Месяц Г.А. Импульсная энергетика и электроника

Подождите немного. Документ загружается.

160

Глава 8. Коаксиальные линии

твердой изоляцией

Рис. 8.1. Зависимость граничной частоты полосы пропускания кабелей от их длины с уче-

том

потерь

диэлектрике

проводниках

В связи со сложностью решения этого трансцендентного уравнения на рис. 1

приведены кривые зависимости граничной частоты полосы пропускания кабелей

от их длины для наиболее распространенных типов кабелей [3].

На рис. 2 приведены переходные характеристики кабеля РК-50-11-13 длиной 1,

5, 10 и 30 м [3], где

Л(?)

- отношение выходного напряжения [/

к входному 11\. При

необходимости расчета деформации импульса с формой, отличающейся от прямо-

угольной, следует применить интеграл Дюамеля. При этом выходное напряжение

*У

(0 имеет вид:

(0 = Щ- т) </т, (8.16)

где т - текущая переменная; 11{(т) - производная входного напряжения.

Методика приближенного вычисления интеграла Дюамеля изложена в главе 1.

I [НС]

Рис.

8.2.

Переходные характеристики

кабеля

РК-50-11-13

при

различных длинах

§8.3

Неоднородности в

коаксиальных линиях 161

§ 8.3 Неоднородности в коаксиальных линиях

В коаксиальных линиях, используемых в качестве формирующих и передаю-

щих элементов генератора высоковольтных наносекундных импульсов, возможно

возникновение двух типов неоднородностей. Это неоднородности, непосредствен-

но связанные с электрической схемой соединения отдельных узлов и цепей генера-

тора (при подключении к линии дополнительных элементов, при соединении ли-

ний с разным волновым сопротивлением, разветвлении линий и т.д.), а также не-

однородности конструктивно-монтажного характера (резкое изменение размеров

проводников, включение опорных изоляторов, обрыв линий и т.д.).

Для расчета влияния неоднородности первого типа на форму волны обычно

пользуются схемой замещения, состоящей из последовательно включенного

двухполюсника и генератора. Генератор состоит из источника напряжения

2^/пад, где {/„ад - напряжение падающей волны, имеющей произвольную форму

[6], и волнового сопротивления 2

передающей линии. Двухполюсник состоит

из входного сопротивления оставшейся части линии 2о и входного сопротив-

ления включаемого элемента схемы 2

\. Вид двухполюсника зависит от спосо-

ба включения неоднородности. Например, при включении элемента схемы с

сопротивлением 2

1 (однородная линия или активное сопротивление) в рассеч-

ку линии с волновым сопротивлением 2

, сопротивления 2

\ и 2

соединяются

последовательно. Если произвольный элемент с сопротивлением включить

в конце линии, то двухполюсником служит это сопротивление. При этом в слу-

чае короткого замыкания 2

1 = 0, а при разомкнутом конце линии 2

1 = °о. Не-

обходимо иметь в виду, что схема замещения справедлива только для проме-

жутка времени от прихода волны к месту неоднородности до возврата от конца

и начала линии тех волн, которые преломились и отразились в месте неодно-

родности. Для учета влияния отраженных волн можно пользоваться методом

наложения.

При анализе неоднородностей в линиях передачи и их воздействия на форму

импульса можно пользоваться результатами, полученными в технике СВЧ. При

этом необходимо знать верхнюю, т.е. наибольшую частоту /

в спектре импульса,

которую нужно передать без существенного изменения амплитуды и фазы. За ве-

личину /

можно принять верхнюю граничную частоту частотной характеристики,

соответствующую точке, в которой амплитуда падает до значения 1Л/2 амплитуды

на средних частотах. Связь между /

и длительностью фронта импульса опре-

деленной между уровнями 0,1-0,9 амплитуды, имеет вид [7]:

0 4

Л*^. (8.17)

Влияние неоднородности второго типа на форму волны напряжения в общем

случае [7] учитывается включением в место неоднородности П- или Т-образного

четырехполюсника, параметры которого зависят от характера неоднородности и

размеров линии. Простейшие неоднородности, которые будут интересовать нас,

можно заменять емкостью, включенной параллельно линии.

