Le concept d'un nouveau deux

Rapports scientifiques volume 12, Numéro d'article : 18176 (2022) Citer cet article

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Ce manuscrit présente le concept, le principe de fonctionnement physique et les études sur un nouveau et unique fusible de formation à deux étages (TSFF) avec commutation d'éclateur inter-étages et présente son application pour former des impulsions de haute puissance de paramètres extrêmes. L'article classe les performances du TSFF et les compare aux fusibles de formage à un étage conventionnels. Les conclusions sont étayées par des études analytiques et expérimentales dans des conditions de laboratoire. La conception du prototype TSFF ainsi que les méthodes de mesure appliquées et les bancs d'essai sont également présentés. La technologie développée du TSFF permet d'atteindre des paramètres sans précédent d'impulsions de haute puissance avec des surtensions atteignant 800 kV et une puissance d'impulsion de plusieurs dizaines de GW dans une conception très compacte. Les propriétés uniques du TSFF permettent son intégration efficace avec une large gamme de sources d'énergie, même avec une pente de montée de courant très limitée ou une tension de sortie limitée, ce qui n'a pas été possible jusqu'à présent avec les fusibles de formation à un étage conventionnels. Le système proposé peut être facilement mis à l'échelle, tout en assurant une plus grande flexibilité des applications.

Dans de nombreux domaines de la science et de l'ingénierie, il existe un besoin de générer des impulsions électriques de forte puissance avec une amplitude significative de courant (de l'ordre de centaines de kA) ou de tension (de l'ordre de centaines de kV) et une durée de fractions de microseconde1 . De telles impulsions sont utilisées par exemple pour émuler des processus physiques avec des paramètres extrêmes dans des conditions de laboratoire (générateurs de surtension atmosphérique de tension ou de courant2,3, systèmes de recherche pour la physique des plasmas ou nucléaire, par exemple les générateurs de plasma X-pinch) ou comme impulsions alimentant des sources de rayonnement électromagnétique de forte puissance, généralement pour des systèmes radar4, des sources laser pulsées5 ou des systèmes à énergie dirigée6 (systèmes de contre-drones7,8, systèmes militaires9 etc.). Les applications de sources d'impulsions à haute puissance nécessitent souvent une forme compacte10 à des fins de transport11, ou pour permettre l'installation dans un petit boîtier (par exemple dans le corps du missile). La génération directe d'impulsions de paramètres aussi extrêmes avec l'utilisation d'un seul étage de génération est impossible en pratique, en raison de difficultés techniques importantes (résultant de contraintes électriques ou électrodynamiques et thermiques haute tension). Dans le même temps, les sources d'impulsions individuelles ne fournissent pas les paramètres d'impulsion appropriés (en termes d'amplitude insuffisante ou de durée d'impulsion trop longue). Par conséquent, dans les systèmes réels, la génération d'impulsions de haute puissance est effectuée indirectement à l'aide de systèmes en cascade (comme illustré à la Fig. 1) dans lesquels chaque étage successif provoque une augmentation relative de la puissance de crête de l'impulsion tout en réduisant sa durée12.

Schéma fonctionnel du système de génération et de formation d'une cascade d'impulsions à haute puissance.

Les solutions de génération d'impulsions à haute puissance et de circuits de formation peuvent être divisées en systèmes de type courant et tension, en fonction de la nature de l'impulsion générée. Les solutions typiques de systèmes de tension sont les générateurs Marx13,14,15,16 ou d'autres types de systèmes multiplicateurs de tension, souvent intégrés avec des lignes de formation spéciales17,18, par exemple dans la topologie Blumlein19,20. Dans le cas des générateurs de type courant, la solution la plus couramment utilisée est le générateur de compression de flux magnétique (FCG)21,22, qui multiplie la valeur du courant par compression explosive du flux magnétique couplé au bobinage du générateur23,24,25. L'impulsion de sortie de courant FCG est mise en forme dans un système de formation d'impulsions (PFS) afin d'adapter ses paramètres aux exigences de charge. La figure 2 montre le schéma du concept de fonctionnement d'un PFS à base de fusibles alimenté à partir de la batterie de condensateurs. Le procédé de formage est basé sur le phénomène de limitation dynamique du courant circulant dans l'inductance de formage par l'interrupteur à ouverture extrêmement rapide qui génère des surtensions importantes transmises à la charge du système. L'élément de commutation le plus fréquemment utilisé est un fusible formant (FF)26,27,28, dont le principe de fonctionnement est basé sur la désintégration rapide d'éléments fusibles (réalisés le plus souvent sous la forme d'un faisceau de fils bien conducteurs ou de bandes de clinquant ) en raison de la circulation de courants à haute densité29. Une classification détaillée, une introduction à la technologie et une liste d'exemples de paramètres de formation de fusibles dans le but de générer des impulsions de haute puissance (en tenant compte de diverses sources primaires et systèmes de génération d'impulsions) ont été présentées dans la réf.30.

Schéma de principe du système de formation d'impulsions haute puissance à base de fusibles alimenté par batterie de condensateurs d'impulsions : C0 - batterie de condensateurs d'impulsions chargée à la tension U0 ; T—trigatron (éclateur déclenché), iF, uF—formant le courant et la tension du fusible.

Les charges typiques, constituant également les systèmes d'émission électromagnétique, coopérant avec les PFS à base de FF sont divers types de lampes pulsées à micro-ondes de forte puissance10, le plus souvent : vircator, triode réflexe, reditron ou systèmes hybrides, qui, en raison de divers effets électroniques (par exemple, vibration d'un plasma d'électrons généré par l'émission explosive d'une cathode exposée à un champ électrique extrême) génèrent un faisceau de rayonnement électromagnétique, généralement dans la gamme des micro-ondes. Pour la génération efficace de formes quasi-stables de plasma d'électrons, il est nécessaire de les alimenter à partir de sources d'impulsions (principalement de type à large bande passante) avec une amplitude de tension significative, une pente élevée et une capacité de courant de sortie élevée1,22. Par conséquent, l'objectif de la PFS est généralement de maximiser les paramètres mentionnés ci-dessus afin de coopérer efficacement avec la charge. Les FF à un étage pour les applications dans les systèmes de formation d'impulsions décrites dans la littérature disponible présentent des propriétés de génération d'impulsions haute tension appropriées, atteignant des valeurs de plusieurs dizaines27,31 à même 400 kV32,33, avec une pente de limitation de courant simultanée de l'ordre de plusieurs dizaines à un un peu plus de cent kA/μs. Les valeurs de puissance de crête instantanées obtenues des impulsions générées atteignent des centaines de MW ou plusieurs GW. Afin d'augmenter la puissance, la compacité et l'efficacité des systèmes de génération et de formation d'impulsions à haute puissance, il est nécessaire de développer une nouvelle solution FF qui irait au-delà des paramètres limités atteints jusqu'à présent.

