleinen Wert, der aus dem Spannungsabfall an ihrem äquivalenten Anfangswiderstand (Widerstand) resultiert der Elemente bei einer Temperatur nahe der Umgebungstemperatur). Abhängig von der Anzahl der Schmelzelemente der Formierstufe und dem Wert der an der Kapazität C0 verbleibenden Spannung uC ist es möglich, gemäß Gl. (5).

Unabhängig von der Umwandlung des Stroms von der Vorbereitungsstufe in die Formierungsstufe wird der Zerfallsprozess der Schmelzelemente in der Vorbereitungsstufe nicht gestoppt. Nach der Kommutierung des Stroms in die Formierungsphase erfolgt die weitere radiale Ausdehnung des Plasmakanals in der Vorbereitungsphase (was zu einer Vergrößerung des Durchmessers der Plasmasäule führt) und deren intensive Entionisierung im stromlosen Zustand (Nullstromintervall). stattfinden, wodurch der Ersatzwiderstand RS1 weiter erhöht wird.

Sobald die Schmelzelemente der Umformstufe zum Vorzündzeitpunkt tp die erforderliche innere Energie erreicht haben, wird der Strom durch Elektroexplosion der Schmelzelemente der Umformstufe schnell auf Null begrenzt und es entsteht an der Sicherung die Überspannung mit dem Extremwert Umax. Eine solch hohe Überspannung ist aufgrund folgender Merkmale der Umformstufenelemente möglich:

Ein viel höherer Wert und eine viel höhere Steilheit des Stromdichteanstiegs in den Schmelzelementen im Bildungsstadium (aufgrund ihres kleineren äquivalenten Querschnitts) führt zu ihrer höheren Zerfallsdynamik, d. h. sorgt für eine schnellere radiale Expansion der Plasmasäule, was zur Folge hat auch der äquivalente Kanalwiderstand steigt schneller an.

Die Schmelzelemente der Formierungsstufe können eine viel größere Länge aufweisen als die der Vorbereitungsstufe, so dass sie bei der Trennung einer größeren Anzahl von Elementarlichtbogenstrecken, also bei einem höheren Spannungswert der Mehrbogensäule, zerfallen können .

Aufgrund des kleineren äquivalenten Querschnitts der sich bildenden Schmelzelemente weist der durch ihre schnelle Elektroexplosion entstehende Plasmakanal eine geringere Dichte an freien Ladungsträgern auf, weshalb sein äquivalenter Widerstand höher ist und sein Entionisierungsprozess mit größerer Geschwindigkeit abläuft Dynamik.

Während des letzten Strombegrenzungsprozesses erscheint die Spannung der Formierungsstufe auch an der Plasmasäule der Vorbereitungsstufe, die während des Nullstromintervalls tp − tc'' die elektrische Wiederherstellungsstärke frei wiederherstellen konnte. Aufgrund der extremen erzeugten Überspannungen und des viel schnelleren Anstiegs des Ersatzwiderstands in der Sicherungsbildungsstufe beginnt der Rückleckstrom durch die Plasmasäule der Vorbereitungsstufe zu fließen, erreicht den Maximalwert Ir und wird durch teilweises Leiten des Stroms begrenzt Durch die Umformstufe der Schmelzelemente kann eine gewisse Reduzierung der erzeugten Überspannung bewirkt werden. Aufgrund des tiefen Entionisierungszustands seines Plasmakanals und der geeigneten Auswahl der Sicherungsparameter führt der Rückstrom der Vorbereitungsstufe nicht zu seiner erneuten Ionisierung, was zu einer wirksamen Strombegrenzung auf Null zum Zeitpunkt toff führt.

Wenn jedoch das Nullstromintervall der Vorbereitungsstufe zu kurz ist, kann es zu einer erneuten Ionisierung des noch entionisierenden Plasmakanals kommen, wodurch ein hoher Folgestrom entsteht (Entladung der in der Kondensatorbatterie verbleibenden Energie). kann fließen. In diesem Fall sind die Strombegrenzung und die Impulsformung möglicherweise unwirksam.

Daher ist es notwendig, den Wert des Rückstroms Ir durch geeignete Auswahl der Querschnitte n1S1 der Vorbereitungsstufe und n2S2 der He-Bildungsstufe zusammen mit dem Wert der CSG-Zündspannung USGI zu minimieren und dabei die entsprechende Länge sicherzustellen der Elemente der Formierungsstufe und Bereitstellung einer ausreichend langen Entionisierungszeit tp − tc'' des Plasmakanals der Vorbereitungsstufe. Der gesamte Strombegrenzungsprozess im Intervall toff − tp sollte so schnell wie möglich abgeschlossen sein, um die Effizienz des Impulsformungsprozesses zu maximieren.

Eine zweistufige Formsicherung weist hinsichtlich Prinzip und Wirksamkeit Eigenschaften auf, die mit einem einstufigen FF jeglicher Bauart nicht zu erreichen sind. Bei einem einstufigen FF sollten die Schmelzelemente in der Anfangsphase des Betriebs die Möglichkeit gewährleisten, dass der sich bildende Induktivitätsstrom auf einen bestimmten, oft großen Wert ansteigt (in der Größenordnung von Hunderten von kA und sogar MA24). . Daher sollten sie einen sehr niedrigen Leitungswiderstand aufweisen und den höchstmöglichen Wert des Joule-Integrals I2tp vor dem Lichtbogen liefern, das das Maß für die auf die schmelzbaren Elemente ausgeübte Energiedichte ist und durch die Art des schmelzbaren Materials und das Quadrat von bestimmt wird das Produkt aus dem Querschnitt S und der Anzahl der Schmelzelemente n gemäß (6).

wobei: KM-Meyer-Konstante oder spezifisches Integral des schmelzbaren Materials (für Kupfer: KMCu ≈ (1,2 ÷ 1,4)‧1017 A2s/m4, oder Silber: KMAg ≈ (0,8 ÷ 1)‧1017 A2s/m4)37.