Рассмотрим скачкообразное изменение радиусов проводников коаксиального

кабеля, как одну из часто встречающихся неоднородностей.

11. Месяц Г. А.

162

Глава 8. Коаксиальные линии

твердой изоляцией

к 201

°21

Э Э Э

М 2т

"|__2О2_

Г*.

2о1

ХГЗ

(г)

^01

-X

С ^02

Рис. 8.3. Неоднородности

второго типа (а,

б, в)

и схема

их

замещения

(г)

Практически имеют место три случая:

1) изменяется диаметр только внутреннего проводника (рис. 3, а);

2) изменяется диаметр только внешнего проводника (рис. 3, б);

3) изменяются одновременно как тот, так и другой параметры (рис. 3, в). Во

всех случаях неоднородность учитывается включением емкости (рис. 3, г):

С = РИ

(8.18)

где В -

диаметр

внешнего проводника

(во

втором случае можно считать В - (Д +Д) /2).

Зависимость коэффициента Р от отношения диаметров представлена на рис. 4 [8].

Кривая <1\!В = 0 соответствует обрыву внутреннего проводника линии. Величина

емкости С для третьего случая (рис. 3, в) определяется исходя из результатов пре-

дыдущих двух случаев. При этом вначале предполагается наличие скачка только у

внутреннего проводника, а затем у внешнего. Эквивалентная емкость находится

сложением емкостей при первом и втором предположении. Необходимо иметь

в виду, что приведенные здесь данные можно использовать, если длины волны

> 5В\ где О' - наибольший из диаметров линии. Кривые, приведенные на рис. 4

для определения Г, предназначены для расчета воздушных линий. При заполнении

кабеля диэлектриком величину емкости С необходимо умножить на диэлектрическую

проницаемость е. Если диэлектриком заполнена только линия, имеющая внутрен-

ний проводник меньшего диаметра, то величину емкости С, вычисленную с по-

мощью графиков рис. 4, следует умножить на 8. Если диэлектриком заполнена ли-

ния с большим диаметром внутреннего проводника, то в первом приближении

можно считать, что величина С, найденная для воздушной линии, остается без

изменения. Для линий, в которых изменяется диаметр внешнего проводника, мож-

но считать, что при заполнении диэлектриком линии большего диаметра значе-

ние С увеличивается в е раз, а при заполнении линии меньшего диаметра С не из-

меняется. Если диэлектриком заполняется часть коаксиальной линии, в которой

размеры не меняются, то это равносильно скачку волнового сопротивления.

§8.4

Импульсная электрическая прочность твердой изоляции и

коаксиальных линий 163

0,2 0,4 0,6 0,8 1,0

С1

/В

0,2 0,4 0,6 0,8 1,0

сИВ

Рис. 8.4. Графики для

расчета емкости

С, соответствующей неодиородиостям, приведенным

на рис.

8.3, а

В некоторых случаях скачкообразное изменение размеров линий может проис-

ходить при неизменном волновом сопротивлении. В этом случае необходимо со-

блюдать условие с1\Ю\ = с1

Юг- Неоднородность в месте стыка учитывается вклю-

чением в схему замещения емкости С. Влияние величины этой емкости можно

существенно ослабить сдвигом внутреннего проводника на расстояние А = /)

/Ю

от места неоднородности (на рис. 3, в показано пунктиром). Такой сдвиг равно-

силен включению последовательной индуктивности, которая компенсирует дейст-

вие емкости С. При высоких напряжениях в линии электрическая прочность такого

перехода мала из-за наличия острых углов. Для увеличения электрической проч-

ности лучше использовать плавный конический переход от одной линии к другой.

Длину этого перехода целесообразно выбирать из соотношения:

/> 2Рг. (8.19)

Конический переход часто используется при конструировании разрядных уст-

ройств, обострителей и т.д. Подробный расчет такого перехода дан в [6]. Способы

устранения неоднородностей, вызванных опорными элементами из диэлектрика,

описаны в [7].

