气体开关抖动对单模块快脉冲直线型变压器驱动源输出特性的影响

分析了快脉冲直线型变压器驱动源(FLTD)气体开关触发击穿延时的分布规律,利用MAT-LAB软件生成随机序列模拟开关击穿延时和抖动,在FLTD简化二阶电路的基础上,利用MATLAB分析了开关抖动对40个支路并联1 MA,100 ns FLTD模块输出电流脉冲前沿和幅值的影响。模拟计算结果表明:开关理想时,即抖动为0,输出电流峰值为996 kA,峰值时间为90 ns,10%~90%脉冲前沿为54 ns;开关自身抖动与开关之间分散性之和为10 ns时,输出电流脉冲前沿增加约14%,电流峰值下降约2%;开关自身抖动与开关之间分散性之和为20 ns时,输出电流脉冲前沿增加约38%,电流峰值下降约5%。     

四级串联共用腔体MA级FLTD的设计与仿真

目前MA级快脉冲直线变压器驱动源(FLTD)模块一般引入2~4路快前沿(约20 ns)高幅值(100 kV)电脉冲触发,百TW级数十MA的FLTD驱动源含有数千个模块,其触发系统非常庞大,并且要求触发脉冲按照精确时序到达各级串联模块,以便实现与次级行波同步的感应电压高效叠加,触发系统成为大型FLTD驱动源的瓶颈之一。在之前提出的一种利用一路外触发脉冲实现数十模块串联FLTD与次级行波同步的感应电压高效叠加触发方式基础上,设计了4级串联共用腔体的MA级FLTD模块组,每级共24支路,其中1个用作触发支路,主放电支路由2只100 nF双端引出电极电容器和1只GW级气体开关组成;建立了16级串联、次级为水线的单路FLTD电路模型,数值仿真研究了支路开关自放电、触发支路开关闭合时序与分散性,以及次级传输线阻抗对驱动源的影响。     

气体开关抖动对输出峰值功率和前沿的影响

根据已有的实验数据和理论,给出了抖动和延时的数值表示,利用Matlab软件生成随机数组模拟开关延时和抖动。在Simulink环境下建立简化模型仿真多子块并联直线型变压器驱动源（LTD）模块的工作特性。通过M文件控制模块内多个开关的击穿时序仿真开关抖动,分析开关抖动对40个支路并联输出电流1 MA、上升时间100 ns的LTD模块输出功率峰值及前沿的影响。模拟结果表明,在一定范围内,随着抖动增大,LTD模块输出功率峰值减小,脉冲前沿显著增加,系统的稳定性随抖动增加而降低。随着开关抖动增大,输出到负载的峰值功率减小的速率增大,而脉冲前沿近似于线性增加。由于开关抖动将影响负载输出,为满足一定的系统可靠性要求,存在一个抖动阈值,对于40个子块并联的1 MA LTD模块,在系统可靠性要求5%时,其抖动阈值约为17 ns。     

快前沿直线脉冲变压器单级模块开关触发时延分散性实验研究

针对12支路并联的快前沿直线脉冲变压器单级模块,给出了模块的电路结构和关键器件参数,实验获得了12只多间隙气体开关的自击穿特性和触发特性。同时,还给出了快前沿直线脉冲变压器模块输出电流的初步实验结果,工作电压150 kV时,次级短路放电电流幅值为235 kA,电流前沿88.2 ns（10%~90%）。次级带0.58 负载情况下,输出电流幅值114.5 kA,电流前沿88.9 ns（10%~90%）。利用微分环测量了12只开关的触发时延分散性,结果表明100次实验开关触发时延分散性近似符合正态分布,开关触发时延分散性对输出电流的影响不大,电流幅值和前沿的标准偏差分别小于2.0%,4.0%,电流波形的畸变主要以平顶为主。     