Dans la littérature disponible, le critère jusqu'ici considéré de l'efficacité de la génération d'impulsions de surtension dans un PFS à base de fusibles, lié au type de mécanisme de désintégration des éléments fusibles, était la valeur maximale de la densité de courant jmax dans la section des éléments fusibles34 ,35. Des recherches approfondies sur le PFS à base de fusibles (les diagrammes schématiques comme sur la Fig. 2) ont conduit à l'identification sans équivoque d'un critère étendu déterminant l'efficacité de la génération d'impulsions de haute puissance dans le PFS comme la pente maximale de la densité de courant dj/ dtmax dans les sections des éléments fusibles. L'analyse effectuée et systématisée des phénomènes se produisant dans le FF dans une large gamme de conditions de fonctionnement a conduit à la question de la possibilité d'augmenter la valeur du critère susmentionné (dj/dtmax) dans les systèmes à base de fusibles au-delà des valeurs atteintes de manière loin, ce qui pourrait être l'occasion d'une augmentation significative de la raideur de la limitation de courant, et donc de la formation de surtensions d'amplitude nettement plus importante que dans le cas des solutions FF classiques. L'augmentation de la pente de la densité de courant du fusible dj/dt dans le circuit avec la bobine d'induction de formation (Fig. 2) est possible en réduisant la section équivalente des éléments fusibles (liée au nombre d'éléments parallèles et à la section d'un fil fusible simple) ou en augmentant la tension de la source forçant le passage du courant dans le circuit. Cependant, l'application directe de la première méthode limite simultanément la pente de la pente de montée du courant dans le circuit LC en insérant une résistance équivalente fusible importante et en limitant la valeur du courant précédant la désintégration du fusible - le courant dit de pré-arc ip (en raison de une plus petite valeur de l'intégrale Joule du fonctionnement du fusible36), dont la valeur détermine la pente de la limitation du courant à zéro par FF. D'autre part, l'augmentation de la tension de la source alimentant le flux de courant dans le PFS est liée à la nécessité d'utiliser des batteries de condensateurs avec une tension de fonctionnement plus élevée, ce qui entraîne en pratique des problèmes d'isolation dans la construction du banc d'essai, une plus grande complexité de les systèmes de pré-charge de la batterie, et réduction significative de la compacité et de la mobilité de ce type de solution.

Cet article propose un concept d'une solution nouvelle et originale de TSFF avec commutation d'éclateur inter-étages qui permet d'augmenter la puissance et de diminuer la durée des impulsions formées, et ainsi d'augmenter la pente de la montée en densité de courant dans le PFS élément actif, c'est-à-dire le FF, avec possibilité simultanée d'intégrer ce type de système avec des sources d'énergie primaires (par exemple des batteries de condensateurs) à tension de sortie limitée, ou avec des sources de type courant (par exemple FCG).

Avec l'utilisation d'un TSFF, il est possible d'augmenter l'efficacité du processus de formation d'impulsions haute puissance de plusieurs fois par rapport aux systèmes conventionnels basés sur des FF à un étage et, par conséquent, d'augmenter l'amplitude de l'impulsion de tension générée au valeur atteignant 800 kV avec une pente de limitation de courant supérieure à 300 kA/μs, et simultanément de limiter sa durée aux dixièmes ou centièmes de μs. Les systèmes avec de tels paramètres qui maintiendraient une densité de puissance élevée, une densité d'énergie et une compacité de la solution, n'ont pas été documentés jusqu'à présent.

Le principe de fonctionnement du TSFF (comme illustré à la Fig. 3a) est basé sur l'augmentation de la pente de l'augmentation de la densité de courant dans l'étape II, ci-après appelée étape de formation, avec une section équivalente relativement petite des éléments fusibles. , en raison de la commutation d'un courant important à partir de l'étage I du TSFF, appelé étage préparatoire, avec une plus grande section d'éléments fusibles. En raison de l'augmentation significative de la pente de l'augmentation de la densité de courant dans les éléments fusibles de l'étape de formation (même de trois ordres de grandeur par rapport à l'étape préparatoire) après la commutation, une électro-explosion homogène des éléments fusibles de l'étape de formation se produit et la PFS le courant est extrêmement rapidement limité, ce qui génère une surtension importante dans le circuit avec la bobine d'induction en formation.

Comparaison de la structure TSFF (a) et de la structure FF (b) à un étage.

La structure du TSFF est présentée de manière simplifiée sur la figure 3a et comparée à un fusible de formation à un étage conventionnel représenté sur la figure 3b. Les éléments fusibles de l'étape préparatoire sont directement connectés aux électrodes TSFF. L'étage de formage est connecté en série avec l'éclateur de commutation (CSG) et toute la branche est connectée en parallèle avec l'étage préparatoire. Les éléments fusibles des deux étages sont placés dans un compartiment fusible et séparés par une barrière isolante empêchant l'allumage d'un arc entre eux.

Le concept du TSFF est directement lié au principe de fonctionnement des systèmes de formation d'impulsions, qui consiste à augmenter la puissance de crête et à réduire la durée d'impulsion par chaque étage successif du système. L'étape préparatoire du fusible a pour but de permettre au courant de circuler dans le PFS formant inductance dans la phase initiale de fonctionnement (étape de montée du courant). Pour cette raison, il est constitué d'un grand nombre d'éléments fusibles parallèles de grande section équivalente n1S1, dont la valeur résulte de l'intégrale de Joule spécifique déterminant la valeur maximale de la forme d'onde du courant. Les éléments fusibles de l'étage de formation, de plus petite section équivalente n2S2, sont séparés par le CSG du chemin de circulation du courant primaire dans la phase initiale de fonctionnement. Le processus de désagrégation des éléments fusibles préparatoires initie le phénomène de limitation de courant et l'apparition de surtensions entre électrodes CSG, à la suite de quoi la décharge s'amorce et le courant est rapidement commuté vers l'étape de formage. La commutation rapide d'un courant de grande valeur vers l'étape de formage génère des flux de courant à très haute densité et à forte augmentation dans ses éléments fusibles, ce qui conduit à leur électro-explosion. Dans le même temps, pendant l'intervalle de courant zéro de l'étape préparatoire après la commutation de courant inter-étages (en fait, un très petit courant peut traverser l'étape préparatoire à ce moment), le processus d'ionisation thermique dans le canal de plasma, formé après désintégration de l'étape préparatoire des éléments fusibles, s'arrête et sa déionisation partielle a lieu. En conséquence, le canal de plasma de l'étage préparatoire est capable de reconstruire l'intensité électrique avant le moment de la limitation soudaine du courant à zéro par les éléments fusibles de l'étage de formation et la génération d'une impulsion de surtension significative, qui (dans le FF à un étage conventionnel) pourrait provoquer la réactivation de la décharge après désintégration du fusible et rendre le processus de limitation de courant inefficace.

La section équivalente des éléments fusibles de l'étage préparatoire doit être choisie de manière à ce que leur désintégration ait lieu juste avant que la forme d'onde du courant n'atteigne son maximum. Par conséquent, la sélection du nombre, de la section et de la longueur des éléments fusibles est généralement basée sur le critère d'énergie et le critère d'intégrale de Joule, comme présenté dans la Réf.30. Cependant, en raison de la forte non-linéarité des phénomènes se produisant dans le TSFF et de son influence sur le circuit PFS, cette méthode est approximative et pour déterminer efficacement les conditions de fonctionnement optimales il est nécessaire d'utiliser une méthode expérimentale. Comme il n'est pas nécessaire de générer de très fortes surtensions par l'étape préparatoire (qui ne devrait assurer que l'allumage du CSG), il est possible d'alimenter le PFS à base de TSFF à partir de sources qui ne sont pas en mesure d'assurer une dynamique élevée de montée en densité de courant, sans impact significatif sur la valeur de la surtension formée par l'étage de formage. En fait, c'est l'étape préparatoire qui assure dans tous les cas la dynamique appropriée et élevée de montée en densité de courant pour les éléments fusibles de l'étape de formation.

La figure 4 présente un schéma simplifié du PFS avec un fusible de formation à deux étages en deux étapes de fonctionnement. Les formes d'onde typiques et idéalisées des grandeurs électriques, c'est-à-dire les courants et les tensions TSFF dans le PFS, sont illustrées à la Fig. 5.

Schéma de principe du PFS à base de TSFF pendant le fonctionnement en phase préparatoire (a) et en phase de formation d'impulsions après commutation inter-étages (b) : C0 - batterie de condensateurs à impulsions avec tension uc, T - trigatron (éclateur déclenché), L—inductance de formation, DPC—canal de plasma désionisant, iF, uF—courant et tension de fusible, i1, i2—courant de l'étage de préparation et de formation.

