МОДЕРНИЗАЦИЯ ЭЛЕКТРО-ФИЗИЧЕСКОЙУСТАНОВКИ «ГАММА» С ЦЕЛЬЮ ОБЕСПЕЧЕНИЯ ЭКСПЛУАТАЦИОННЫХ ТРЕБОВАНИЙ

При проектировании технологических процессов механической обработки и сборки деталей и узлов важное значение имеет испытание по эксплуатационным показателям.

Полномасштабные испытания разрядника могут быть проведены только в условиях реальной конструкции двойной ступенчатой формирующей линии (ДСФЛ) модуля, учитывающих взаимное влияние отдельных разрядников друг на друга. Испытания проводят, как правило, на режимах превышающих предельные значения эксплуатационных показателей. Это позволяет сократить время экспериментов для выявления недостатков конструкции и технологических процессов, экономить материально-технические средства при проведении натурных испытаний.

При разработке конструкции установки ГАММА, был спроектирован и изготовлен разрядник Р-1000, изображенный на рисунке 1.Основной трудностью при разработке разрядника на 1 МВ являются достаточно жёсткие рамки по габаритным размерам.

Спроектированная конструкция (рисунок 1) состоит из изоляторов 1 и10 капролона марки В. Высоковольтный электрод 4 комбинированный. Основная часть электрода, изготовленная из нержавеющей стали марки 12Х18Н10Т, имеет вставку из материала ВНЖ-7-3, состоящего, в основном, из вольфрама. Такая вставка позволяет значительно увеличить рабочий ресурс разрядника. Заземленный электрод 7 и основная часть управляющего электрода 12 изготовлены из нержавеющей стали 12Х18Н10Т. Наконечник управляющего электрода в целях повышения ресурса разрядника выполнен из тантала.

1 – изолятор; 2, 6, 9, 11 – уплотнения; 3 – винт; 4 – высоковольтный электрод; 5 – кольцо; 7 – заземленный электрод; 8 – фланец;10 – изолятор управляющего электрода; 12 – управляющий электрод

Рисунок 1. Разрядник Р-1000

Для управления разрядниками, был создан специальный стенд, полностью имитирующими работу разрядника в ДСФЛ и генератор импульсных напряжений(ГИН) модуля.

Блок-схема экспериментального стенда для испытания разрядника в одноканальном режиме приведена на рисунке 2.

Исследования электропрочностных и временных характеристик разрядника проводились в неуправляемом режиме.

ГИН открытого типа с воздушными разрядниками состоит из 30 каскадов конденсаторов типа ИК100-0,4, соединенных параллельно по два в каждом каскаде. Зарядка конденсаторов осуществляется с помощью высоковольтного трансформатора типа ТВО-140-50 и выпрямительного диода типа СДЛ-0,4-1500. В первых шести каскадах ГИН установлены управляемые разрядники тригатронного типа. Применение управляемых разрядников в первых каскадах позволило значительно (до 70 нс) сократить нестабильность времени срабатывания воздушного ГИН при малом зарядном напряжении.

Запуск ГИН осуществляется с помощью генератора БИНГ-6, формирующего импульс напряжения с фронтом ~7 нс и амплитудой ~60 кВ.

При срабатывании ГИН заряжается водяная одиночная формирующая линия (ОФЛ). Напряжение линии прикладывается к зазору между высоковольтным и заземленным электродами испытываемого разрядника, который устанавливается в выходной части линии.

Рисунок 2. Блок-схема испытательного стенда

Импульс запуска исследуемого разрядника формируется генератором БИНГ-4 и подается на ввод с помощью кабеля КВИ-120 длиной 6 м. Генератор вырабатывает импульсы напряжения с фронтом ~7 нс и амплитудой ~60 кВ. Таким образом, в зазоре между управляющим и заземленным электродами разрядника, представляющим разомкнутый конец кабельной линии передачи, возникает импульс напряжения амплитудой 120 кВ.

Общее управление осуществляется генератором БИНГ-5, формирующим импульс напряжения с фронтом ~5 нс и амплитудой ~10 кВ. Для того чтобы импульс запуска поступал на управляющий электрод разрядника в момент достижения максимального напряжения на основном зазоре, между генераторами БИНГ-5 и БИНГ-4 введена кабельная линия задержки.

В неуправляемом режиме при испытании разрядника определяются следующие характеристики: электрическая и механическая прочность изолятора, величина напряжения самопробоя разрядника в зависимости от давления и состава газовой смеси, заполняющей разрядник.

Управляющий электрод разрядника соединяется с генератором БИНГ-4, но импульс запуска не подается. На основной промежуток подается испытательный импульс напряжения. Амплитуда импульса изменяется от 1 до 1,5 МВ с шагом 0,1 МВ.

На первом этапе определялась зависимость напряжения самопробоя от давления газовой смеси. Состав смеси, 80% N₂ + 20 % SF₆, который был запланирован как рабочий. При каждом значении амплитуды проводилось по 5 включений, начиная с давления 1,6 МПа. Давление в разряднике снижалось с шагом 0,1 МПа до появления пробоев разрядного промежутка, рисунок 3.

Следующим этапом испытаний разрядника в неуправляемом режиме было изучение последствий самопробоя разрядника на втором и последующих максимумах импульса испытательного напряжения. Такой режим может быть реализован при отказе в системе запуска и синхронизации модуля.

Испытания проводились следующим образом. После 10-и включений разрядника в управляемом режиме управляющий импульс не подавался и цикл повторялся. Самопробои разрядника на втором и третьем максимумах испытательного напряжения произошли в двух случаях за пять циклов.