Es ist erwähnenswert, dass die Meyer-Konstante KM unter den Bedingungen einer schnellen Erwärmung von schmelzbaren Elementen in FF, verbunden mit einem signifikanten Steilheitswachstum der Sicherungsstromdichte dj/dt, geringfügig höhere Werte erreichen kann29,38 als die in der Literatur angenommenen Entwurfswerte.

Der Ersatzwiderstand der Sicherung ist proportional zur Länge der Schmelzelemente und umgekehrt proportional zu ihrem Ersatzquerschnitt. Um einen ausreichend hohen PFS-Strom zu erhalten, ist es notwendig, den Sicherungswiderstand im leitenden Zustand durch Minimierung der Länge und Maximierung des Querschnitts und der Anzahl der Schmelzelemente zu minimieren.

Andererseits sollte der PFS-Strom nach Erreichen des Maximalwerts schnell auf Null reduziert werden, sodass der Sicherungswiderstand in kürzester Zeit den höchstmöglichen Wert erreichen sollte (der durch den Sicherungszerfallmechanismus bestimmt wird29,39). . Einer der Schlüsselfaktoren, die die Art des Zerfallsmechanismus der Schmelzelemente bestimmen, ist der Maximalwert der Stromdichte jmax und die Steilheit des Stromdichteanstiegs dj/dt. Aufgrund der oben genannten Bedingungen sollten in der zweiten Phase des FF-Betriebs (d. h. der Strombegrenzungsphase) Anstrengungen unternommen werden, um eine möglichst große Dynamik des Strombegrenzungsvorgangs auf Null und eine möglichst schnelle Wiederherstellung der Spannungsfestigkeit zu erreichen hergestellt, um den Querschnitt und die Anzahl der parallelen Schmelzelemente zu minimieren und ihre Länge zu maximieren.

Die oben genannten Kriterien für die Auswahl schmelzbarer Elemente, die über die Wirksamkeit der Impulsformung durch den FF entscheiden, sind entgegengesetzt. Daher ist die Auswahl einer angemessenen Anzahl, eines geeigneten Querschnitts und einer geeigneten Länge einstufiger FF-Elemente nicht in der Lage, die optimalen Betriebsbedingungen der Sicherungen im PFS zu gewährleisten. Gleichzeitig ermöglicht die Konstruktion von TSFF die funktionale Anpassung der Schmelzelemente in beiden Phasen der Sicherung (Vorbereitungs- und Formierungsphase) an die Betriebsbedingungen in der Zeit des Stromanstiegs und der Zeit des Ausschaltens. Bei beiden TSFF-Sicherungsstufen ist die Anzahl, der Querschnitt und die Länge der Schmelzelemente an die Betriebsphasen im PFS angepasst, d PFS formt die Induktivität auf den höchstmöglichen Wert, während eine kleine Anzahl von Formelementen mit kleinerem Durchmesser und größerer Länge eine schnelle Strombegrenzung und damit eine viel höhere Effizienz des Impulserzeugungsprozesses gewährleistet. Aufgrund des unvergleichlich höheren Wertes der Stromdichte und der Steilheit ihres Anstiegs in der Bildungsstufe der schmelzbaren Elemente im Vergleich zur Vorbereitungsstufe ist ihr Zerfall gemäß dem Kriterium (7)38,40,41 homogener Explosionscharakter.

wobei tr Zeit bis zum Zerfall der Schmelze, τI Zeitkonstante der Entwicklung von Oberflächen- und inneren Instabilitäten im schmelzbaren Element, die mit (8)42,43 abgeschätzt werden kann, ungefähr unabhängig von der Länge und Wicklungsgeometrie der schmelzbaren Elemente.

wobei ρ Dichte des schmelzbaren Materials, μ0 absolute magnetische Vakuumpermeabilität, jmax Maximalwert der Stromdichte des schmelzbaren Elements zum Zeitpunkt vor dem Zerfall.

Für die in dieser Arbeit betrachteten Werte von Strömen und Zeiten erreicht die Zeitkonstante τI der Entwicklung von Oberflächen- und internen Instabilitäten Werte im Bereich von Hunderten von ns bis zu einzelnen μs. Um eine homogene Natur der Explosion schmelzbarer Elemente sicherzustellen, sollte daher die Zeit bis zu deren Zerfall kürzer als τI sein. Der Prozess der elektroexplosiven Zersetzung schmelzbarer Elemente unter Bedingungen eines steilen Anstiegs der Stromdichte mit der Isolierung elementarer Lichtbogenstrecken (streifenförmiger Zerfall von Sicherungsdrähten aufgrund elektrodynamischer und thermodynamischer Kräfte29,39), begleitet von der Bildung und Entionisierung von Plasmakanälen, ist in Abb. 7 dargestellt.

Schematische Darstellung des elektroexplosiven, streifenförmigen Zerfallsprozesses des Schmelzelements unter den Bedingungen einer signifikanten Stromdichtesteilheit.

Das Design des TSFF ist eine Kombination aus zwei einstufigen FF-Sicherungen mit an die beiden Phasen des Sicherungsbetriebs angepassten Merkmalen. Die Elemente der Umformstufe haben im Vergleich zur Vorstufe einen deutlich kleineren Äquivalentquerschnitt n2S2 und eine größere Länge l2, was durch die Beziehungen (9) ausgedrückt wird. Eine Vergrößerung der Länge der Schmelzelemente der Formierungsstufe unter Beibehaltung der spezifizierten Gesamtabmessungen der TSFF-Sicherungskammer kann durch spiralförmiges Aufwickeln der Elemente oder Aufwickeln entlang einer Polygonkette auf isolierenden Trägern möglich sein, wie in Abb. 3a dargestellt.