§ 8.4 Импульсная электрическая прочность твердой изоляции

и коаксиальных линий

Вопросы механизма пробоя твердых диэлектриков при воздействии прямо-

угольных импульсов с наносекундным фронтом рассмотрены в работе [9], выпол-

ненной в Томском политехническом институте. Мы рассмотрим только те работы,

в которых приводится зависимость времени запаздывания пробоя от напряженно-

сти поля для практических изоляционных материалов.

В работе [10] проведены исследования электрической прочности для ряда

полярных и неполярных полимеров в однородных и неоднородных полях при

экспозициях 310~

с и менее. Импульс напряжения имел амплитуду до 500 кВ,

длительность фронта 3 не. За 30 не напряжение на вершине импульса снижалось

на 7%. Исследовалась электрическая прочность органического стекла, полистирола,

11*

164

Глава 8. Коаксиальные линии

твердой изоляцией

полиэтилена, поливинилхлорида и фтороплаета-4. Толщина образцов при пробое в

неоднородном поле составляла 1,5-3 мм. Пробой производился при электродах

острие-плоскость. Игла с радиусом закругления 65 мк вдавливалась в диэлектрик

на глубину 3 мм. Однородное поле в образце создавалось применением электродов

шар-плоскость. Сферическим электродом служил стальной полированный шарик

диаметром 14 мм, впрессованный в нагретом состоянии в толщу диэлектрика.

Длина промежутка составляла 0,5 мм. В качестве плоскости служила медная фоль-

га, притертая к поверхности диэлектрика с помощью вазелинового масла. Образцы

располагались в среде трансформаторного масла.

Электрическая прочность органического стекла и поливинилхлорида в поле

острие-плоскость значительно ниже электрической прочности неполярных поли-

меров (рис. 5). В однородном поле электрическая прочность полярных полимеров

значительно превышает электрическую прочность неполярных полимеров (рис. 6).

В [11] были определены зависимости электрической прочности от времени

воздействия напряжения для полистирола, фторопласта-4, оргстекла и слюды мус-

ковит при длительностях импульса 5

•

10~

—3

• 10~

с. Электроды полусфера-плос-

кость наносились испарением олова в вакууме. Толщины образцов в том месте, где

происходил пробой, приведены в таблице 1. Здесь же приведена электрическая

прочность диэлектриков при длительности импульса примерно 5-10"

с. Пленоч-

ные материалы имеют более высокую прочность, чем листовые материалы.

Таблица 8.1.

Наименование диэлектриков

Толщина, см

Электрическая прочность, МВ/см

Органическое стекло

0,035

1,50

Полистирол

0,050 1,25

Фторопласт-4

0,080

0,92

Фторопласт-4 (пленка)

0,032

1,18

Полистирол (пленка)

0,021

1,45

2 2

*Г 1

(б)

10 20

I [не]

Рис. 8.5. Зависимость средней пробивной напряженности от времени приложения напряже-

ния для полистирола (/), полиэтилена (2), органического стекла (3), фторопласта-4 (4) и

поливинилхлорида (5). а - при отрицательной полярности острия; б -

при

положительной

полярности острия

§8.4

Импульсная электрическая прочность твердой изоляции и

коаксиальных линий 165

_ 2

О 5 10 15 20 25 30

г [не]

Рис. 8.6. Зависимость электрической прочности от длительности импульса напряжения при

электродах

шар

- плоскость.

- органическое стекло, 2 - поливинилхлорид,

- полистирол

В качестве изоляции радиочастотных и импульсных кабелей наиболее широкое

применение получил полиэтилен, который в плоских образцах обладает весьма

значительной электрической прочностью (300-600 кВ/мм). Для коротких отрезков

кабельных изделий максимальная пробивная прочность при одноимпульсном воз-

действии имеет такой же порядок. Однако при многоимпульсном воздействии она

снижается до 10-20 кВ/мм и сильно зависит от технологии наложения изоляции,

наличия полупроводящих слоев, диаметра внутреннего проводника и др.