Formes d'onde idéalisées des grandeurs électriques pendant le fonctionnement TSFF, avec des valeurs caractéristiques marquées (symboles conformément à la Fig. 4 et au texte descriptif). Dessin illustratif non à l'échelle.

Le processus de fonctionnement du TSFF peut être divisé en quatre phases :

Courant montant à travers l'étape préparatoire jusqu'à sa désintégration, et générant une surtension initiale pour l'allumage de la décharge CSG.

Commutation du courant de l'étape préparatoire à l'étape de formage après désintégration des éléments fusibles de l'étape préparatoire.

Flux de courant à travers l'étape de formage avec rétablissement simultané de l'intensité électrique d'un canal de plasma formé après la désintégration des éléments fusibles de l'étape préparatoire (intervalle de courant nul).

Limitation rapide du courant par électro-explosion des éléments fusibles de l'étage de formation. Génération de surtensions importantes dans la bobine de formage.

La figure 6 présente un modèle simplifié de circuit PFS basé sur TSFF, comprenant des éléments périphériques localisés représentant les deux étages du fusible, sur la base desquels il est possible d'analyser le fonctionnement du système.

Modèle de circuit localisé PFS basé sur TSFF simplifié (reportez-vous au texte descriptif pour l'explication des symboles).

Comme dans la conception FF à un étage, la phase 1 du fonctionnement TSFF commence au moment de l'initiation du flux de courant à partir de la source (banc de condensateurs ou FCG) dans le circuit de formation, comme illustré à la Fig. 6. Dans la phase initiale, le total le courant de fusible iF traverse entièrement les éléments de l'étage préparatoire i1, provoquant une augmentation de leur énergie interne, de leur température et, par conséquent, de leur résistance. Jusqu'à ce que l'étape préparatoire des éléments fusibles atteigne le niveau d'énergie interne nécessaire pour amorcer le processus de leur fusion (au temps th) et de leur désintégration (ce qui limite le courant par rapport au courant de décharge attendu de la batterie de condensateurs iexp), TSFF a les caractéristiques d'un FF à un étage en raison de la séparation galvanique de l'étage de formage par CSG. Au moment du déclenchement du processus de désintégration des éléments fusibles de l'étage préparatoire, leur résistance équivalente augmente rapidement et, par conséquent, la chute de tension dans l'étage préparatoire TSFF augmente jusqu'à ce que la tension d'amorçage CSG USGI soit atteinte. Du fait d'une augmentation significative de la résistance des éléments de l'étage préparatoire, la chute de tension aux bornes du CSG est principalement résistive. Ainsi, en phase 1 de fonctionnement TSFF, la chute de tension sur le CSG résulte directement de l'état des éléments fusibles de l'étage préparatoire et est déterminée par la relation (1).

où résistance RS1, LS1 et inductance de l'étage préparatoire.

Dès que la chute de tension sur le CSG atteint la valeur structurellement déterminée de la tension d'amorçage de l'éclateur à l'instant tc', la commutation du courant vers l'étage de formage commence. Du fait du phénomène amorcé de désagrégation des éléments fusibles de l'étage préparatoire, le courant circulant dans le circuit est limité dans une certaine mesure. Le facteur de limitation γi, défini comme le rapport du courant commuté à l'étage de formation Ic rapporté à la valeur maximale du courant de l'étage préparatoire Imax (2), résulte de la tension d'amorçage USGI à laquelle le courant est commuté et est lié à la état des éléments fusibles de l'étage préparatoire au moment de l'allumage du CSG.

où Imax valeur maximale du courant de l'étage préparatoire TSFF.

A l'instant tc' de l'amorçage du CSG, la commutation du courant de l'étape préparatoire vers l'étape de formage commence du fait de la valeur beaucoup plus faible de la résistance équivalente des éléments fusibles "froids" de l'étape de formage. Au début du processus de commutation, les éléments fusibles de l'étape de formation ont une température ambiante, contrairement à la colonne de plasma (haute résistance) formée après la désintégration des éléments fusibles de l'étape préparatoire.

La dynamique du processus de commutation de courant entre étages dans l'intervalle de temps tc' à tc'' peut être décrite par l'équation. (3) avec des conditions initiales approchées (4). Le modèle périphérique présenté, à des fins d'analyse qualitative des processus intervenant lors du fonctionnement du TSFF, a été simplifié et limité aux éléments principaux, sans tenir compte des éléments parasites mineurs du TSFF. En pratique, les constantes de temps (de l'ordre de ps) résultant de l'existence, par exemple, de capacités distribuées des structures TSFF et des trajets de courant sont imperceptibles du point de vue des constantes de temps relativement "longues" à l'échelle ns des thermoélectriques et thermomagnéto- processus hydrodynamiques.

On peut supposer que pendant la commutation il n'y a pas d'augmentation significative de la résistance des éléments de l'étage de formation, donc RS2 ≈ const. tandis que l'augmentation de la résistance RS1 continue, la valeur d'inductance de l'étage préparatoire de fusible LS1 est donc négligeable. En un temps aussi court, la tension aux bornes du condensateur source uC reste constante. Après l'amorçage de l'arc dans le CSG, la chute de tension uCSG est également négligeable et n'affecte pas le processus de commutation.

où L formant l'inductance, RS2, LS2 formant la résistance et l'inductance de l'étage.

Outre les paramètres du circuit de commutation, les paramètres clés déterminant la dynamique de la commutation inter-étages, et résultant des conditions initiales du processus de commutation, sont la tension d'amorçage USGI de l'éclateur de commutation et l'inductance de l'étage formant fusible. Compte tenu de ce fait et du fait que la densité de courant dans les éléments fusibles diminue avec l'augmentation du nombre d'éléments parallèles, on peut conclure qu'il existe un certain nombre optimal d'éléments fusibles de l'étape de formage par rapport à l'étape préparatoire. Des études d'optimisation sont en cours pour déterminer les paramètres de fonctionnement optimaux du TSFF. En raison de la non-linéarité significative de l'Eq. (3) paramètres, la solution peut être déterminée numériquement en utilisant, par exemple, le modèle résistif du fusible en formation, comme dans Ref.30 ou Ref.12.

Le processus de commutation du courant de l'étape préparatoire à l'étape de formage se termine à l'instant tc'' auquel tout le courant de fusible traverse l'étape de formage, iF = i2. Désormais (phase 3 du fonctionnement TSFF), pendant un court laps de temps nécessaire pour augmenter l'énergie interne des éléments fusibles de l'étage de formation, la tension uF sur les fusibles atteint une faible valeur résultant de la chute de tension sur leur résistance initiale équivalente (résistance des éléments à une température proche de la température ambiante). En fonction du nombre d'éléments fusibles de l'étage de formation et de la valeur de la tension uC restant sur la capacité C0, il est possible de constater une augmentation, une stabilisation ou une diminution temporaire de la valeur du courant du fusible, selon l'Eq. (5).

Indépendamment de la commutation du courant de l'étape préparatoire à l'étape de formage, le processus de désintégration des éléments fusibles de l'étape préparatoire ne s'arrête pas. Après la commutation du courant vers l'étape de formation, une expansion radiale supplémentaire du canal de plasma dans l'étape préparatoire (ce qui entraîne une augmentation du diamètre de la colonne de plasma) et sa déionisation intensive dans des conditions sans courant (intervalle de courant nul) avoir lieu, augmentant ainsi encore la résistance équivalente RS1.

Une fois que les éléments fusibles de l'étage de formage ont atteint l'énergie interne nécessaire au temps de préarc tp, le courant est rapidement limité à zéro par électro-explosion des éléments fusibles de l'étage de formage, et la surtension de valeur extrême Umax se produit sur le fusible. Une surtension aussi élevée est possible grâce aux caractéristiques suivantes des éléments de l'étage de formation :

Une valeur et une pente beaucoup plus élevées de l'augmentation de la densité de courant dans les éléments fusibles de l'étage de formation (en raison de leur section équivalente plus petite) entraînent leur dynamique de désintégration plus élevée, c'est-à-dire qu'elles assurent une expansion radiale plus rapide de la colonne de plasma, à la suite de quoi la résistance équivalente du canal augmente également plus rapidement.