光纤探针诊断100 kA-LTD模块开关的同步性

设计了一套用于同轴多间隙气体开关导通起始时间诊断的光纤探针阵列测试系统,其由光纤阵列与多通道快响应光电转换仪两部分组成,系统同步时间小于1 ns。使用该套系统同时对100 kA-LTD模块所有并联支路的10只开关的放电过程进行了测试,获得了开关导通起始时间及模块的输出电流波形。实验结果表明:开关工作欠压比为85%时,时间抖动不超过6.9 ns,负载波形重复一致性较好;开关工作欠压比降至53%时,时间抖动急剧增加至117.7 ns,负载波形重复一致性显著恶化。同时将光纤测试系统获得的各个开关导通起始时间带入PSpice电路模型进行模拟反演,结果表明,模拟结果与实验得到的模块输出电流波形吻合较好,证明了测试系统的准确性。     

直线变压器驱动源模块输出电流上升时间调节

针对磁驱动等熵压缩实验对加载电流波形的特殊需求,基于改造后的1MA直线变压器驱动源(LTD)原理性模块,开展了输出电流上升时间调节实验研究。48只开关分为4组,由4根高压电缆引入触发脉冲分别触发,共进行了三组不同电缆长度组合的触发放电实验。结果表明:在±32kV充电电压下,输出电流上升时间(0~100%)可由301.2ns增加至436.0ns,相应的输出电流幅度由294.0kA下降至210.2kA。实验还采用光纤探针阵列测试系统同时对其中40只多间隙气体开关的放电发光过程进行了诊断,获得了相应开关的闭合导通起始时间。基于实验参数,利用PSpice电路模型进行了校验,并对早期触发的支路组对后续触发支路组的影响进行了分析。实验初步验证了LTD模块内部子块通过分时放电实现输出波形调节的能力。     

直线变压器驱动源感应腔电路建模方法

参照研制成功的300 kA直线变压器驱动源单级感应腔的物理设计和电气参数,在考虑气体开关火花通道电阻、放电支路间电磁耦合、磁芯磁滞及饱和特性、次级功率传输的情况下,建立了较完备的单级感应腔电路模型。实验验证了模型的有效性,感应腔正常输出和单支路开关自放电时模拟结果与实验波形均吻合较好,表明模型可以模拟腔内电气元件异常时感应腔的工作特性。     

FLTD系统放电开关自击穿性能优化

针对快前沿直线脉冲变压器驱动源(FLTD)系统中放电开关自击穿性能劣化的问题,模拟计算了带电线缆、FLTD模块结构对开关间隙电场分布的影响规律,研究分析开关自击穿性能下降的主要原因,开展了电晕针均压和电阻均压两种方式下开关自击穿性能对比实验,获得了不同电晕针长度、不同阻值开关自击穿电压的变化规律:两种均压方式下开关自击穿电压分别提高3.2%和4.3%。FLTD系统中放电开关有均压措施的情况下,系统自击穿电压提高8.9%,自放电概率降低60%,系统短路输出电流的稳定性明显提高,电流幅值提高8.1%,标准偏差减小30.8%。     

中能X光机触发系统

介绍了中能X光机装置触发系统研制和相关实验结果,触发系统包括主机6个支路激光开关的触发和主机放电的触发。其中6个支路的触发由6台YAG四倍频激光器完成,主机放电电触发系统由1台YAG四倍频激光器来触发。实验结果表明:每台激光器出光时间抖动σ小于等于0.3 ns,激光开关导通延迟时间约25 ns,抖动σ小于等于1.2 ns,电触发系统中激光与触发器输出电压之间的时间抖动σ为0.5 ns,匹配负载上电压大于120 kV,前沿约28 ns,脉宽150 ns。中能X光机在杆箍缩二极管负载上获得最大输出为4.2 MV/100 kA的电脉冲,电压脉冲半高宽约55 ns,输出的X射线时间抖动σ为3.4 ns。实验结果表明触发系统具备对6个支路精确调节和控制的能力,确保了中能X光机装置的高可靠性。     

快前沿直线脉冲变压器驱动源模块中开关同步对放电电流的影响

介绍了4支路并联快前沿直线脉冲变压器驱动源(FLTD)模块的初步实验结果,在工作电压160 kV时,次级短路放电电流幅值达到103.4 kA,电流前沿为78 ns(10%~90%)。利用微分环测量了4只开关在工作电压120 kV时的同步情况,研究分析了开关同步对放电电流幅值和波形的影响。开关同步小于15ns时,放电电流幅值变化不明显,电流幅值的标准偏差约3.62 kA,电流波形没有明显畸变;开关同步15~25ns时,放电电流幅值略有下降,电流幅值的标准偏差约8.59 kA,电流波形有一定程度畸变;开关同步大于25ns时,放电电流幅值明显降低,电流的标准偏差显著增大,电流波形发生严重畸变。     

