Е.Г. КРАСТЕЛЕВ, В.П. ПЕВЧЕВ БЫСТРОДЕЙСТВУЮЩИЕ ПРЕДОХРАНИТЕЛИ ДЛЯ ЗАЩИТЫ КОНДЕНСАТОРНЫХ БАТАРЕЙ

УДК 537.6(06) Мощная импульсная электрофизика
Е.Г. КРАСТЕЛЕВ, В.П. ПЕВЧЕВ
РНЦ “Курчатовский институт”, Москва
БЫСТРОДЕЙСТВУЮЩИЕ ПРЕДОХРАНИТЕЛИ
ДЛЯ ЗАЩИТЫ КОНДЕНСАТОРНЫХ БАТАРЕЙ
Представлены результаты разработки защитных предохранителей на основе
электрически взрываемых проводников, обеспечивающих надежное отключение
отдельных конденсаторов батареи при возникновении внутренних пробоев или
группы конденсаторов при превышении допустимого разрядного тока в цепи.
Применение в емкостных накопителях электрофизических установок
новых энергоемких конденсаторов с металлизированными обкладками,
отличающихся жесткими ограничениями на величину допустимого тока
разряда, потребовало разработки эффективных средств их защиты, обеспечивающих надежное отключение отдельного конденсатора при внутреннем его пробое или группы конденсаторов при возникновении короткого замыкания на выходе батареи. С этой целью проведены экспериментальные исследования характеристик различных по конструкции быстродействующих защитных предохранителей на основе электрически взрываемых проводников.
Эксперименты проводились со сборками параллельно включенных
конденсаторов с суммарным энергозапасом от 1 до 30 кДж в диапазоне
напряжений 5-12 кВ. Пробой одного из конденсаторов моделировался
включением вместо него цепочки из управляемого искрового разрядника
и испытываемого защитного предохранителя. Такие же предохранители
включались последовательно с каждым из остальных конденсаторов батареи. Аналогично с помощью разрядника, установленного между коллекторными шинами моделировался режим к.з. на выходе батареи.
Были испытаны несколько вариантов открытых конструкций и предохранителей с размещением проводников в различных конденсированных
и гетерогенных средах. Полученные данные показали, что наилучшими
свойствами с точки зрения минимума габаритов, быстродействия, надежности и удобства практического использования обладают предохранители, выполненные из медных проводников в корпусах с тонкодисперсным
кварцевым наполнителем (кварцевый песок 100 мкм). Экспериментально
установлено, что наименьшая длина проводника, при которой исключается развитие вторичного пробоя и протекания опасного по уровню тока
после разрыва цепи по фулгоритной трубке (прилежащей к образовавшемуся в результате взрыва проволочки каналу массе спекшегося кварца с
ISBN 5-7262-0555-3. НАУЧНАЯ СЕССИЯ МИФИ-2005. Том 8
77
УДК 537.6(06) Мощная импульсная электрофизика
осажденными частицами меди) достигается при использовании изоляционных корпусов из жестких изоляционных материалов. Объяснением этому может служить быстрый рост давления в канале в результате эффективного отражения ударных волн от стенок корпуса, ведущий к погасанию разряда. При недостаточно высокой механической прочности наблюдается разрушение корпуса и появляется возможность вторичного пробоя
в канале в результате резкого спада давления. Хорошие результаты были
получены при использовании корпусов из стеклопластика, поликарбоната
и жесткого винипласта с оптимальным соотношением поперечных и продольных размеров. Эксперименты показали, что расщепление проводника
на несколько параллельно включенных проволочек, симметрично установленных в одном корпусе, уменьшает нагрузку на стенки за счет внутренней интерференции возникающих ударных волн и обеспечивает его
целостность даже при использовании менее прочных материалов. Кроме
того, таким путем достигается более высокое быстродействие предохранителя.
Численная обработка осциллограмм токов показала, что для предохранителей с медными проводниками в корпусах с кварцевым наполнителем
интеграл удельного действия тока (квадрата плотности тока) от начала
импульса до момента быстрого роста сопротивления проволочки практически неизменен во всем диапазоне выполненных измерений. Полученное
значение этого интеграла составляет (1,2±0,1)x10 9 А2с/см4. Основываясь
на результатах этих измерений, была разработана методика расчета защитных предохранителей. Она включает в себя расчет значения интегрального действия тока в цепи каждого из конденсаторов батареи в рабочем режиме и нахождение сечения проводников предохранителей исходя
из полученного максимального значения, умноженного на некоторый коэффициент запаса (3-5), и приведенного выше критического значения интегрального действия.
Работоспособность и надежность систем защиты конденсаторов на основе разработанных предохранителей была проверена в лабораторных
условиях и при работе ряда электрофизических установок. Опыт эксплуатации конденсаторных батарей электроразрядных установок для геотехнического строительства показал, что разработанные защитные предохранители обеспечивают надежное отключение отдельного поврежденного
конденсатора от батареи при сохранении ее работоспособности.
78
ISBN 5-7262-0555-3. НАУЧНАЯ СЕССИЯ МИФИ-2005. Том 8