Ist es erforderlich, den TSFF-Joule-Integralwert äquivalent zu einem einstufigen FF zu erreichen, wird die Anzahl der parallelen Vorstufenelemente im Verhältnis zum einstufigen FF reduziert und das daraus resultierende Defizit mit dem Wert des Joule-Integrals von ausgeglichen die Formstufenelemente.

Aufgrund der deutlich höheren Steilheit des Stromdichteanstiegs dj/dt in den Schmelzelementen der Umformstufe ist es erforderlich, einen Wickeldraht mit entsprechend kleinerem Durchmesser zu verwenden, um das Phänomen der Magnetfelddiffusion im Inneren des Leiters zu begrenzen. Ein zu großer Durchmesser der schmelzbaren Elemente in Kombination mit einer ausreichend kurzen Kommutierungszeit zwischen den Stufen kann zu einer inhomogenen Oberflächenerwärmung und einer ablativen Explosion des schmelzbaren Elements führen29, die auftritt, wenn die zum Verdampfen des gesamten schmelzbaren Materials erforderliche Zeit viel kürzer ist als die elektromagnetische thermische Zeitkonstante der radialen Stromdichtediffusion innerhalb des Schmelzelements.

Aufgrund des Stromdiffusionsphänomens und der begrenzten (um viele Größenordnungen niedrigeren) thermischen Diffusionsgeschwindigkeit erfolgt die Verdampfung des schmelzbaren Materials bei der ablativen Explosion zunächst nur auf der Leiteroberfläche, oft sogar bevor der Kern des schmelzbaren Elements den flüssigen Zustand erreicht. Der Vorgang dieser Art findet in Leitern mit beträchtlichem Durchmesser im Verhältnis zur Eindringtiefe des Stroms statt, die dem Fluss von Strömen mit beträchtlicher Dichte und hoher Dynamik ausgesetzt sind. Die ablative Explosion eines Leiters ist viel weniger dynamisch als die homogene Explosion, daher handelt es sich im Fall von FF um ein unerwünschtes Phänomen und das Risiko ihres Auftretens sollte durch die Verwendung von Schmelzelementen mit geeignet kleinem Durchmesser begrenzt werden.

Um den Einfluss des Schmelzelementdurchmessers auf die interne Stromdichteverteilung zu visualisieren, wurden numerische Simulationen des Stromflusses in leitenden Elementen des Sicherungsraums (Abb. 8) bestehend aus 24 parallelen Sicherungen mit Durchmessern von 0,25 mm und 0,125 mm durchgeführt wurden im Übergangszustand als Reaktion auf einen Zwangsstrom mit erheblicher linearer Steilheit (über 100 kA/μs in einer einzelnen Sicherung) simuliert. Die Simulationstests wurden im Zeitbereich unter Verwendung der Finite-Elemente-Methode (basierend auf der magnetothermischen Diffusion und den Maxwell-Gleichungen und unter Berücksichtigung der Kopplung elektromagnetischer und thermischer Felder) in der Computerumgebung CST Studio 202244 durchgeführt.

Diskretisiertes Modell des Innenraums des Sicherungsraums bestehend aus 24 parallelen Schmelzelementen (300 mm lang und 0,25 mm oder 0,125 mm im Durchmesser).

Die Abbildungen 9 und 10 zeigen visualisierte Verteilungen des Absolutwerts der Stromdichte j im Querschnitt eines einzelnen Schmelzelements mit einem Durchmesser von 0,25 mm bzw. 0,125 mm zu ausgewählten Zeitpunkten des Stromanstiegs.

Visualisierung der dynamischen Verteilung der Stromdichte im Querschnitt eines Silberschmelzelements mit einem Durchmesser von 0,25 mm während des Stromflusses mit deutlicher Steilheit.

Visualisierung der dynamischen Verteilung der Stromdichte im Querschnitt eines Silberschmelzelements mit einem Durchmesser von 0,125 mm während des Stromflusses mit deutlicher Steilheit.

Die Abbildungen 9 und 10 zeigen, dass den Annahmen zufolge der Einfluss des Schmelzelementdurchmessers auf die Stromdichteverteilung ein Faktor ist, der bei Stromimpulsen mit deutlich ansteigender Steilheit (wie im Fall von) berücksichtigt werden sollte Zwischenkommutierung). Eine ungleichmäßige Stromdichteverteilung kann die Art des Sicherungszerfallprozesses verändern und die PFS-Erzeugungseigenschaften verschlechtern. Aus diesem Grund sollten in der TSFF-Formungsphase schmelzbare Elemente aus einem Draht mit kleinerem Durchmesser als in der Vorbereitungsphase verwendet werden.

Auf der Grundlage der repräsentativen TSFF-Stromkurven (Abb. 5) ist es möglich, ungefähre Abhängigkeiten zu entwickeln, die die Werte der Joule-Integrale für die Vorbereitungsstufe I2t1 und die Formungsstufe I2t2 gemäß (10) bzw. (11) bestimmen. Der Einfachheit halber wurde eine dreieckige Wellenform des Stroms i1 und eine trapezförmige Wellenform von i2 angenommen. Es wurden Bezeichnungen entsprechend Abb. 5 übernommen.

wobei γi Strombegrenzungsfaktor, definiert als (2), t2AV durchschnittliche Zeit des Stromflusses durch die Elemente der Umformstufe, definiert als (12).

wo toff Strombegrenzung auf Nullzeit. Es wurden Bezeichnungen gemäß Abb. 5 übernommen.

Basierend auf Abb. 5 ist es auch möglich, die ungefähren Durchschnittswerte der Steilheit des Stromdichteanstiegs in den Schmelzelementen der Vorbereitungsstufe dj1/dtAV und der Formierungsstufe dj2/dtAV zu bestimmen, Gl. (13) bzw. (14).

Das Verhältnis der Steilheit der Stromdichtedynamik in der Formierungsstufe und der Vorbereitungsstufe kann aus Gleichung (1) bestimmt werden. (15).