Les éléments fusibles de l'étage de formage peuvent avoir une longueur bien supérieure à ceux de l'étage préparatoire, de sorte qu'ils peuvent se désagréger avec la séparation d'un plus grand nombre d'entrefers d'arc élémentaires, c'est-à-dire à une valeur de tension de la colonne multiarc plus élevée. .

En raison de la plus petite section équivalente des éléments fusibles de l'étage de formation, le canal de plasma créé à la suite de leur électro-explosion rapide a une densité plus faible de porteurs de charge libres, donc sa résistance équivalente est plus élevée et son processus de désionisation se produit avec une plus grande dynamique.

Au cours du processus final de limitation du courant, la tension de l'étape de formation apparaît également sur la colonne de plasma de l'étape préparatoire, qui pendant l'intervalle de courant nul tp − tc'' a pu librement restaurer la force de récupération électrique. En raison des niveaux extrêmes de surtensions générées et de l'augmentation beaucoup plus rapide de la résistance équivalente dans l'étage de formation du fusible, le courant de fuite de retour commence à circuler à travers la colonne de plasma de l'étage préparatoire, atteignant la valeur maximale Ir et, en conduisant partiellement le courant limité par les éléments fusibles de l'étage de formation, peut provoquer une certaine réduction de la surtension générée. En raison de l'état de désionisation profonde de son canal plasma, ainsi que d'une sélection appropriée des paramètres de fusible, le courant de retour de l'étage préparatoire ne conduit pas à sa réionisation, ce qui entraîne une limitation effective du courant à zéro au temps toff.

Cependant, si l'intervalle de courant nul de l'étage préparatoire est fourni trop court, il est possible de réioniser encore le canal de plasma désionisant, à la suite de quoi le courant de suite de valeur élevée (décharge de l'énergie restante dans la batterie de condensateurs) peut couler. Dans ce cas, le processus de limitation de courant et de formation d'impulsions peut être inefficace.

Par conséquent, il est nécessaire de minimiser la valeur du courant de retour Ir en sélectionnant de manière appropriée les sections n1S1 de l'étage préparatoire et n2S2 de l'étage de formation he, ainsi que la valeur de la tension d'allumage CSG USGI, en garantissant la longueur appropriée des éléments de l'étage de formation et assurant un temps de déionisation suffisamment long tp - tc'' du canal plasma de l'étage préparatoire. L'ensemble du processus de limitation de courant dans l'intervalle toff - tp doit être achevé dès que possible pour maximiser l'efficacité du processus de formation d'impulsions.

Un fusible de formation à deux étages, en termes de principe et d'efficacité, a des propriétés impossibles à obtenir dans un FF à un étage de n'importe quelle conception. Dans le cas d'un FF à un étage, pendant la phase initiale de fonctionnement, les éléments fusibles doivent garantir la possibilité pour le courant d'inductance de formation de monter à une valeur spécifique, souvent importante (de l'ordre de centaines de kA et même MA24) . Par conséquent, ils doivent avoir une résistance de conduction très faible et fournir la valeur la plus élevée possible de l'intégrale Joule de pré-arc I2tp, qui est la mesure de la densité d'énergie appliquée aux éléments fusibles, déterminée par le type de matériau fusible et le carré de le produit de la section S et du nombre d'éléments fusibles n, selon (6).

où : Constante KM Meyer ou intégrale spécifique du matériau fusible (pour cuivre : KMCu ≈ (1,2 ÷ 1,4)‧1017 A2s/m4, ou argent : KMAg ≈ (0,8 ÷ 1)‧1017 A2s/m4)37.

Il convient de mentionner que la constante de Meyer KM dans les conditions d'échauffement rapide des éléments fusibles en FF associée à une pente importante de la croissance de la densité de courant du fusible dj/dt peut atteindre des valeurs légèrement supérieures29,38 aux valeurs de conception adoptées dans la littérature.

La résistance équivalente du fusible est proportionnelle à la longueur des éléments fusibles et inversement proportionnelle à leur section équivalente. Afin d'obtenir un courant PFS suffisamment élevé, il est nécessaire de minimiser la résistance du fusible à l'état de conduction en minimisant la longueur et en maximisant la section et le nombre d'éléments fusibles.

D'autre part, après avoir atteint la valeur maximale par le courant PFS, il doit être rapidement réduit à zéro, de sorte que la résistance du fusible doit atteindre la valeur la plus élevée possible dans le temps le plus court possible (qui est déterminé par le mécanisme de désintégration du fusible29,39) . L'un des facteurs clés déterminant le type de mécanisme de désintégration des éléments fusibles est la valeur maximale de la densité de courant jmax et la pente de l'augmentation de la densité de courant dj/dt. En raison des conditions mentionnées ci-dessus, dans la deuxième phase de fonctionnement FF (c'est-à-dire la phase de limitation de courant), afin d'obtenir la plus grande dynamique possible du processus de limitation de courant à zéro et la récupération de la rigidité électrique la plus rapide possible, des efforts doivent être faites pour minimiser la section et le nombre d'éléments fusibles parallèles et pour maximiser leur longueur.

Les critères ci-dessus pour la sélection des éléments fusibles, déterminant l'efficacité de la formation d'impulsions par le FF, sont opposés. Par conséquent, la sélection d'un nombre, d'une section et d'une longueur appropriés d'éléments FF à un étage ne permet pas de garantir les conditions de fonctionnement optimales du fusible dans le PFS. Dans le même temps, la conception du TSFF permet un ajustement fonctionnel des éléments fusibles dans les deux étapes du fusible (étape de préparation et de formation) aux conditions de fonctionnement au moment de la montée du courant et au moment de sa coupure. Les deux étages fusibles TSFF ont le nombre, la section et la longueur des éléments fusibles adaptés aux phases de fonctionnement en PFS, c'est-à-dire qu'un nombre important d'éléments d'étage préparatoire avec une section plus importante et une longueur limitée assurent la possibilité d'augmenter le courant dans le PFS formant l'inductance à la valeur la plus élevée possible, tandis qu'un petit nombre d'éléments de formation avec un diamètre plus petit et une longueur accrue assure une limitation rapide du courant et, par conséquent, une efficacité beaucoup plus grande du processus de génération d'impulsions. En raison de la valeur incomparablement plus élevée de la densité de courant et de la pente de sa montée dans l'étape de formage des éléments fusibles, par rapport à l'étape préparatoire, leur désintégration est de nature à explosion homogène conformément au critère (7)38,40,41.

où tr temps de désintégration du fusible, τI constante de temps du développement des instabilités de surface et internes dans l'élément fusible, qui peut être estimée à l'aide de (8)42,43, approximativement indépendamment de la longueur et de la géométrie d'enroulement des éléments fusibles.

où ρ densité du matériau fusible, μ0 perméabilité magnétique sous vide absolu, jmax valeur maximale de la densité de courant de l'élément fusible au moment précédant la désintégration.

Pour les valeurs de courants et de temps considérées dans cet article, la constante de temps τI du développement des instabilités de surface et internes atteint des valeurs allant de centaines de ns à un seul μs. Par conséquent, pour assurer le caractère homogène de l'explosion des éléments fusibles, le temps nécessaire à leur désagrégation doit être inférieur à τI. Le processus de désintégration électro-explosive des éléments fusibles dans des conditions de forte augmentation de la densité de courant avec l'isolement des intervalles d'arc élémentaires (désintégration striée du fil fusible due aux forces électrodynamiques et thermodynamiques29,39), accompagné de la formation et de la déionisation des canaux de plasma, est illustré à la figure 7.

