Зарядное устройство емкостного накопителя

 

Изобретение относится к высоковольтной импульсной технике, а именно к зарядным устройствам емкостных накопителей энергии, предназначенных для накачки лазеров и получения мощных электрогидравлических ударов. Технический результатом является сокращение габаритов и увеличение надежности зарядного устройства. Зарядное устройство емкостного накопителя содержит маслонаполненный металлический корпус, повышающий трансформатор, высоковольтный выпрямитель, выполненный на двух вентилях и двух конденсаторах, соединенных по схеме удвоения напряжения Латура, и подключенный общими точками соединения двух вентилей и двух конденсаторов к вторичной обмотке трансформатора, отсекающий дроссель, один вывод которого подключен к одной из общих точек соединения вентиля и конденсатора, и разрядный резистор, включенный между высоковольтным выводом выпрямителя и корпусом. Новым является то, что другая из общих точек соединения вентиля и конденсатора подключена к корпусу, а другой вывод отсекающего дросселя непосредственно или через дополнительный резистор подключен к высоковольтному выводу. 2 з.п.ф-лы, 1 ил.

Изобретение относится к высоковольтной импульсной технике, а именно к зарядным устройствам скважинных емкостных накопителей энергии, предназначенных для ведения сейсморазведки и обработки призабойной зоны нефтяных скважин.

Известно зарядное устройство емкостных накопителей энергии (см. книгу В. М. Вакуленко и Л. П. Иванов. "Источники питания лазеров", М., Сов. радио, 1980, с. 39 - 53, рис. 3, 5), содержащее токоограничивающий элемент, повышающий трансформатор и мостовой выпрямитель. Токоограничивающий элемент - резистор или индуктивность установлен в первичной цепи питания, мостовой выпрямитель подключен ко вторичной обмотке трансформатора. Основной функцией зарядного устройства является передача необходимой электрической энергии в емкостный накопитель за время между импульсами разрядного тока.

Недостатком указанного зарядного устройства является невысокое (обусловленное только коэффициентом трансформации) рабочее напряжение.

Наиболее близким к заявляемому техническому решению является зарядное устройство емкостного накопителя скважинной электрогидравлической установки для обработки призабойной зоны нефтяных скважин (см. статью А.М. Курач, Ю.И. Курашко, В.И. Воробьев, С.И. Заславский. "Генератор импульсных токов для электрогидравлической установки воздействия на пласт". Тезисы докладов 3-й Всесоюзной научно-технической конференции. - Николаев, 1984, с. 111 - 112), содержащее металлический корпус, повышающий трансформатор, высоковольтный выпрямитель, разрядный резистор и отсекающий дроссель. Высоковольтный выпрямитель выполнен на двух вентилях и двух конденсаторах, соединенных по схеме удвоения напряжения Латура, и подключен общими точками соединения двух вентилей и двух конденсаторов ко вторичной обмотке трансформатора. Отсекающий дроссель одним выводом подключен к одному из общих точек соединения вентиля и конденсатора, а другим выводом - к корпусу выпрямителя и служит для ограничения токов в выпрямителе при перезарядке емкостного накопителя. Другая общая точка соединения вентиля и конденсатора подключена к высоковольтному выводу зарядного устройства. Разрядный высокоомный резистор включен между высоковольтным выводом и корпусом. Корпус выполнен в виде стальной трубы диаметром 112 мм и длиной 1330 мм и залит трансформаторным маслом. Рабочее напряжение зарядного устройства 30 кВ.

Недостатками зарядного устройства скважинной электрогидравлической установки-прототипа являются недостаточная надежность и довольно большие потери энергии вследствие сложности изолирования трансформатора и выпрямителя одновременно от корпуса и от дросселя и передачи электрической энергии к зарядному устройству по двум проводам (жилам) каротажного кабеля.

При создании данного изобретения решалась задача уменьшения габаритов и повышения надежности скважинной электрогидравлической установки, а также обеспечения ее работы в режиме повышенной частоты повторения разрядов, т.е. задача повышения эффективности обработки призабойной зоны нефтяной скважины и ведения сейсморазведки.

Техническим результатом изобретения является уменьшение габаритов и увеличение надежности зарядного устройства - одного из основных блоков скважинной электрогидравлической установки. Дополнительным техническим результатом является повышение частоты повторения разрядов скважинной электрогидравлической установки.