Auf der Grundlage der Gl. (10) und (11) ist es möglich, die Zeiten des Stromflusses durch die Schmelzelemente tc'' und t2AV zu bestimmen und Gleichung zu vereinfachen. (15) zu einer Form, die nur vom Verhältnis der äquivalenten Querschnitte der Vorbereitungs- und Umformstufenelemente (16) abhängt. Es ist zu beachten, dass die Meyer-Konstante KM (6) für unterschiedliche Steilheiten der Stromdichte dj/dt unterschiedliche Werte annehmen kann, im Bereich der Variabilität jedoch nach oben durch das Doppelte ihres Anfangswertes begrenzt ist29,38.

Der tatsächliche Wert des Strombegrenzungsfaktors γi liegt im Bereich von 0,5 bis 1 und hängt hauptsächlich von der CSG-Zündspannung USGI ab. Daraus lässt sich schließen, dass der Wert des Kriteriums (16) maximiert werden sollte, um die sich bildenden Zündschnüre durch eine schnelle Explosion aufzulösen. Kriterium (16) ist hochgradig nichtlinearer Natur (in der Potenz von 3), was eine deutliche Erhöhung der Steilheit des Stromdichteanstiegs in den Schmelzelementen der Formierungsstufe gewährleistet. Daher ist es möglich, TSFF mit Energiequellen und PFS mit relativ geringer Stromdynamik (z. B. FCG oder Superkondensatorbank) zu integrieren, ohne den Pulsformungsprozess wesentlich zu verschlechtern. Ein schneller Zerfall der Umformstufe (im Zusammenhang mit der erheblichen Steilheit des Stromdichteanstiegs) kann durch geeignete Auswahl äquivalenter Querschnitte der Schmelzelemente der Umformstufe im Verhältnis zu den vorbereitenden erreicht werden.

Das Verhältnis n1S1/n2S2 der effektiven Querschnitte der Schmelzelemente beeinflusst auch die Entionisierungszeit des Plasmakanals in der Vorbereitungsphase während des stromlosen Zustands nach der Stromumschaltung in die Formierungsphase. Diese Entionisierungszeit, die der durchschnittlichen Zeit t2AV des Stromflusses durch die Elemente der Formierungsstufe entspricht, kann mit einiger Näherung aus Gleichung (1) ermittelt werden. (17).

wobei κ = UC0/L ungefähre durchschnittliche Stromsteigung im PFS-Schaltkreis in Abhängigkeit von der anfänglichen Kapazitätsspannung UC0 und der sich bildenden Induktivität L unter den Bedingungen der TSFF-Versorgung aus der gepulsten Kondensatorbank. Im Falle einer TSFF-Kooperation mit der FCG hängt die Steilheit des aktuellen Anstiegs hauptsächlich vom FCG-Design ab.

Bei hochdichtem Plasma, das nach dem Zerfall schmelzbarer Elemente entsteht, erfolgt die Deionisierung durch Rekombination von Ladungsträgern, also Elektronen und Ionen. Die Entionisierung des Plasmakanals hängt weitgehend von den Kühlbedingungen und der Möglichkeit einer Plasmakanalausdehnung ab. Aufgrund der betrachteten Deionisierungszeiten im Bereich von Hunderten von Nanosekunden ist Strahlung der einzige wirksame Mechanismus zur Kühlung des nach dem Zerfall schmelzbarer Elemente gebildeten Plasmakanals, der aufgrund der Hochtemperaturbedingungen in der Sicherungskammer begrenzt ist. Daher ist der dominierende Faktor, der eine schnelle Deionisierung und die Erhöhung des äquivalenten Widerstands des Plasmakanals verursacht, die radiale Plasmaausdehnung45,46,47,48, die sich mit einer bestimmten Geschwindigkeit entwickelt, die sich aus der Dynamik der Elektroexplosion der Zündschnur ergibt. Dieses Phänomen führt zu einer deutlichen Verringerung der Dichte freier Ladungsträger im Plasmakanal als Funktion der Zeit. Je höher also die Zerfallsdynamik schmelzbarer Elemente ist, desto höher ist die anschließende Entionisierungsgeschwindigkeit des Plasmakanals.

Die vorläufigen Labortests haben gezeigt, dass der Drahtdurchmesser der Schmelzelemente in der Formierungsphase neben dem offensichtlichen Einfluss auf die Dynamik des Zerfalls selbst auch einen direkten Einfluss auf die Dynamik der radialen Expansion des Plasmakanals in der Zeit danach haben kann die Einleitung des Desintegrationsprozesses. Bei Elementen mit kleinerem Durchmesser ist die Wiederherstellungsgeschwindigkeit der elektrischen Isolationsfestigkeit des Kanals größer als bei Elementen mit größerem Durchmesser (wobei die gleichen äquivalenten Querschnitte beibehalten werden und das Kriterium der homogenen Erwärmung aufgrund des Skin-Effekts erfüllt wird). Die Forschung an einem qualitativen Modell dieses Phänomens ist im Gange.

Ein vorzeitiger Zerfall der schmelzbaren Elemente der Formierungsstufe im Verhältnis zum Beginn der Stromkommutierung verkürzt das Nullstrom-Zeitintervall, das zur Wiederherstellung der elektrischen Stärke des Plasmakanals der Vorbereitungsstufe erforderlich ist. In diesem Fall, wenn die Möglichkeit einer ausreichenden Erhöhung des Ersatzwiderstands RS1 nicht gewährleistet ist, führt das Auftreten einer erheblichen Überspannung nach der Elektroexplosion der Elemente der Formierungsstufe dazu, dass der Rückstromfluss erneut im Zweig der Vorbereitungsstufe stattfinden kann . Die Amplitude dieses Stroms hängt von der Dauer des stromlosen Zeitintervalls t2AV ab. Durch das Fließen des Rückstroms steigt die innere Energie des Plasmakanals der Vorbereitungsstufe wieder an. Wird der kritische Wert der inneren Energie bezogen auf die thermische Ionisationsenergie des Kanals überschritten, kann der Lichtbogen erneut zünden und der Folgestrom fließen.