Изучение полиэтилена показало, что основным фактором, определяющим сни-

жение электрической прочности кабельной изоляции, является наличие в ней воз-

душных и газовых включений различной величины, в которых при высоких на-

пряжениях возникают электрические разряды, ведущие к быстрому разрушению

изоляции и пробоям кабеля. При этом происходит разрушение изоляции около воз-

душных включений, а затем постепенное прорастание каналов разряда в толщу

изоляции. Для завершения пробоя требуется определенное число импульсов, кото-

рое зависит от количества воздушных включений, их величины, амплитуды и фор-

мы импульсов, а также ряда других факторов.

Достоверные данные по электрической прочности коаксиальных кабелей при

воздействии напряжений, соответствующих режимам работы высоковольтных на-

носекундных генераторов, в настоящее время отсутствуют. Имеется возможность

лишь ориентировочно оценить срок службы кабелей в этих режимах. Наиболее

правильную информацию дает так называемая «кривая жизни» кабеля, которая

представляет собой экспериментально полученную зависимость между числом

импульсов, приводящих к пробою, и амплитудой этих импульсов. Характерная

«кривая жизни» кабеля ИК-2, полученная на образцах кабеля длиной 10,6 м при

воздействии импульсов с длиной фронта 0,8 мс и длительностью 3 мкс по данным

[И], представлена на рис. 7. Остается пока открытым вопрос о том, как изменится

«кривая жизни» кабеля при изменении формы воздействующих импульсов. Можно

предположить, что это влияние будет не слишком большим [И]. Существенного

снижения «времени жизни» можно ожидать лишь при биполярных импульсах.

166

Глава 8. Коаксиальные линии

твердой изоляцией

Экспериментально установлено, что при

= 100 не, С/

= 50 кВ, частоте следова-

ния импульсов 50 Гц средняя длительность «жизни» кабеля РК-106 во многом оп-

ределяется его качеством и в некоторых случаях составляет 1000 часов [11].

Экспериментальное определение «кривой жизни» кабеля требует больших за-

трат времени и материалов на проведение исследования. В связи с этим представ-

ляет интерес методика [12], при которой достаточно определить экспериментально

две-три точки «кривой жизни», а остальные точки можно получить аналитически.

Для ориентировочной оценки числа униполярных импульсов, которое выдер-

живает полиэтиленовая изоляция кабеля до пробоя, может быть применена эмпи-

рическая формула [13]:

N = 7,2-10

(8.20)

где С/

- амплитудное значение начального напряжения короны; {У

- амплитуда

импульсов напряжения.

Например, для кабеля РК-106 при работе на униполярных импульсах с ампли-

тудой

= 50 кВ имеем число импульсов:

/ _

8,4

N = 7,2-10

2\[2-5

«1,6-10

Наиболее радикальным способом повышения напряжения начала ионизации

является применение полупроводящих слоев на внутреннем проводнике и под эк-

раном. Необходимым условием эффективности полупроводящих слоев является

плотное сцепление их с изоляционным слоем. При выборе величины удельного

сопротивления полупроводящего слоя исходят из требования, чтобы воздушное

включение на границе с проводником оказалось надежно зашунтированным.

Использование полупроводящих слоев позволило освоить выпуск серии вы-

соковольтных кабелей КПВ с полиэтиленовой изоляцией (КПВ-1/20, КПВ-1/50,

Рис. 8.7. «Кривая жизни»

отрезка кабеля

ИК-2

длиной

10,6 м

Литература к главе

8 167

КПВ-1/75, ЮШ-1/300). Эксперименты, проведенные в ТПУ, показали, что кабель

КПВ-1/300 в отрезках до нескольких десятков метров способен выдерживать до

пробоя 6-10 тыс. импульсов с амплитудой 250 кВ и 100-200 тыс. импульсов с ам-

плитудой 180 кВ. Выпускаемый в России кабель ИК-4 с полупроводящими слоями

рассчитан на длительную эксплуатацию в режиме униполярных импульсов с ам-

плитудой 75 кВ. В США выпускается серия специальных импульсных кабелей с

полиэтиленовой изоляцией и полупроводящими слоями на напряжения от 20 до

100 кВ с «временем жизни» не менее 10

импульсов (максимальная напряженность

поля в изоляции принята равной 20-25 кВ/мм).