Dessin schématique du processus de désintégration striée électro-explosive de l'élément fusible dans les conditions d'une pente de densité de courant significative.

La conception du TSFF est une combinaison de deux fusibles FF à un étage avec des caractéristiques adaptées aux deux phases de fonctionnement du fusible. Les éléments de l'étage de formage ont une section équivalente n2S2 beaucoup plus petite et une longueur l2 plus grande, par rapport à l'étage préparatoire, ce qui s'exprime par les relations (9). L'augmentation de la longueur des éléments fusibles de l'étape de formation, tout en conservant les dimensions globales spécifiées de la chambre de fusible TSFF, peut être possible par un enroulement en spirale des éléments ou un enroulement le long d'une chaîne polygonale sur des supports isolants, comme illustré à la Fig. 3a.

S'il est nécessaire d'atteindre la valeur de l'intégrale Joule TSFF équivalente à un FF à un étage, le nombre d'éléments de l'étage préparatoire parallèle est réduit par rapport au FF à un étage et le déficit qui en résulte est compensé par la valeur de l'intégrale Joule de les éléments de l'étage de formage.

Du fait de la raideur significativement plus élevée de l'augmentation de densité de courant dj/dt dans les éléments fusibles de l'étage de formage, il est nécessaire d'utiliser un fil de bobinage de diamètre d'autant plus petit pour limiter le phénomène de diffusion du champ magnétique à l'intérieur du conducteur. Un diamètre trop grand des éléments fusibles en combinaison avec un temps de commutation inter-étages suffisamment court peut entraîner un échauffement superficiel inhomogène et une explosion ablative de l'élément fusible29, qui se produit lorsque le temps nécessaire pour évaporer l'ensemble du matériau fusible est beaucoup plus court que l'électro-magnéto- constante de temps thermique de la diffusion radiale de la densité de courant vers l'intérieur de l'élément fusible.

En raison du phénomène de diffusion de courant et de la vitesse de diffusion thermique limitée (plusieurs ordres de grandeur inférieurs), l'évaporation du matériau fusible lors de l'explosion ablative ne se produit initialement qu'à la surface du conducteur, souvent même avant que le noyau de l'élément fusible n'atteigne l'état liquide. Le processus de ce type se déroule dans des conducteurs de diamètre considérable par rapport à la profondeur de peau de pénétration du courant soumis à la circulation de courants de densité considérable et de dynamique élevée. L'explosion ablative d'un conducteur est beaucoup moins dynamique qu'une explosion homogène, donc dans le cas de FF c'est un phénomène indésirable et le risque de son apparition doit être limité en utilisant des éléments fusibles d'un diamètre suffisamment petit.

Afin de visualiser l'effet du diamètre de l'élément fusible sur la répartition interne de la densité de courant, simulations numériques du passage du courant dans les éléments conducteurs du compartiment fusible (Fig. 8) constitué de 24 fusibles parallèles de diamètres 0,25 mm et 0,125 mm ont été simulés en régime transitoire en réponse à un courant de forçage avec une raideur linéaire importante (supérieure à 100 kA/μs dans un seul fusible). Les tests de simulation ont été réalisés dans le domaine temporel en utilisant la méthode des éléments finis (basée sur la diffusion magnéto-thermique et les équations de Maxwell et prenant en compte le couplage des champs électromagnétiques et thermiques) dans l'environnement informatique CST Studio 202244.

Modèle discrétisé de l'intérieur du compartiment fusible composé de 24 éléments fusibles parallèles (longueur 300 mm et diamètre 0,25 mm ou 0,125 mm).

Les figures 9 et 10 présentent des distributions visualisées de la valeur absolue de la densité de courant j dans la section transversale d'un seul élément fusible d'un diamètre de 0,25 mm et 0,125 mm, respectivement, à des instants sélectionnés d'augmentation du courant.

Visualisation de la distribution dynamique de la densité de courant dans la section d'un élément fusible en argent d'un diamètre de 0,25 mm lors du passage du courant avec une pente importante.

Visualisation de la distribution dynamique de la densité de courant dans la section d'un élément fusible en argent d'un diamètre de 0,125 mm lors du passage du courant avec une pente importante.

Les figures 9 et 10 montrent que, selon les hypothèses, l'influence du diamètre de l'élément fusible sur la répartition de la densité de courant est un facteur qu'il convient de prendre en compte dans le cas d'impulsions de courant avec une pente montante importante (comme dans le cas de commutation inter-étages). Une distribution de densité de courant inégale peut modifier la nature du processus de désintégration du fusible et détériorer les propriétés de génération de PFS. C'est pourquoi, dans l'étape de formage TSFF, des éléments fusibles constitués d'un fil de diamètre inférieur à celui de l'étape préparatoire doivent être utilisés.

Sur la base des courbes de courant TSFF représentatives (Fig. 5), il est possible de développer des dépendances approximatives déterminant les valeurs des intégrales de Joule pour l'étape préparatoire I2t1 et l'étape de formation I2t2 selon (10) et (11), respectivement. Pour plus de simplicité, une forme d'onde triangulaire du courant i1 et une forme d'onde trapézoïdale de i2 ont été supposées. Des désignations conformes à la figure 5 ont été adoptées.

où γi facteur de limitation de courant, défini comme (2), t2AV temps moyen du passage du courant à travers les éléments de l'étage de formage défini comme (12).

où toff limitation du courant à l'instant zéro. Des désignations conformes à la Fig. 5 ont été adoptées.

Sur la base de la Fig. 5, il est également possible de déterminer les valeurs moyennes approximatives de la pente de l'augmentation de la densité de courant dans les éléments fusibles de l'étage préparatoire dj1/dtAV et de l'étage de formation dj2/dtAV, Eqs. (13) et (14), respectivement.

Le rapport de la pente de la dynamique de densité de courant de l'étape de formation et de l'étape préparatoire peut être déterminé à partir de l'équation. (15).

Sur la base des Éqs. (10) et (11), il est possible de déterminer les temps de passage du courant à travers les éléments fusibles tc'' et t2AV, et de simplifier l'Eq. (15) à une forme dépendant uniquement du rapport des sections transversales équivalentes des éléments de stade préparatoire et de formage (16). Il convient de noter que la constante de Meyer KM (6) peut avoir des valeurs différentes pour différentes pentes de densité de courant dj/dt, mais dans la plage de variabilité, elle est limitée vers le haut par deux fois sa valeur initiale29,38.

La valeur réelle du facteur de limitation de courant γi est comprise entre 0,5 et 1 et dépend principalement de la tension d'amorçage CSG USGI. On peut conclure que pour désintégrer les fusibles de l'étape de formage avec une explosion rapide, la valeur du critère (16) doit être maximisée. Le critère (16) est de nature fortement non linéaire (à la puissance 3), ce qui garantit une augmentation significative de la raideur de la montée en densité de courant dans l'étage de formation des éléments fusibles. Par conséquent, il est possible d'intégrer TSFF avec des sources d'énergie et PFS avec une dynamique de courant relativement faible (par exemple, FCG ou batterie de supercondensateurs) sans détérioration significative du processus de formation d'impulsions. Une désagrégation rapide de l'étape de formage (liée à une pente importante de la montée en densité de courant) peut être obtenue par un choix approprié de sections équivalentes des éléments fusibles de l'étape de formage par rapport à ceux préparatoires.

Le rapport n1S1/n2S2 des sections efficaces des éléments fusibles affecte également le temps de déionisation du canal plasma dans l'étape préparatoire pendant l'état de courant nul après la commutation du courant vers l'étape de formation. Ce temps de déionisation, égal au temps moyen t2AV de circulation du courant à travers les éléments de l'étage de formation, peut être déterminé avec une certaine approximation à partir de l'Eq. (17).

où κ = UC0/L pente de courant moyenne approximative dans le circuit PFS en fonction de la tension de capacité initiale UC0 et de l'inductance de formation L dans les conditions d'alimentation TSFF à partir de la batterie de condensateurs pulsés. Dans le cas de la coopération TSFF avec le FCG, la pente de la montée actuelle dépend principalement de la conception du FCG.