Указанный технический результат достигается тем, что по сравнению с известным зарядным устройством, содержащим маслонаполненный металлический корпус, повышающий трансформатор, высоковольтный выпрямитель, разрядный резистор и отсекающий дроссель, при этом высоковольтный выпрямитель выполнен на двух вентилях и двух конденсаторах, соединенных по схеме удвоения напряжения Латура, и подключен общими точками соединения двух вентилей и двух конденсаторов ко вторичной обмотке трансформатора, отсекающий дроссель одним своим выводом подключен к одной из общих точек соединения вентиля и конденсатора, разрядный резистор включен между высоковольтным выводом выпрямителя и корпусом, новым является то, что другая из общих точек соединения вентиля и конденсатора подключена к корпусу, другой вывод отсекающего дросселя непосредственно или через дополнительный резистор подключен к высоковольтному выводу.

Кроме того, один из концов первичной обмотки трансформатора соединен с корпусом, а разрядный резистор размещен внутри дросселя.

Соединение одного из конденсаторов выпрямителя напрямую с металлическим корпусом и перенос отсекающего дросселя из низковольтной цепи выпрямителя в выходную высоковольтную цепь выпрямителя обеспечивает сохранение устойчивости высоковольтного выпрямителя к броскам разрядного тока при переполюсовке емкостного накопителя (колебательном характере разряда емкостного накопителя), возможность конструктивного сближения (и даже совмещения по принципу матрешки) разрядного резистора и отсекающего дросселя и, тем самым, уменьшения габаритов зарядного устройства.

Введение в выходную высоковольтную цепь зарядного устройства дополнительного резистора позволяет задемпфировать резонансные процессы в последовательном резонансном контуре, образованном вторичной обмоткой трансформатора и емкостным накопителем, и устранить нежелательные перенапряжения во вторичной обмотке трансформатора, уменьшить пусковой ток в первичной обмотке трансформатора в начальный момент зарядки емкостного накопителя, когда его реактивное сопротивление очень мало, и обезопасить источник первичного напряжения от аварии.

Гальваническое соединение первичной обмотки трансформатора одним своим концом с корпусом зарядного устройства позволяет: осуществить передачу электрической энергии от наземного пульта питания и управления к зарядному устройству, а от него - к емкостному накопителю одновременно по нескольким (2, 3 или 5) запараллеленным жилам и броне каротажного кабеля и, соответственно, снизить в 2 - 5 раз потери электрической энергии на активном сопротивлении кабеля; увеличить частоту повторения разрядов и электрогидравлических ударов, т.е. повысить производительность электрогидравлической установки; упростить изоляцию первичной обмотки и ферромагнитного сердечника трансформатора от высокого напряжения (ферромагнитный сердечник при этом можно не изолировать).

На чертеже изображена электрическая схема заявляемого зарядного устройства.

Зарядное устройство содержит маслонаполненный металлический корпус 1, повышающий трансформатор 2, высоковольтный выпрямитель 3, отсекающий дроссель 4, дополнительный резистор 5 и разрядный резистор 6.

Первичная обмотка 7 повышающего трансформатора 2 намотана на сердечник 8 из электротехнической стали и соединена одним своим концом с корпусом 1 зарядного устройства. Второй конец первичной обмотки 7 подпаян к штырю входного разъема 9 (или к нескольким штырям сразу в случае многожильного каротажного кабеля).

Вторичная обмотка 10 повышающего трансформатора 2 намотана на отдельном изоляционном каркасе и имеет в 22 раза большее число витков чем первичная обмотка 7.

Высоковольтный выпрямитель 3 состоит из двух высоковольтных диодов (или двух кремниевых или селеновых диодных столбиков) 11 и 12 и двух высоковольтных фильтрующих конденсаторов 13 и 14, соединенных по схеме удвоения напряжения Латура. Общие точки соединения двух вентилей 11 и 12 и двух конденсаторов 13 и 14 подключены ко вторичной обмотке 10 трансформатора. Одна из общих точек соединения вентиля 1 и конденсатора 14 подключена к корпусу 1. Другая из общих точек соединения вентиля 11 и конденсатора 13 подключена к одному из выводов отсекающего дросселя 4. Другой вывод отсекающего дросселя 4 подключен непосредственно или через дополнительный резистор 5 к высоковольтному выводу 15.