In einem einstufigen FF, in dem das Nullstromintervall nicht auftritt, hat der Plasmakanal, der aus der Zersetzung schmelzbarer Elemente mit geringer Dynamik resultiert, aufgrund der kontinuierlichen Zufuhr thermischer Energie aus dem Plasmakanal eine begrenzte Möglichkeit, die elektrische Wiederherstellungsstärke wiederherzustellen begrenzter Strom. Folglich besteht im Vergleich zu TSFF eine viel höhere Wahrscheinlichkeit einer erneuten Lichtbogenzündung, nachdem der Strom auf Null begrenzt wurde (oder während des Begrenzungsprozesses bei der fallenden Stromflanke).

Eine Zusammenfassung der Hauptmerkmale und Eigenschaften von TSFF im Vergleich zu einstufigem FF ist in Tabelle 1 dargestellt.

Zusammenfassend lässt sich festhalten, dass die zweistufige Schmelzsicherung mit Funkenstreckenkommutierung aufgrund ihrer physikalischen Eigenschaften im Vergleich zur einstufigen FF deutlich bessere Betriebsparameter für die Hochleistungsimpulsformung in einem weiten Bereich von Strom-Spannung-Bedingungen bietet Lösungen.

Um das TSFF-Konzept zu verifizieren, wurde ein Labormodell entwickelt und hergestellt sowie eine Reihe von Labortests im vorgeschlagenen PFS durchgeführt, das von einer Impulskondensatorbank versorgt wird. Ziel der experimentellen Forschung war es, die auf der Grundlage theoretischer Analysen ermittelten Eigenschaften des TSFF zu bestätigen und einige Designlösungen zu korrigieren.

Die Fotos des TSFF-Modells, die seine Struktur und charakteristischen Elemente zeigen, sind in Abb. 11 dargestellt.

Fotos des TSFF-Labormodells: Seitenansicht der Umformstufe und der Kommutierungsfunkenstrecke (a) und ein Profil mit einer Nahaufnahme der Struktur der Kommutierungsfunkenstrecke (b): 1 – Schnellmontagesystem für Schmelzelemente, 2 – Schmelzelemente der Umformstufe, 3 – Isolierstützen, 4 – isolierende Trennwand des Sicherungsfachs, 5 – einstellbare CSG-Elektrode, 6 – Durchführungsisolator und Halterung für die untere Innenmontage der Schmelzelemente, 7 – externer Sicherungskäfig mit integriertem Strommesswandler zur Messung der Sicherungsstromkomponenten, 8 – Isolierrohr des Sicherungsfachs, 9 – externer Sicherungsanschluss, 10 – Schmelzelemente der Vorbereitungsstufe, 11 – untere Innenanschlüsse mit Haken, 12 – Gasdichtung des Sicherungsfachs, 13 – Breitband-Impulsstrom Messumformer. Der ungefähre Stromflusspfad der Vorbereitungsstufe ist mit roten Pfeilen markiert, während die blauen Pfeile den Stromflusspfad der Formierungsphase anzeigen.

Die Tragstruktur für die Schmelzelemente ist flach ausgebildet, das heißt, beide Stufen des FF sind durch eine isolierende Barriere in Form einer Platte aus Polyoxymethylen-Material getrennt. Die Vorbereitungsstufenelemente (mit einer Länge von 320 mm) werden auf einer Seite der Barriere (wie in Abb. 11 dargestellt) zwischen den Innenelektroden der FF-Kammer aufgehängt. Die isolierende Barriereplatte trägt die Formstufenelemente auf den Isolierstäben, was die Montage einer vieleckigen Wicklung aus Silberdrähten ermöglicht. Die Tragkonstruktion mit Schmelzelementen wird in Form eines Polyamidrohrs, an dessen Enden zwei Außenanschlüsse angebracht sind, im Sicherungsraum platziert. Durch die Verwendung von isolierenden Stützstäben und der Polygonwicklung der Schmelzelemente in der Formstufe kann deren Länge auf l2 = 430 mm erhöht werden. Beim spiralförmigen oder polygonalen Wickelverfahren werden die Schmelzelemente derselben Stufe (Vorbereitung oder Formung) so positioniert, dass über ihre Länge ein gleichmäßiger Potentialgradient (während des Zerfallsvorgangs) gewährleistet ist, was bedeutet, dass sich zwei beliebige Elemente schließen zueinander liegende Punkte entlang der Länge der Schmelzdrähte haben ein ähnliches Potential. Dieses Verfahren dient dazu, die Wahrscheinlichkeit einer Zündung von Entladungen zwischen den Schmelzelementen zu begrenzen. Andererseits kann es aufgrund möglicher Störungen in der Struktur des Schmelzdrahtes (der zusätzlich bei der Produktion kalibriert wurde) zu geringfügigen Potenzialunterschieden kommen. Daher sollten die Schmelzelemente voneinander getrennt werden. Die Studie ging erfolgreich von einem Mindestabstand von 5 mm aus. Mit der vorgeschlagenen Methode der Schmelzelementwicklung (dargestellt in Abb. 11a) beträgt die maximale Anzahl von Elementen in der Vorbereitungsphase dieses speziellen TSFF-Labormodells n1max = 10, während sie für die Formierungsphase n2max = 6 beträgt. Abbildung 11b zeigt ein vereinfachtes Design der TSFF-Kommutierungsfunkenstrecke in Form einer geeignet geformten Kupferkathode und Aluminiumanode. Durch entsprechende Montage der Kupferelektrode ist es möglich, den Abstand zwischen den Funkenstreckenelektroden und damit die Zündspannung USGI im Bereich von 50 kV bis ca. 50 kV einzustellen. 180 kV. Der Mindestwert der Zündspannung USGI darf auf keinen Fall niedriger sein als die Versorgungsspannung des PFS-Kreises (wie im Fall der vorgestellten Arbeit – 10 kV). Wenn der USGI in der Vorbereitungsphase nicht erreicht wird, findet keine Kommutierung statt und TSFF verhält sich wie ein einstufiger FF mit den Parametern der Vorbereitungsphase. Erfolgt die CSG-Zündung zu früh, also vor dem Zerfall der Schmelzelemente der Vorstufe, zerfallen die Schmelzelemente beider Stufen zeitlich annähernd parallel und die erreichten Parameter sind auch mit der einstufigen vergleichbar FF.