Dans le cas d'un plasma à haute densité formé après la désintégration d'éléments fusibles, la déionisation se produit à la suite de la recombinaison de porteurs de charge, c'est-à-dire d'électrons et d'ions. La déionisation du canal plasma dépend largement des conditions de refroidissement et de la possibilité d'expansion du canal plasma. Du fait des temps de déionisation considérés à l'échelle de la centaine de ns, le seul mécanisme efficace pour refroidir le canal plasma formé après la désintégration des éléments fusibles est le rayonnement, limité du fait des conditions de haute température dans la chambre du fusible. Par conséquent, le facteur dominant provoquant une déionisation rapide et l'augmentation de la résistance équivalente du canal plasma est l'expansion radiale du plasma45,46,47,48, se développant avec une vitesse spécifique résultant de la dynamique de l'électro-explosion du fusible. Ce phénomène provoque une diminution significative de la densité de porteurs de charges libres dans le canal plasma en fonction du temps. Ainsi, plus la dynamique de désintégration des éléments fusibles est élevée, plus la vitesse de désionisation ultérieure du canal plasma est élevée.

Les essais préliminaires en laboratoire ont indiqué que, outre l'impact évident sur la dynamique de la désintégration elle-même, le diamètre du fil des éléments fusibles de l'étape de formation peut également avoir un impact direct sur la dynamique de l'expansion radiale du canal de plasma dans le temps après l'initiation du processus de désagrégation. Pour les éléments de plus petit diamètre, la vitesse de récupération de la résistance d'isolement électrique du canal est plus importante que pour les éléments de plus grand diamètre (tout en conservant les mêmes sections équivalentes, et en respectant le critère d'échauffement homogène résultant de l'effet de peau). La recherche d'un modèle qualitatif de ce phénomène est en cours.

La désintégration prématurée des éléments fusibles de l'étage de formation par rapport au début de la commutation du courant diminue l'intervalle de temps à courant nul nécessaire pour restaurer la rigidité électrique du canal plasma de l'étage préparatoire. Dans ce cas, lorsque la possibilité d'augmentation adéquate de la résistance équivalente RS1 n'est pas assurée, l'apparition d'une surtension importante après l'électro-explosion des éléments de l'étage de formation fait que le retour du courant peut à nouveau avoir lieu dans la branche de l'étage préparatoire . L'amplitude de ce courant est liée à la durée de l'intervalle de temps à courant nul t2AV. Le passage du courant de retour fait à nouveau augmenter l'énergie interne du canal plasma de l'étage préparatoire. Si la valeur critique de l'énergie interne liée à l'énergie d'ionisation thermique du canal est dépassée, l'arc peut se rallumer et le courant de suite peut circuler.

Dans un FF à un étage, dans lequel l'intervalle de courant nul ne se produit pas, le canal de plasma résultant de la désintégration à faible dynamique des éléments fusibles a une possibilité limitée de restaurer la force de récupération électrique en raison de l'apport continu d'énergie thermique à partir du courant limité. Par conséquent, par rapport à TSFF, il y a une probabilité beaucoup plus élevée de réamorçage de l'arc après limitation du courant à zéro (ou pendant le processus de limitation, sur la pente descendante du courant).

Un résumé des principales caractéristiques et propriétés du TSFF par rapport au FF en une seule étape est présenté dans le tableau 1.

En résumé, on peut affirmer qu'en raison de ses caractéristiques physiques, le fusible de formation à deux étages avec commutation d'éclateur fournit de bien meilleurs paramètres de fonctionnement de formation d'impulsions haute puissance dans une large gamme de conditions courant-tension, par rapport au FF à un étage. solutions.

Afin de vérifier le concept TSFF, un modèle de laboratoire a été développé et fabriqué, ainsi qu'un certain nombre de tests de laboratoire ont été effectués dans le PFS proposé alimenté par une batterie de condensateurs à impulsions. Le but de la recherche expérimentale était de confirmer les propriétés du TSFF déterminées sur la base d'une analyse théorique, ainsi que de corriger certaines solutions de conception.

Les photographies du modèle TSFF montrant sa structure et ses éléments caractéristiques sont présentées à la Fig. 11.

Photographies de la maquette du laboratoire TSFF : vue de côté de l'étage de formage et de l'éclateur de commutation (a) et un profil avec vue rapprochée de la structure de l'éclateur de commutation (b) : 1 - système de montage rapide des éléments fusibles, 2—éléments fusibles de l'étage de formation, 3—supports isolants, 4—cloison isolante du compartiment des fusibles, 5—électrode réglable CSG, 6—isolateur de douille et support pour le montage interne inférieur des éléments fusibles, 7—cage à fusibles externe avec transducteur de mesure de courant intégré pour mesurer les composants du courant du fusible, 8—tube isolant du compartiment fusible, 9—montage fusible externe, 10—éléments fusibles de l'étape préparatoire, 11—raccords intérieurs inférieurs avec crochets, 12—joint à gaz du compartiment fusible, 13—courant pulsé à large bande transducteur de mesure. Le chemin d'écoulement actuel approximatif de l'étape préparatoire est marqué par des flèches rouges, tandis que les flèches bleues indiquent le chemin d'écoulement actuel de l'étape de formation.

La structure de support des éléments fusibles a été formée dans une configuration plate, c'est-à-dire que les deux étages du FF sont séparés par une barrière isolante ayant la forme d'une plaque en matériau polyoxyméthylène. Les éléments de l'étage préparatoire (d'une longueur de 320 mm) sont suspendus d'un côté de la barrière (comme illustré à la Fig. 11), entre les électrodes internes de la chambre FF. La plaque barrière isolante supporte les éléments de l'étage de formation sur les tiges isolantes, ce qui permet de monter un enroulement de type polygonal de fils d'argent. La structure porteuse à éléments fusibles est placée dans le compartiment fusible sous la forme d'un tube en polyamide avec deux armatures extérieures fixées à ses extrémités. L'utilisation de tiges porteuses isolantes et l'enroulement de type polygonal des éléments fusibles de l'étage de formage permet d'augmenter leur longueur à l2 = 430 mm. Lors de l'utilisation d'une méthode d'enroulement hélicoïdal ou polygonal, les éléments fusibles d'une même étape (préparatoire ou formage) sont positionnés de manière à assurer un gradient de potentiel uniforme (pendant le processus de désintégration) sur leur longueur, ce qui signifie que deux éléments proches les uns aux autres points le long de la longueur des fils fusibles ont un potentiel similaire. Cette procédure est utilisée pour limiter la probabilité d'inflammation des décharges entre les éléments fusibles. D'autre part, en raison de la possibilité de perturbations dans la structure du fil fusible (qui a été calibré en plus au stade de la production), de légères différences de potentiel peuvent se produire. Par conséquent, les éléments fusibles doivent être séparés les uns des autres. L'étude a supposé avec succès une distance minimale de 5 mm. Avec la méthode proposée d'enroulement d'éléments fusibles (illustrée à la Fig. 11a), le nombre maximal d'éléments de l'étape préparatoire de ce modèle de laboratoire TSFF particulier est égal à n1max = 10, tandis que pour l'étape de formage n2max = 6. La figure 11b présente une conception simplifiée de l'éclateur de commutation TSFF ayant la forme d'une cathode en cuivre et d'une anode en aluminium de forme appropriée. Un montage approprié de l'électrode en cuivre a permis de régler la distance entre les électrodes de l'éclateur et, par conséquent, de régler la tension d'allumage USGI dans la plage de 50 kV à env. 180kV. La valeur minimale de la tension d'amorçage USGI ne doit en aucun cas être inférieure à la tension d'alimentation du circuit PFS (comme dans le cas de l'article présenté - 10 kV). Si l'USGI n'est pas atteint par l'étape préparatoire, aucune commutation ne se produira et TSFF se comportera comme un FF à un étage avec les paramètres de l'étape préparatoire. Dans le cas où l'allumage du CSG a lieu trop tôt, c'est-à-dire avant que les éléments fusibles de l'étage préparatoire ne soient désintégrés, les éléments fusibles des deux étages se désintégreront à peu près parallèlement dans le temps et les paramètres obtenus seront également comparables à ceux de l'étage unique. FF.