Рисунок 3. Диаграмма зависимость напряжения самопробоя от давления газовой смеси

Однако они не привели к ухудшению характеристик разрядника. После разборки разрядника было установлено, что если при управляемом пробое искровые каналы локализуются в центральной части заземленного электрода, вблизи управляющего зазора, то следы неуправляемых пробоев наблюдаются на краю электрода там, где нет тугоплавкой вставки. На рисунке 4 показаны следы самопробоя. Несмотря на то, что характеристики разрядника остались неизменными после пяти испытательных циклов, произошло заметное запыление изолятора разрядника продуктами испарения нержавеющей стали всего за два самопробоя.

Рисунок 4. Следы самопробоя разрядника на заземленном электроде

По этой причине в конструкцию заземленного электрода были внесены изменения. Размер тугоплавкой вставки был увеличен до половины высоты центральной выступающей части электрода. В окончательном варианте разрядника вся выступающая часть электрода целиком выполнена из сплава ВНЖ.

После серии неуправляемых пробоев наблюдалось снижение величины напряжения самопробоя разрядника. Для исключения самопробоя разработана сборная конструкция разрядника, представленного на рисунке 5.

Рисунок 5. Модернизированная конструкция разрядника

Испытания новой конструкции электродов разрядника с увеличенными размерами вставки из ВНЖ в высоковольтном электроде снижения величины напряжения самопробоя не наблюдалось в течение последующих 20-и импульсов с самопробоем.

На втором этапе определялась зависимость напряжения самопробоя от состава газовой смеси. Исследовались смеси с содержанием элегаза 0 %, 5 %, 10 %, 20 % и 50 % при давлении 1,4 МПа. Было выбрано давление меньше предполагаемого рабочего, так как при давлении 1,6 Мпаи содержании элегаза в смеси больше 20 % самопробоя разрядника не происходило даже при амплитуде испытательного импульса 1,5 МВ. Зависимости напряжения самопробоя от состава газовой смеси приведены на рисунках 6, 7.

Эксперимент 1, 2, 3, 4, 5 соответственно с содержанием элегаза 0%, 5%, 10%, 20% и 50%при давлении 1,4 МПа

Рисунок 6. Зависимость напряжения самопробоя от состава газовой смеси

Эксперимент 1, 2, 3, 4, 5 соответственно с содержанием элегаза 0%, 5%, 10%, 20% и 50%при давлении 1,4 МПа

Рисунок 7. Значения напряжений самопробоя в зависимости от состава газовой смеси

При исследовании импульса напряжения на разряднике в неуправляемом режиме самопробоя разрядника не было при амплитуде напряжения – 1,33 МВ, разрядник заполнен газовой смесью 80 % N₂ + 20 % SF₆ при давлении 1,6 МПа.

Полученная с помощью омического делителя осциллограмма импульса напряжения в случае самопробоя при максимальном напряжении 1,05 МВ, показала давление газовой смеси 1,1 МПа, состав80 % N₂ + +20 % SF₆.

Осциллограмма самопробоя разрядника, полученная с помощью емкостного делителя, для сравнения показала, что пробой произошел на фронте импульса через 1 мкс от начала зарядки линии за 0,2 мкс до максимального значения. Напряжение самопробоя составляет 1,5 МВ, давление газовой смеси в разряднике 1,4 МПа, состав 80 % N₂ + 20 % SF₆.

В результате проведенных испытаний в неуправляемом режиме и доработок на их основе конструкции разрядника показано, что:

- напряжение самопробоя разрядника на максимуме первой полуволны импульса зарядки ДСФЛ модуля установки "Гамма" при длительности зарядного импульса 0,9 мкс превышает 1,5 МВ;

- коэффициент запаса электрической прочности изоляционного корпуса разрядника относительно рабочего напряжения равен 1,5.

Рисунок 8. Заземленный электрод после модернизации

- самопробой внутри разрядника, вызванный сбоем в системе синхронизации и запуска, не приводит к катастрофическим последствиям и не снижает существенным образом запас электрической прочности разрядника.

Список литературы:

1. Гордеев В.С., Мысков Г.А., Михайлов Е.С., Лаптев Д.В. Проект сильноточного ускорителя электронов // Труды РФЯЦ-ВНИИЭФ. Научно- исследовательское издание.  Саров: РФЯЦ- ВНИИЭФ. 2002. Вып. 3- С.176-183.
2. GordeevV.S., MyskovG.A., MikhailovE.S., LaptevD.V. DesignofaHigh-CurrentPulseElectronAccelerator // ВАНТ. Серия: Ядерно-физическиеисследования, 1999. -№ 3-С.68-70.
3. ЗавьяловН. В., ГордеевВ. С., ПунинВ. Т., ГришинА. В., НазаренкоС. Т., ПавловВ. С., ДемановВ. А., ШихановаТ. Ф., КалашниковД. А., КозачекА. В., ГлушковС. Л., СтрабыкинК. В., ПучагинС. Ю.,. МансуровД. О, МиронычевБ. П., МайоровР. А., МайорниковаВ. Л. «Проект электрофизической установки «ГАММА-4»».
4. Zavyalov N.V., Gordeev V.S., Punin V.T. etal. High-current pulsed electron accelerator Gamma- 1" with output power up to 1.5 TW. In Proceedings of International Conference on Plasma Science (ICPSA- 2013), Singapore, 4-6 December, 2013.
5. Система синхронизации ускорителя ЛИУ‑30: Отчет – предложение/ ВНИИЭФ; Исполн. Павловский А.И., Гришин А.В., Бухаров В.Ф., Павлов С.С., Тананакин В.А., Циберев В.П. – 81604; Инв. № 4/5636. – 1983. – 42 с.