姜曉峰，孫鳳舉，王志國，降宏瑜，魏 浩，邱愛慈

(1. 西安交通大學(xué) 電力設(shè)備電氣絕緣國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，西安 710049； 2. 強(qiáng)脈沖輻射模擬與效應(yīng)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，西安 710024)

直線型變壓器驅(qū)動(dòng)源(linear transformer driver，LTD)是國際上正在發(fā)展的一種新型脈沖功率源技術(shù)[1-3]，具有模塊化設(shè)計(jì)的理念，能直接產(chǎn)生前沿約為百納秒的脈沖大電流，已成為大型脈沖功率裝置的優(yōu)選技術(shù)路線。許多國家相繼提出了大量基于LTD的高功率驅(qū)動(dòng)裝置，如T800[4]，M50[5]，CZ34[6]等。模塊作為LTD型大型驅(qū)動(dòng)源的基本單元，一般包含十個(gè)到數(shù)十個(gè)由電容器和氣體開關(guān)組成的放電單元，稱為支路。支路中氣體開關(guān)需按照預(yù)先設(shè)置的時(shí)序閉合導(dǎo)通，模塊所儲(chǔ)存的能量迅速釋放到負(fù)載以實(shí)現(xiàn)功率的瞬時(shí)疊加。一般，LTD模塊內(nèi)所有氣體開關(guān)需同時(shí)閉合，使負(fù)載獲得最大的電流幅值和最快的上升時(shí)間。在某些特殊應(yīng)用中，需使部分開關(guān)按先后順序閉合，以產(chǎn)生所需的脈沖波形。由于氣體放電具有一定的隨機(jī)性，觸發(fā)閉合轉(zhuǎn)換時(shí)間具有分散性。因此，模塊中開關(guān)狀態(tài)及轉(zhuǎn)換時(shí)間的分散性對模塊輸出波形的品質(zhì)和輸出性能有重要的影響。

已有相關(guān)研究通過建立開關(guān)擊穿時(shí)延分散性模型,開展了開關(guān)抖動(dòng)對模塊輸出特性影響的模擬工作[7-10]。而由于LTD模塊設(shè)計(jì)緊湊，腔體密封，工作電壓高，且軸向空間狹小(<300 mm)，氣體開關(guān)狀態(tài)轉(zhuǎn)換的時(shí)間快(<100 ns)，開關(guān)狀態(tài)及閉合時(shí)間的判斷需快響應(yīng)、體積小的探測器。氣體開關(guān)在模塊中觸發(fā)擊穿分散性的實(shí)驗(yàn)研究較少。中國工程物理研究院陳林等[11]利用CCD相機(jī)來記錄開關(guān)是否導(dǎo)通。美國Michigan大學(xué)Campbell等[12]利用PMT采集到的波形與開關(guān)放電相對應(yīng)，該方法光電隔離，引出模塊方便，但受到開關(guān)電弧位置變化和光電探測器的響應(yīng)等因素的影響，不能反映開關(guān)實(shí)際導(dǎo)通的電流。西北核技術(shù)研究所孫鐵平等[13]利用B-dot采集到放電的起始時(shí)刻，給出12個(gè)支路的LTD模塊開關(guān)放電的分散性呈高斯分布。美國加州大學(xué)圣地亞哥分校的Conti等[14]采用時(shí)間積分的D-dot，測試開關(guān)觸發(fā)電極電位翻轉(zhuǎn)來判斷開關(guān)閉合時(shí)刻，得到典型同步放電情況下20只開關(guān)閉合的時(shí)間分散性為3.6 ns。觸發(fā)方式和觸發(fā)位置等對開關(guān)擊穿分散性的影響、各個(gè)支路放電電流波形等問題仍需深入研究。

西北核技術(shù)研究所和西安交通大學(xué)聯(lián)合研制了一套用于Z箍縮研究的氣體絕緣兆安級LTD模塊[15]，采用一種內(nèi)置觸發(fā)支路的新觸發(fā)方法[16]，只需引入一路外部觸發(fā)脈沖使觸發(fā)支路擊穿，觸發(fā)支路產(chǎn)生的脈沖通過角向傳輸線使其他23個(gè)放電支路的開關(guān)擊穿。基于該模塊，本文設(shè)計(jì)了B-dot和D-dot 2種探頭對模塊中開關(guān)擊穿狀態(tài)及閉合的時(shí)間分散性進(jìn)行了研究。

1 兆安級LTD模塊

模塊直徑為2 290 mm，高度為346 mm。24個(gè)放電支路沿圓周輪輻狀布置，其中，23個(gè)支路為高功率主放電支路，1個(gè)支路為觸發(fā)支路。圖1為LTD模塊內(nèi)部放電支路布局圖。模塊初級腔體采用SF6氣體絕緣，由上下蓋板、圓柱筒和上蓋法蘭連接實(shí)現(xiàn)密封。各個(gè)支路可沿上下絕緣子的定位槽進(jìn)行插拔，便于檢修。