Um die relevanten Komponenten des TSFF-Stroms (Vorstufenstrom i1 und Formierungsstrom i2) getrennt messen zu können, wurde im unteren Teil des Modells ein entsprechender konzentrischer Stromteiler eingebaut. Der interne Pfad dieses Teilers leitet nur die Stromkomponente der Vorbereitungsstufe (durch die Verwendung einer Isolierbuchse innerhalb der Sicherungskammer), während der äußere Pfad (Stromkäfig) nur den Strom der Formierungsstufe leitet. Abbildung 11b zeigt die Flusswege der jeweiligen Sicherungsstromkomponenten. Im Falle der Nichtverfügbarkeit eines Stromwandlers mit geeignetem Messbereich ermöglicht die vorgeschlagene geometrische Lösung eine Erweiterung des Strommessbereichs durch Nutzung der Topologie des Stromteilers zusammen mit einer geeigneten Messkompensationsmethode49.

Abgesehen von den Parametern des PFS-Schaltkreises, in dem der FF installiert ist, wird die Effizienz der sicherungsbasierten Hochleistungsimpulsformung durch viele Designfaktoren der Sicherung beeinflusst, darunter:

Querschnitt und Geometrie eines einzelnen schmelzbaren Elements sowie die Anzahl paralleler Elemente,

Länge der Schmelzelemente,

Materialeigenschaften der schmelzbaren Elemente,

Art und Druck des Mediums (Isoliergas), das den Sicherungsraum füllt.

Die optimale Auswahl der oben genannten FF-Parameter zur Sicherstellung der richtigen Wirksamkeit des Impulsformungsprozesses ist ein Problem der nichtlinearen Multikriterienanalyse und nicht das Ziel dieser Arbeit. Derzeit wird an einer detaillierten Spezifikation des Einflusses ausgewählter TSFF-Betriebsparameter auf den Pulsformungsprozess gearbeitet.

Die Labortests des TSFF wurden in einem Labor-PFS durchgeführt, das von der Impulskondensatorbank bereitgestellt wird. Das Umformsystem wurde im Leerlaufzustand getestet, um keine zusätzlichen Parameter einzuführen, die den Betrieb des TSFF beeinträchtigen könnten, und um einen einfacheren Vergleich mit anderen in der Literatur beschriebenen PFS zu ermöglichen.

Der Laborprüfstand umfasst eine Energiequelle in Form einer Kondensatorbank mit einer Kapazität von C0 = 200 µF und einer geringen internen parasitären Induktivität (weniger als 100 nH – der durch Messung der Kurzschlussstromwellenform geschätzte Wert), vorgeladen auf UC0 = 10 kV. Weitere Elemente des PFS sind ein Trigatron T (elektrisch ausgelöste Funkenstrecke), eine kernlose Formspule (FC) mit einer Induktivität L = 2,2 µH und das TSFF-Modell. Das schematische Diagramm des Prüfstands ist in Abb. 12 und die Fotos des Prüfstands in Abb. 13 dargestellt.

Schematische Darstellung des TSFF-basierten PFS-Laborprüfstands: C0 = 200 μF – Batterie aus Impulskondensatoren, aufgeladen auf Anfangsspannung UC0 = 10 kV, T Trigatron, L = 2,8 μH – Forminduktivität, VD-Impulsspannungsteiler, PCM Pearson-Impulsstrom Monitor, HV-D-Hochspannungsdiodenstapel; HVCS-Hochspannungsladesystem, TPG-Auslöseimpulsgenerator, OF-Glasfaser, Ccoup-Hochspannungskopplungskondensatoren, i1, Isum-Strom der Vorbereitungsstufe und Gesamtstrom der Sicherung, uF-Spannung an der Sicherung.

Fotos des TSFF-basierten PFS-Laborprüfstands, der von einer Batterie aus Impulskondensatoren versorgt wird. Bezeichnungen gemäß Abb. 12.

Die TSFF-Spannung wurde mit einem ohmschen Impulsspannungsteiler VD mit der Frequenzbandbreite von DC bis ca. 10 MHz hergestellt, getestet und verifiziert an der Technischen Universität Danzig. Die Messung der in den einzelnen TSFF-Stufen fließenden Ströme wurde mithilfe von Breitband-Pearson-Stromwandlern50 mit geeigneten Bereichen und Messbändern durchgeführt, z. B. Pearson Current Monitors Modell 5624 (20 MHz, 20 kA) und Modell 4191 (7 MHz, 50 kA). Um die Messung der Stromkomponenten in beiden TSFF-Stufen zu ermöglichen, wurde im unteren Teil der Sicherungskammer eine Isolierbuchse installiert, die den Vorbereitungsstufenstrom des TSFF durch den unteren Sicherungsanschluss leitete und mit dem externen käfigartigen Strompfad nach außen verbunden wurde Sicherungsfach. Auf diese Weise konnte während der Tests sowohl der gesamte TSFF-Strom als auch der Strom der Vorbereitungsstufe gemessen werden. Die Stromwellenformen der Formierungsstufe wurden numerisch als Differenz zwischen den beiden gemessenen Komponenten bestimmt. Die Signale aller Messumformer, also Stromwandler und Spannungsteiler, wurden aufgrund des Auftretens von Potenzialunterschieden zwischen den Teilen des Stromkreises mit separaten und galvanisch getrennten Oszilloskopen (Tektronix MSO58, DPO4104 und DPO 4054 Klasse oder höher) aufgezeichnet Sie wurden installiert und um Übersprechen zwischen den Oszilloskopkanälen zu minimieren.