Afin de mesurer séparément les composants pertinents du courant TSFF (courant de l'étage préparatoire i1 et courant de l'étage de formation i2), un diviseur de courant concentrique approprié a été installé dans la partie inférieure du modèle. Le chemin interne de ce diviseur ne conduit que la composante de courant de l'étage préparatoire (grâce à l'utilisation d'une traversée isolante à l'intérieur de la chambre du fusible), tandis que le chemin extérieur (cage de courant) ne conduit que le courant de l'étage de formation. La figure 11b montre les trajets d'écoulement des composants de courant de fusible respectifs. En cas d'indisponibilité d'un transducteur de courant avec une plage de mesure appropriée, la solution géométrique proposée permet d'étendre la plage de mesure du courant en utilisant la topologie du diviseur de courant avec une méthode de compensation de mesure appropriée49.

Outre les paramètres du circuit PFS dans lequel le FF est installé, l'efficacité de la formation d'impulsions haute puissance à base de fusible est influencée par de nombreux facteurs de conception du fusible, notamment :

section et géométrie d'un même élément fusible, et le nombre d'éléments parallèles,

longueur des éléments fusibles,

propriétés matérielles des éléments fusibles,

type et pression du fluide (gaz isolant) remplissant le compartiment fusible.

La sélection optimale des paramètres FF ci-dessus pour assurer une bonne efficacité du processus de formation d'impulsions est un problème d'analyse multicritère non linéaire et n'est pas le but de cet article. Des travaux sont en cours sur une spécification détaillée de l'impact des paramètres de fonctionnement TSFF sélectionnés sur le processus de formation des impulsions.

Les tests de laboratoire du TSFF ont été effectués dans un PFS de laboratoire alimenté par la batterie de condensateurs à impulsions. Le système de formage a été testé à vide afin de ne pas introduire de paramètres supplémentaires qui pourraient affecter le fonctionnement du TSFF et pour faciliter la comparaison avec d'autres PFS décrits dans la littérature.

Le banc d'essai de laboratoire comprend une source d'énergie sous la forme d'une batterie de condensateurs d'une capacité de C0 = 200 µF et d'une faible inductance parasite interne (moins de 100 nH - la valeur estimée en mesurant la forme d'onde du courant de court-circuit), préchargée pour UC0 = 10 kV. Les autres éléments du PFS comprennent un trigatron T (éclateur à déclenchement électrique), une bobine de formation sans noyau (FC) avec une inductance L = 2,2 µH et le modèle TSFF. Le schéma de principe du banc d'essai est présenté à la Fig. 12, et les photographies du banc à la Fig. 13.

Schéma de principe du banc d'essai de laboratoire PFS basé sur TSFF : C0 = 200 μF - batterie de condensateurs d'impulsion chargés à la tension initiale UC0 = 10 kV, T trigatron, L = 2,8 μH - inductance de formation, diviseur de tension d'impulsion VD, courant d'impulsion PCM Pearson moniteur, pile de diodes haute tension HV-D ; Système de charge haute tension HVCS, générateur d'impulsions de déclenchement TPG, fibre optique OF, condensateurs de couplage haute tension Ccoup, i1, courant isum de l'étage préparatoire et courant total du fusible, tension uF aux bornes du fusible.

Photographies du banc d'essai de laboratoire PFS basé sur TSFF alimenté par une batterie de condensateurs à impulsions. Désignations selon Fig. 12.

La tension TSFF a été mesurée à l'aide d'un diviseur de tension résistif à impulsions VD avec une largeur de bande de fréquence allant de DC à env. 10 MHz fabriqué, testé et vérifié à l'Université de technologie de Gdansk. La mesure des courants circulant dans les étages TSFF individuels a été effectuée à l'aide de transducteurs de courant Pearson à large bande50 avec des gammes et des bandes de mesure appropriées, c'est-à-dire des moniteurs de courant Pearson modèle 5624 (20 MHz, 20 kA) et modèle 4191 (7 MHz, 50 kA). Pour permettre la mesure des composants de courant dans les deux étages TSFF, une traversée isolante qui conduisait le courant de l'étage préparatoire du TSFF à travers le raccord de fusible inférieur a été installée dans la partie inférieure de la chambre de fusible et connectée au chemin de courant externe de type cage à l'extérieur. le compartiment des fusibles. De cette façon, le courant TSFF total et le courant de l'étape préparatoire ont pu être mesurés pendant les tests. Les formes d'onde de courant de l'étage de formation ont été déterminées numériquement comme la différence entre les deux composantes mesurées. Les signaux de tous les transducteurs de mesure, c'est-à-dire les transducteurs de courant et les diviseurs de tension, ont été enregistrés avec des oscilloscopes séparés et isolés galvaniquement (classe Tektronix MSO58, DPO4104 et DPO 4054 ou supérieure) en raison de l'apparition de différences de potentiel entre les parties du circuit dans lesquelles ils ont été installés et pour minimiser la diaphonie entre les canaux de l'oscilloscope.

Les figures 14, 15 et 16 présentent les formes d'onde du courant iF(t), de la tension uF(t) et des intégrales de Joule I2t calculées comme dans (6). Ils ont été déterminés sur la base de tests expérimentaux du modèle de laboratoire TSFF avec les paramètres suivants : n1 = 8, n2 = 4, USGI = 130 kV. Pour ces paramètres, la valeur maximale de la surtension générée atteint env. 740 kV, ce qui est plus de deux fois plus élevé que dans le cas du PFS utilisant un fusible à un étage dans des conditions de courant similaires et des paramètres similaires d'éléments fusibles (Fig. 17).

Formes d'onde du courant TSFF iF et de la tension uF pendant le fonctionnement - résultats des tests en laboratoire. Les valeurs caractéristiques sont indiquées sur la figure.

Formes d'onde du courant TSFF iF et de la tension uF pendant le fonctionnement - résultats des tests en laboratoire. Les valeurs caractéristiques sont indiquées sur la figure. Gros plan sur la commutation et le processus de limitation de courant.

Courant TSFF iF et formes d'onde intégrales Joule I2t pendant le fonctionnement - résultats des tests en laboratoire. Les valeurs caractéristiques sont indiquées sur la figure. Gros plan sur la commutation et le processus de limitation de courant.

Comparaison des formes d'onde du courant iF et de la tension uF du TSFF et du fusible à un étage (SSF) pendant le fonctionnement - résultats des tests en laboratoire. Les valeurs caractéristiques sont indiquées sur la figure. Gros plan sur le processus de limitation du courant.