Весьма перспективными для высоковольтных наносекундных генераторов яв-

ляются коаксиальные системы с жидкой изоляцией, обладающие рядом достоинств

по сравнению с кабелями с полимерной изоляцией: более высокой надежностью,

лучшими условиями охлаждения, самозалечиванием жидкой изоляции после про-

боя, меньшим затуханием [11]. Высокая надежность таких коаксиальных систем

обеспечивается малым объемом твердой изоляции, которая может быть тщательно

проверена и испытана. Подробнее свойства жидкостных линий мы рассмотрим в

следующей главе.

Литература к главе 8

1. Белоруссов Н.Н, Гроднев НИ Радиочастотные кабели. 2-е изд., перераб. М.; Л.: Гос-

энергиздат, 1959.

2. Каляцкий ИИ.,

Дулъзон

А.А.,

Железчиков Б.П.

Искажение высоковольтных монополяр-

ных импульсов в коаксиальном кабеле // Изв. СО АН СССР. Техн. науки. 1965. Т. 10,

вып. 3. С. 151-154.

3. Моругин Л.А., Глебович

Г.В.

Наносекундная импульсная техника. М.: Сов. радио, 1964.

4. Жекулин Л.А. Распространение электромагнитных сигналов по коаксиальному кабелю

Изв. АН СССР. Техн. науки. 1941.

№

3. С. 11-24.

5. Теумин И.И. Экспериментальный анализ переходных процессов в линейных электри-

ческих цепях. М.: Сов. радио, 1956.

6. Воробьев Г.А., Месяц Г.А. Техника формирования высоковольтных наносекундных им-

пульсов. М.: Госатомиздат 1963.

7. Льюис Я., Уэлс

Ф.

Миллимикросекундная импульсная техника

Пер. с англ. В.Н. Дули-

на под ред. И.С. Абрамсона и А.Н. Могилевского. М.: Изд-во иностр. лит., 1956.

8. МейнкеХ., Гундлах Ф. Радиотехнический справочник: Пер. с нем. Т. 1. М.; Л.: Госэнер-

гоиздат, 1960.

9. Воробьев А.А., Воробьев Г.А. Электрический пробой и разрушение твердых диэлект-

риков. М.: Высш. шк., 1966.

10. Королев В.С., Торбин Н.М. Электрическая прочность некоторых полимеров при воз-

действии кратковременных импульсов напряжения // Электрофизическая аппаратура и

электрическая изоляция. М.: Энергия, 1970.

11. Месяц

Г.А.,

Насибов А.С., Кремнев В.В. Формирование наносекундных импульсов высо-

кого напряжения. М.: Энергия, 1970.

12.

Делекторский Г.П.

Закономерности

пробоя

высоковольтных

кабелей

с полиэтиленовой изо-

ляцией при передаче

импульсов

напряжения //

Вестн. электропром-ти.

1963. № 1.

С. 55-57.

13.

НоуиаЫ Р.К.

ТЬе Ейес* оГ Е1ес*пс 81ге$$ оп *Ье Ше оГ СаЫез 1псогрога1т§ а Ро1уАепе

Ше1ес*пс

Ргос. 1ЕЕ. 1951. Уо1. 98. Р. 365-370.