Die Abbildungen 14, 15 und 16 zeigen die Wellenformen des Stroms iF(t), der Spannung uF(t) und der Jouleschen Integrale I2t, die wie in (6) berechnet wurden. Sie wurden auf Basis experimenteller Tests des TSFF-Labormodells mit folgenden Parametern ermittelt: n1 = 8, n2 = 4, USGI = 130 kV. Bei diesen Parametern erreichte der Maximalwert der erzeugten Überspannung ca. 740 kV, was mehr als doppelt so hoch ist wie bei PFS mit einer einstufigen Sicherung bei ähnlichen Strombedingungen und ähnlichen Parametern der Schmelzelemente (Abb. 17).

TSFF-Strom-iF- und Spannungs-uF-Wellenformen während des Betriebs – Labortestergebnisse. Kennwerte sind in der Abbildung markiert.

TSFF-Strom-iF- und Spannungs-uF-Wellenformen während des Betriebs – Labortestergebnisse. Kennwerte sind in der Abbildung markiert. Nahaufnahme der Kommutierung und des Strombegrenzungsprozesses.

TSFF-Strom-iF- und Joule-Integral-I2t-Wellenformen während des Betriebs – Labortestergebnisse. Kennwerte sind in der Abbildung markiert. Nahaufnahme der Kommutierung und des Strombegrenzungsprozesses.

Vergleich der Wellenformen des Stroms iF und der Spannung uF des TSFF und der einstufigen Sicherung (SSF) während des Betriebs – Labortestergebnisse. Kennwerte sind in der Abbildung markiert. Nahaufnahme des aktuellen Begrenzungsprozesses.

Abbildung 15 zeigt die Wellenformen von Sicherungsstrom und -spannung mit einer Nahaufnahme des Kommutierungs- und Strombegrenzungsprozesses, der zu einer erheblichen und schnellen Überspannungsbildung führt. Der maximale Absolutwert der Strombegrenzungsdynamik di/dtmax betrug ca. 300 kA/μs. Abbildung 16 zeigt die Wellenform des TSFF-Joule-Integrals, auf deren Grundlage es möglich ist, die Näherungswerte der spezifischen Vor-Lichtbogen- und Ausschaltintegrale der Schmelzelemente der Formierstufe als Differenz des Vor-Lichtbogen-Integrals zu bestimmen I2tp des gesamten TSFF und das Integral zum Zeitpunkt der Zwischenstromkommutierung I2tc (analog I2toff im Fall des Abschaltintegrals). In der vorgestellten Variante wurden die Werte des Vorbrennintegrals und des Abschaltintegrals der Umformstufe bezogen auf das Quadrat der Querschnittsfläche der Elemente wie folgt berechnet:

Der Wert des eigentlichen Abschaltintegrals ist um ca. größer. 5 % als das Integral vor dem Lichtbogen. Ein sehr kleiner Unterschied in den dargestellten Werten beweist eine sehr hohe Zerfallsdynamik der sich bildenden schmelzbaren Elemente. Diese Werte können mit der Meyer-Konstante verglichen werden, da sie dieselbe physikalische Bedeutung haben und einen fast doppelten Anstieg der in den schmelzbaren Elementen der Formungsstufe während einer solch heftigen Elektroexplosion angesammelten Wärme im Vergleich zu typischen Werten aus der Literatur bestätigen (z. B. TSFF-Vorbereitungsstufe oder einstufige FF-Schmelzelemente)29,38 wie unten dargestellt Gl. (6).

Abbildung 17 vergleicht die Ergebnisse des Impulsformungsprozesses und der Überspannungserzeugung in Form von Wellenformen des Sicherungsstroms iF und der Spannung uF für zwei FF-Technologien: einstufige Sicherung und TSFF mit der gleichen Anzahl von Schmelzelementen: nSSF für eine einstufige Sicherung und nTSFF1 für die Vorbereitungsphase (im Fall von TSFF), nSSF = nTSFF1 = 8.

Die Laborergebnisse haben die Wirksamkeit des vorgeschlagenen Konzepts vollständig bestätigt. Beim Betrieb beider FFs mit den gleichen Parametern des PFS wurde im Falle der Verwendung von TSFF im Vergleich zu einem einstufigen FF eine mehr als 2,3-fache Verstärkung der erzeugten Überspannung mit entsprechender Reduzierung der Pulsdauer erreicht. Durch den Einsatz von TSFF konnte eine Überspannungsimpulssteilheit in der Größenordnung von 10.000 kV/μs erreicht werden.

Im Rahmen der TSFF-basierten PFS-Laborforschung wurden die Tests mit einer Hochgeschwindigkeitskamera aufgezeichnet, die es ermöglichte, das Phänomen der Teilentladungen (Teilionisation der Luft) im Raum um die Sicherung, den Spannungsteiler und die obere Armatur zu untersuchen der Formspule während des Impulsformungsprozesses (für den Überspannungsspitzenwert Umax = 740 kV). Ein ausgewähltes Bild aus dieser Aufnahme ist in Abb. 18 dargestellt. Aufgrund der hohen elektrischen Feldstärke im Raum um das TSFF-Modell war es notwendig, hochreine Isoliermaterialien mit sehr hoher elektrischer Festigkeit zu verwenden.

Blick auf Teilentladungen flüchtiger Natur im Raum um das TSFF-Modell, den Spannungsteiler und die obere Fassung der Formspule während des Impulsformungsprozesses (für den Überspannungsspitzenwert Umax = 740 kV).