La figure 15 montre les formes d'onde du courant et de la tension du fusible, avec une vue rapprochée du processus de commutation et de limitation du courant conduisant à la formation importante et rapide de surtensions. La valeur absolue maximale de la dynamique de limitation de courant di/dtmax était d'env. 300 kA/μs. La figure 16 montre la forme d'onde de l'intégrale Joule TSFF, sur la base de laquelle il est possible de déterminer les valeurs approximatives des intégrales spécifiques de pré-arc et de coupure des éléments fusibles de l'étage de formation comme la différence de l'intégrale de pré-arc I2tp de l'ensemble du TSFF et l'intégrale au moment de la commutation du courant inter-étages I2tc (de même, I2toff dans le cas de l'intégrale de coupure). Dans la variante présentée, les valeurs de l'intégrale de pré-arc et de l'intégrale de coupure de l'étape de formage par rapport au carré de la section transversale des éléments ont été calculées comme suit :

La valeur de l'intégrale de coupure correcte est supérieure d'env. 5% de celle de l'intégrale de pré-arc. Une très faible différence dans les valeurs présentées prouve une très forte dynamique de désagrégation des éléments fusibles de l'étage de formation. Ces valeurs peuvent être comparées à la constante de Meyer, car elles ont la même signification physique, confirmant une augmentation presque double de la chaleur accumulée dans les éléments fusibles de l'étape de formage lors d'une électro-explosion aussi violente, par rapport aux valeurs typiques disponibles dans la littérature. (concernant, par exemple, l'étage préparatoire TSFF ou les éléments fusibles FF à un étage)29,38 comme présenté ci-dessous Eq. (6).

La figure 17 compare les résultats du processus de formation d'impulsions et de génération de surtension sous forme de formes d'onde de courant de fusible iF et de tension uF pour deux technologies FF : fusible à un étage et TSFF avec le même nombre d'éléments fusibles : nSSF pour un fusible à un étage , et nTSFF1 pour la phase préparatoire (dans le cas de TSFF), nSSF = nTSFF1 = 8.

Les résultats de laboratoire ont pleinement confirmé l'efficacité du concept proposé. Pendant le fonctionnement des deux FF avec les mêmes paramètres du PFS, une amplification de plus de 2,3 fois de la surtension générée, avec une réduction correspondante de la durée d'impulsion, a été obtenue dans le cas de l'utilisation de TSFF, par rapport à un FF à un étage. L'utilisation de TSFF a permis d'atteindre une pente d'impulsion de surtension de l'ordre de 10 000 kV/μs.

Au cours des recherches du laboratoire PFS basé au TSFF, les tests ont été enregistrés à l'aide d'une caméra à grande vitesse, ce qui a permis d'étudier le phénomène de décharges partielles (ionisation partielle de l'air) dans l'espace autour du fusible, du diviseur de tension et du raccord supérieur. de la bobine de formation pendant le processus de formation des impulsions (pour la valeur de crête de surtension Umax = 740 kV). Une image sélectionnée de cet enregistrement est illustrée à la Fig. 18. En raison de la forte intensité du champ électrique dans l'espace autour du modèle TSFF, il était nécessaire d'utiliser des matériaux isolants de haute pureté avec une résistance électrique très élevée.

Vue des décharges partielles de nature volatile dans l'espace autour du modèle TSFF, du diviseur de tension et du raccord supérieur de la bobine de formation pendant le processus de formation de l'impulsion (pour la valeur de crête de surtension Umax = 740 kV).

Les essais réalisés avec le modèle de laboratoire d'un fusible de formation à deux étages ont prouvé que sa conception, associée à un choix approprié des paramètres (sections équivalentes des éléments fusibles de l'étage préparatoire et de formation et la tension de l'éclateur de commutation), permet une plus grande raideur de la limitation de courant à zéro dans le PFS et une plus grande force de retour électrique du fusible par rapport aux FF à un étage précédemment utilisés. Par conséquent, le TSFF permet la formation d'une impulsion de surtension avec une pente et une valeur maximale beaucoup plus importantes.

Le concept et la construction proposés du TSFF permettent d'obtenir des paramètres de formation d'impulsions de haute puissance, beaucoup plus favorables que ceux offerts par les FF conventionnels à un étage. Le principe physique de fonctionnement et les paramètres de TSFF ont été confirmés lors d'essais effectués dans des conditions de laboratoire sur le prototype conçu et fabriqué, au cours desquels une surtension d'env. 740 kV ont été atteints pour la longueur de colonne de fusibles de 350 mm, ce qui est plus de deux fois plus élevé que dans le cas de l'utilisation de FF à un étage de n'importe quelle configuration.

Sur la base des résultats de tests expérimentaux (formes d'onde de courant et de tension), il est possible de déterminer la puissance instantanée maximale de l'impulsion générée et la densité de puissance du système en tant qu'indicateur universel qui détermine l'efficacité du processus de formation d'impulsions à haute puissance . Dans les tests ci-dessus, la puissance de crête a atteint la valeur de pmax ≈ 14 800 MW, tandis que la densité de puissance (en tenant compte de tous les éléments du stand de laboratoire) était d'env. pmax/V ≈ 61 GW/m3. Ces valeurs sont nettement plus importantes que dans le cas de l'utilisation, par exemple, d'un générateur Marx, même avec des systèmes de formage supplémentaires (pmax < 6000 MW), ou de PFS avec des fusibles conventionnels à un étage (pmax < 5000 MW pour des paramètres d'alimentation similaires).

Le tableau 2 présente les paramètres pouvant être obtenus dans diverses technologies de systèmes de formage compact qui ont été collectés sur la base de l'analyse des sources de littérature disponibles. Du fait de la comparaison des paramètres des systèmes de génération et de formage de différentes technologies, cette comparaison est de nature illustrative.

Il convient également de noter que lors de l'utilisation de TSFF, il est possible de mettre à l'échelle le système en augmentant le nombre d'éléments fusibles parallèles (proportionnellement pour l'étape préparatoire et l'étape de formation) et en augmentant le courant d'entrée de l'étape de génération précédente. Contrairement à d'autres technologies (y compris FF à un étage), TSFF offre la possibilité d'utiliser une large gamme de sources de courant sans perdre la capacité de former des surtensions importantes, car il peut fonctionner avec des sources de courant avec une pente de montée de courant considérablement réduite, comme un supercondensateur banques ou FCG.

Des travaux avancés sur le développement de la technologie TSFF sont actuellement en cours, y compris de nombreux tests en laboratoire et des études de simulation. TSFF a un grand potentiel de développement, principalement vers des applications et une intégration avec des sources de courant à haute densité d'énergie (par exemple, FCG pour le phénomène d'amplification de courant et d'énergie). L'obtention de surtensions aussi importantes avec un volume très faible, et donc une densité de puissance et d'énergie importante, crée de nouvelles possibilités d'application, principalement dans le domaine de l'énergie dirigée, des systèmes de contre-drones, des tests de compatibilité électromagnétique, ou des recherches en laboratoire nécessitant des sources de forte puissance. impulsions.

Dans le même temps, la dynamique de désintégration des éléments fusibles obtenue, jusqu'alors inatteignable, peut permettre de mieux comprendre les processus qui se déroulent lors des changements de phase rapides des métaux.

Les ensembles de données utilisés et/ou analysés dans la présente étude sont disponibles auprès de l'auteur correspondant sur demande raisonnable.

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L'auteur tient à remercier l'Université de technologie de Gdansk, Faculté de génie électrique et de contrôle pour son soutien financier. L'auteur tient également à remercier les membres de l'équipe de recherche : le professeur Kazimierz Jakubiuk, le professeur Mirosław Wołoszyn, le Dr Marek Pikoń, le Dr Józef Czucha, le Dr Daniel Kowalak et le Dr Borys Semenowicz, pour leur aide substantielle inestimable et leur assistance dans les tests de laboratoire au cours de la recherche. .

Faculté de génie électrique et de contrôle, Université de technologie de Gdansk, 80-233, Gdańsk, Pologne

Nicolas Nowak

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La correspondance est Mikołaj Nowak.

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Réimpressions et autorisations

Nowak, M. Le concept d'un nouveau fusible à deux étages pour la formation d'impulsions à haute puissance. Sci Rep 12, 18176 (2022). https://doi.org/10.1038/s41598-022-23145-5

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Reçu : 27 juin 2022

Accepté : 25 octobre 2022

Publié: 28 octobre 2022

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

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