Глава 10

ЛИНИИ С ЖИДКИМ ДИЭЛЕКТРИКОМ

§ 9.1 Общие сведения

В связи с развитием методов генерирования мощных наносекундных импульсов

появилась потребность в разработке импульсных генераторов с током

-г10

А,

напряжением 10

ч-10

В и длительностью импульсов 10~

-И0~

с. Обычно в таких

генераторах в качестве накопителей энергии используются конденсаторы, коакси-

альные или полосковые линии с жидким диэлектриком, - как правило, трансфор-

маторным маслом и водой. Обычно в генераторах мощных наносекундных им-

пульсов используют два типа линий по их назначению - накопительные и пере-

дающие. Первые работают в режиме зарядки от генераторов Маркса или им-

пульсных трансформаторов и заряжаются импульсом с фронтом > Ю

-6

с, а вторые

в режиме передачи энергии и имеют длительность импульса 10~

^10~

с. Поэтому

важно знать поведение масла и воды в микросекундном и наносекундном режимах

воздействия электрического поля. Впервые дистиллированная вода как диэлектрик

накопительного конденсатора была использована в экспериментах по взрыву

электрических проволочек [1]. В ИЯФ были разработаны первые малоиндуктив-

ные наносекундные генераторы для получения больших импульсных электронных

токов и высоких электрических полей [2].

Напомним, что согласно формуле (8.5) волновое сопротивление коаксиальной

линии Ом, где 6 - относительная диэлектрическая прони-

цаемость; В

и А - соответственно диаметр внешнего и внутреннего проводников.

Для полосковой линии

где

- ширина полосы,

д.

- расстояние между полосами. Обычно й Ь. Если

обычная длинная линия разряжается на согласованную нагрузку, то ток в нагрузке

составит

= -т- -, Ом,

л/е Ь

(9.1)

(9.2)

§9.2

Типы жидкостных линий

169

где V- напряжение, до которого заряжена линия. Если в эту формулу подставить

значения волнового сопротивления для полосковой линии, то получим ток, давае-

мый генератором на единицу ширины полосы:

( = 1,32-10-

Я>/е, (9.3)

где Е - напряженность электрического поля в изоляции линии. Для коаксиальной

линии удельный ток равен

— = 4,15-10-

#л/8. (9.4)

Из формул (3) и (4) следует, что наибольший удельный ток, получаемый от ге-

нератора с накопительной линией, будет определяться диэлектрической проницае-

мостью изоляции и ее электрической прочностью. Для получения большого тока

необходимо использовать диэлектрики с большой величиной Еу[г. Фактически

эта величина определяет удельную энергию в накопителе еЕ

/2. Вода имеет

6 = 80 и высокую импульсную электрическую прочность. Способы очистки воды,

такие, как деионизация ионообменными смолами, фильтрование и дегазация, были

хорошо разработаны в технике водоочистки тепловых и атомных электростанций,

в полупроводниковой промышленности и т.д. По величине удельной накопленной

энергии вода превосходит все диэлектрики и сравнима с майларом. Вода восста-

навливает электрическую прочность после пробоя и обеспечивает большую кру-

тизну роста тока при разряде, что позволяет использовать водяные разрядники в

качестве коммутаторов и обострителей в импульсных схемах.

Основной проблемой при использовании воды как диэлектрика является ее

большая проводимость, которая способствует быстрой саморазрядке конденсато-

ров, заполненных водой. Нетрудно показать, что постоянная времени саморазрядки

определяется из формулы:

'с = * , (9.5)

36я-10

где а - удельная проводимость воды, Ом

-1

см

-1

. Для того чтобы зарядить накопи-

тель, заполненный водой, необходимо иметь время его зарядки много меньше /

Если у воды а = Ю

-6

Ом

-1

-см

-1

, то время заряда водяной линии должно быть

- Ю

-6

с, а при а = Ю

-5

Ом-^см

-1

§ 9.2 Типы жидкостных линий

На рис. I и 2 представлены два типа накопительных линий в полосковом и

коаксиальном вариантах, которые наиболее часто используются практически.

Это одинарная и двойная (линия Блюмляйна) линии. В одинарной линии с на-

грузкой К

Н9

равной волновому сопротивлению линии = 2

, напряжение на

нагрузке будет в два раза меньше зарядного напряжения, а в двойной линии

они будут равны. В таблице I представлены диэлектрические свойства воды и

масла, а также общие свойства коаксиальных линий, заполненных этими ди-

электриками, описанные Смитом [3]. Обе жидкости являются заполнителями