FLTD三电极场畸变气体开关寿命特性

针对设计的一种场畸变气体开关,研究中间电极材料分别为不锈钢和黄铜条件下的烧蚀特性,结合开关寿命期间静态与触发特性的变化规律,获得决定开关寿命的关键因素,为三电极场畸变气体开关的性能优化提供理论支撑。研究结果表明,采用不锈钢和黄铜作为中间电极的烧蚀区域以及表面粗糙度均随着放电次数增加而增大,黄铜电极烧蚀较为严重且表面有明显的烧蚀圆斑,不锈钢电极则具有更高的表面粗糙度,阴阳极表面烧蚀存在明显差异,随着放电次数的增加,击穿点向电极边缘区域集中,影响开关的沿面绝缘特性,是导致开关寿命终结的主要原因。     

多间隙气体开关的电场分布特性

为了寻求可用于快前沿直线型变压器驱动源最理想的多间隙气体开关结构,利用有限元分析软件模拟计算了几种不同电极结构气体开关内各间隙在开关触发前后的电场分布,并利用新型开关电路模型研究了气体开关触发导通前均压措施对开关内部各间隙电场分布均匀性的影响,以及触发后各中间电极对主电极杂散电容与气体开关内电场分布规律之间的关系。结果表明:圆形环状结构电极有利于形成稳定的多通道放电,降低开关的电感及抖动;在开关各个间隙之间并联相同阻值的电阻可以有效地改善开关直流耐压特性;在开关触发导通时,各间隙的电压分布主要与触发电压的上升时间、各个电阻及杂散电容值有关;触发电压的上升时间越短,杂散电容值对间隙电压分布的影响越明显。     

300 kA直线型变压器驱动源模块实验研究

介绍了14支路并联的300 kA百ns直线型变压器驱动源单级模块的结构和关键部件。模块通过采用双端引出电极电容器以及小型多间隙串联气体火花开关,可以并联更多的支路数,减小回路电感,提高储能密度;通过采用非晶磁芯,减小磁芯损耗,提高模块耦合效率。实验研究了初级气体开关工作系数对模块输出的影响,实验结果表明:模块开关电压工作系数达到0.7,多间隙串联开关才能较好同步放电;给出了快直线型变压器模块的初步调试实验结果,在模块充电90 kV,开关气压0.32 MPa情况下,匹配负载电流峰值可达到302 kA,上升时间约100 ns,负载上获得的峰值功率为23 GW。     

开关抖动对直线变压器驱动源波形叠加的影响

以正态分布作为开关延时的数学模型,讨论了多路开关同步工作时,开关抖动、单路输出波形前沿对直线变压器驱动源多路波形叠加的影响。模拟研究结果表明:开关抖动对输出波形前沿的影响与单路输出波形的质量有关,单路波形前沿越小,开关抖动对感应叠加后输出波形前沿影响越明显。考虑4路同步工作的开关抖动为5 ns,单路波形前沿由10 ns增大到80 ns,感应叠加后输出波形前沿平均增量由6.7 ns减小为1.7 ns,因此当单路输出波形前沿较大时追求开关抖动小的意义不大。     

用于FLTD的陶瓷封装多间隙气体开关

为了提高多间隙气体开关壳体的寿命、绝缘可靠性和装配的一致性,基于堆栈式多间隙气体开关开展了陶瓷封装多间隙气体开关工艺及击穿特性的研究。对比分析了不同封接工艺对陶瓷金属界面场分布的影响,优选了合理的封接结构。研制了用于FLTD的陶瓷封装多间隙气体开关并对其自击穿特性和触发特性开展了测试,结果表明:开关充干燥空气气压0.3 MPa、耐压±100 kV、峰值电流约30 kA条件下,5 000次放电的触发平均时延36.4 ns,抖动2.8 ns。该结果展示了陶瓷封装气体开关在产品化和免维护方面的优势,在FLTD模块中具有广阔应用前景。