Отсекающий дроссель 4 представляет собой многовитковую секционированную катушку индуктивности, намотанную на изоляционном каркасе. Внутри (вдоль оси) отсекающего дросселя установлен разрядный резистор 6 величиной 100 - 300 МОм. Разрядный резистор 6 включен между высоковольтным выводом 15 и корпусом 1 зарядного устройства и служит для снятия остаточного напряжения с емкостного накопителя при отключении первичного источника напряжения. Дополнительный резистор 5 имеет номинал нескольких килоом.

Корпус 1 выполнен из стальной трубы диаметром 102 мм, рассчитанной на внешнее гидростатическое давление 50 МПа. Внутренняя полость корпуса заполнена трансформаторным маслом. С левого конца корпуса зарядного устройства закреплена низковольтная кабельная головка 9 для соединения с каротажным кабелем, с правого конца - высоковольтный разъем 15 с проходным изолятором и контактом типа штырь для подключения емкостного накопителя.

Работает зарядное устройство следующим образом.

При включении источника первичного напряжения на вход 9 зарядного устройства через каротажный кабель поступает переменное напряжение амплитудой U_1m и частотой f, которое трансформатором 2 повышается до напряжения U_2m = U_1mW₂/W₁, где W₂ и W₁ - число первичной 7 и вторичной 10 обмоток повышающего трансформатора 2.

В положительный полупериод вторичного напряжения открыт диод 11 и заряжается (до потенциала вторичной обмотки U_2m) фильтрующий конденсатор 13 высоковольтного выпрямителя 3. В отрицательный полупериод напряжения открыт диод 12 и заряжается фильтрующий конденсатор 14. Так как оба фильтрующих конденсатора 13 и 14 выпрямителя 3 соединены последовательно, то на выходе выпрямителя через два полупериода создается напряжение 2U_2m. Это напряжение через дроссель 4 (или дроссель 4 и дополнительный резистор 5) прикладывается к емкостному накопителю. Усредненная (и малочувствительная к величине резистора 5) кривая роста напряжения на емкостном накопителе имеет вид U_н = 2U_2m(1 - (1 - b)^mft), где m = 2; b = C_1ф/(C_1ф + C_н); C_1ф и C_н - емкости фильтрующих конденсаторов выпрямителя и емкостного накопителя.

Процесс продолжается до тех пор, пока емкостный накопитель полностью не зарядится. При выключении источника первичного напряжения емкостный накопитель медленно разряжается через высокоомный резистор 6.

Авторами изготовлен и испытан с положительными результатами опытный образец зарядного устройства. Опытный образец имеет диаметр 102 мм, длину 1 м и вес 28 кг. Потребляемая мощность достигает 0,5 кВт, выходное напряжение 42 кВ, средний ток зарядки 12,5 мА.

Таким образом, предлагаемое зарядное устройство имеет по сравнению с прототипом одновременно и меньшую на 30% длину, и меньший на 10% диаметр, и большее на 40% рабочее напряжение и тем самым улучшает эксплуатационные характеристики скважинной электрогидравлической установки (ее проходимость внутри обсадных колонн и условия электрического пробоя скважинной жидкости).

Формула изобретения

1. Зарядное устройство емкостного накопителя, содержащее маслонаполненный металлический корпус, повышающий трансформатор, высоковольтный выпрямитель, выполненный на двух вентилях и двух конденсаторах, соединенных по схеме удвоения напряжения Латура, и подключенный общими точками соединения двух вентилей и двух конденсаторов к вторичной обмотке трансформатора отсекающий дроссель, один вывод которого подключен к одной из общих точек соединения вентиля и конденсатора, разрядный резистор, включенный между высоковольтным выводом и корпусом, отличающееся тем, что другая из общих точек соединения вентиля и конденсатора подключена к корпусу, а другой вывод отсекающего дросселя непосредственно или через дополнительный резистор подключен к высоковольтному выводу.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что разрядный резистор расположен внутри отсекающего дросселя.

3. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что с корпусом соединен один конец первичной обмотки повышающего трансформатора.

РИСУНКИ

Рисунок 1