Die mit dem Labormodell einer zweistufigen Umformsicherung durchgeführten Tests haben gezeigt, dass deren Design in Kombination mit einer geeigneten Auswahl der Parameter (äquivalente Querschnitte der Schmelzelemente der Vorbereitungs- und Umformstufe und die Spannung der Kommutierungsfunkenstrecke) ermöglicht eine größere Steilheit der Strombegrenzung auf Null im PFS und eine größere elektrische Rückflussfestigkeit der Sicherung im Vergleich zu den zuvor verwendeten einstufigen FFs. Folglich ermöglicht die TSFF die Bildung eines Überspannungsimpulses mit deutlich größerer Steilheit und maximalem Wert.

Das vorgeschlagene Konzept und die Konstruktion des TSFF ermöglichen die Erzielung von Hochleistungsimpulsformungsparametern, die viel günstiger sind als die, die herkömmliche einstufige FFs bieten. Das physikalische Funktionsprinzip und die Parameter von TSFF wurden durch Tests bestätigt, die unter Laborbedingungen am entworfenen und hergestellten Prototyp durchgeführt wurden, bei denen eine Überspannung von ca. Bei der Sicherungssäulenlänge von 350 mm wurden 740 kV erreicht, was mehr als doppelt so hoch ist wie bei der Verwendung einstufiger FFs beliebiger Konfiguration.

Basierend auf den Ergebnissen experimenteller Tests (Strom- und Spannungswellenformen) ist es möglich, die maximale Momentanleistung des erzeugten Impulses und die Leistungsdichte des Systems als universellen Indikator zu bestimmen, der die Wirksamkeit des Hochleistungsimpulsformungsprozesses bestimmt . Bei den oben genannten Tests erreichte die Spitzenleistung den Wert pmax ≈ 14.800 MW, während die Leistungsdichte (unter Berücksichtigung aller Elemente des Laborstandes) ca. pmax/V ≈ 61 GW/m3. Diese Werte sind deutlich höher als bei der Verwendung beispielsweise eines Marx-Generators, auch mit zusätzlichen Umformsystemen (pmax < 6000 MW), oder PFS mit herkömmlichen einstufigen Sicherungen (pmax < 5000 MW bei ähnlichen Versorgungsparametern).

Tabelle 2 stellt die in verschiedenen Technologien von Kompaktformungssystemen erhältlichen Parameter dar, die auf der Grundlage der Analyse verfügbarer Literaturquellen gesammelt wurden. Aufgrund des Vergleichs der Parameter der Erzeugungs- und Umformsysteme unterschiedlicher Technologien hat dieser Vergleich illustrativen Charakter.

Es sollte auch beachtet werden, dass es bei Verwendung von TSFF möglich ist, das System zu skalieren, indem die Anzahl paralleler Schmelzelemente (proportional für die Vorbereitungsstufe und die Formierungsstufe) erhöht und der Eingangsstrom gegenüber der vorherigen Erzeugungsstufe erhöht wird. Im Gegensatz zu anderen Technologien (einschließlich einstufiger FF) bietet TSFF die Möglichkeit, ein breites Spektrum an Stromquellen zu verwenden, ohne die Fähigkeit zur Bildung erheblicher Überspannungen zu verlieren, da es mit Stromquellen mit deutlich reduzierter Stromanstiegssteilheit, wie z. B. Superkondensatoren, betrieben werden kann Banken oder FCGs.

Derzeit laufen fortgeschrittene Arbeiten zur Entwicklung der TSFF-Technologie, einschließlich zahlreicher Labortests und Simulationsstudien. TSFF verfügt über ein großes Entwicklungspotenzial, vor allem in Richtung Anwendungen und Integration mit Stromquellen mit hoher Energiedichte (z. B. FCG für Strom- und Energieverstärkungsphänomene). Die Erzielung solch erheblicher Überspannungen mit einem sehr kleinen Volumen und damit einer erheblichen Leistungs- und Energiedichte eröffnet neue Anwendungsmöglichkeiten, vor allem im Bereich der gerichteten Energie, der Drohnenabwehrsysteme, der Prüfung der elektromagnetischen Verträglichkeit oder der Laborforschung, die Quellen mit hoher Leistung erfordert Impulse.

Gleichzeitig kann die ermittelte Dynamik des Zerfalls schmelzbarer Elemente, die bisher unerreichbar war, ein besseres Verständnis der Prozesse ermöglichen, die bei schnellen Phasenänderungen von Metallen ablaufen.

Die in der aktuellen Studie verwendeten und/oder analysierten Datensätze sind auf begründete Anfrage beim entsprechenden Autor erhältlich.

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Der Autor dankt der Technischen Universität Danzig, Fakultät für Elektrotechnik und Steuerungstechnik, für finanzielle Unterstützung. Der Autor möchte sich auch bei den Mitgliedern des Forschungsteams bedanken: Prof. Kazimierz Jakubiuk, Prof. Mirosław Wołoszyn, Dr. Marek Pikoń, Dr .

Fakultät für Elektrotechnik und Steuerungstechnik, Technische Universität Danzig, 80-233, Danzig, Polen

Nicholas Nowak

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MN ist der alleinige Autor des Manuskripts, hat alle Inhalte, Recherchen und Grafiken erstellt und ist für diese verantwortlich.

Korrespondent ist Mikołaj Nowak.

Der Autor gibt keine Interessenkonflikte an.

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Nachdrucke und Genehmigungen

Nowak, M. Das Konzept einer neuen zweistufigen Sicherung zur Hochleistungsimpulsformung. Sci Rep 12, 18176 (2022). https://doi.org/10.1038/s41598-022-23145-5

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Eingegangen: 27. Juni 2022

Angenommen: 25. Oktober 2022

Veröffentlicht: 28. Oktober 2022

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

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