圖1 LTD模塊內(nèi)部放電支路布局圖Fig.1 Layout of discharge brick inside the module

主放電支路由一個(gè)±100 kV氣體開關(guān)和2只100 nF的塑殼電容器組成。氣體開關(guān)直徑為98 mm，高度為54 mm，為三電極場畸變型氣體開關(guān)，包含2個(gè)間隙，每個(gè)間隙距離為10 mm。主放電支路開關(guān)編號為1～23，如圖1所示。觸發(fā)支路由一個(gè)低閾值觸發(fā)開關(guān)和2只50 nF電容器組成,與主放電支路共用充電，單獨(dú)充放氣，單獨(dú)觸發(fā)。觸發(fā)支路開關(guān)編號為24。觸發(fā)支路上側(cè)電容輸出端通過置地電阻接地，置地電阻約為1 kΩ，下側(cè)電容輸出直接接地。觸發(fā)支路開關(guān)被觸發(fā)閉合后，產(chǎn)生觸發(fā)脈沖通過角向傳輸線，由4個(gè)等距節(jié)點(diǎn)饋入到外側(cè)觸發(fā)環(huán)。外側(cè)觸發(fā)環(huán)由24個(gè)等分節(jié)點(diǎn)經(jīng)過隔離電阻與23個(gè)主放電支路開關(guān)觸發(fā)電極相連。23個(gè)開關(guān)的觸發(fā)脈沖中有8個(gè)開關(guān)同時(shí)到達(dá)，編號分別為2，5，8，11，14，17，20，23；有8個(gè)開關(guān)提前2.2 ns到達(dá)，編號分別為3，4，9，10，15，16，21，22；有7個(gè)開關(guān)滯后2.2 ns到達(dá)，編號分別為1，6，7，12，13，18，19。

當(dāng)模塊充電±27 kV時(shí)，不同開關(guān)位置處的觸發(fā)脈沖波形如圖2所示。采用兩層交聯(lián)聚丙烯環(huán)中間填充NH4Cl溶液構(gòu)成模塊負(fù)載。圖3為LTD模塊典型輸出電壓Uload和電流Iload隨時(shí)間t的變化關(guān)系。

圖2 不同開關(guān)位置處的觸發(fā)脈沖波形Fig.2 Trigger pulse waveform in different position

圖3 LTD模塊典型輸出電壓和電流隨時(shí)間的變化關(guān)系Fig.3 Uload and Iloadof the LTD cavity vs. t

由圖2可見，觸發(fā)脈沖幅值約為觸發(fā)支路充電電壓的2.5倍，觸發(fā)脈沖前沿約為46 ns。由圖3可見，當(dāng)模塊充電電壓為±100 kV時(shí)，在0.08 Ω的負(fù)載可獲得前沿為115 ns，幅值約為1 MA的脈沖電流。

2 開關(guān)閉合分散性診斷

本文采用B-dot探頭和D-dot探頭分別測試開關(guān)放電電流和電極轉(zhuǎn)換電壓，優(yōu)選其中一種探頭作為測試所有支路開關(guān)閉合分散性的主要依據(jù)。2種測試探頭能獲得很高的測量精度和兆赫量級的帶寬[17]。由于具有較小的體積，該診斷方法在LTD支路放電測量中具有優(yōu)勢。利用6臺PICO示波器測試所有開關(guān)放電信號，每臺示波器含有4個(gè)測試通道，單通道的采樣率為500 MSa·s-1，示波器采用外觸發(fā)模式，且6臺示波器的外觸發(fā)信號來自于同一個(gè)信號源，以保證所有示波器同時(shí)觸發(fā)。因B-dot探頭和D-dot探頭主要判斷開關(guān)狀態(tài)及閉合時(shí)刻，所以未對所有探頭進(jìn)行標(biāo)定。

2.1 B-dot 探頭設(shè)計(jì)

為減少B-dot探頭制作過程產(chǎn)生的偏差，采用基于印制電路板的B-dot探頭設(shè)計(jì)，如圖4所示。B-dot探頭為2匝的空心線圈，印制在1 mm厚電路板的兩面，輸出末端為SMA連接器。每一面由一個(gè)直徑為6 mm的線圈組成，線圈繞向相同。電路板長為20 mm，寬為16 mm。開關(guān)外殼靠近氣管位置留有直徑為20 mm的平面，由一個(gè)塑料套將電路板卡住，并通過螺釘固定在平面上。圖5為安裝在氣體開關(guān)上的B-dot探頭。測量電纜從SMA連接器連接到模塊底板的密封電纜接頭引出到模塊外。電路板與開關(guān)中軸線及模塊的中軸線盡量在一個(gè)平面上，以保證支路放電電流產(chǎn)生的磁場與線圈垂直及各個(gè)線圈的磁場分布基本相同。

圖4 基于印制電路板的B-dot探頭設(shè)計(jì)Fig.4 Design of B-dot probe based on printed circuit board

圖5 安裝在氣體開關(guān)上的B-dot探頭Fig.5 B-dot probe mounted on gas switch

B-dot探頭可表示為MLR的串聯(lián)電路[18]。參數(shù)包括：放電回路與探測器線圈之間的互感M，約為10 nH；線圈的自感L，約為4 nH；探頭末端直接接電纜，輸出阻抗Z為50 Ω。此時(shí)L/Z為0.2 ns，線圈工作在微分模式。因此，B-dot探頭所測得的信號為放電回路電流磁場的變化量，表示為

(1)

其中：I為被測電流；VB為B-dot探頭輸出電壓。本文在B-dot探頭末端連接無源積分電路，積分時(shí)間常數(shù)為5 μs，遠(yuǎn)大于支路放電的持續(xù)時(shí)間(400 ns)，因此，積分電容上電壓可反映電流波形。

由于放電支路在模塊內(nèi)沿軸線呈圓周分布，各支路放電均能在B-dot探頭中產(chǎn)生感應(yīng)電壓。假設(shè)開關(guān)放電電弧集中在軸線上，且僅考慮沿開關(guān)軸向流經(jīng)的電流在B-dot探頭產(chǎn)生的感應(yīng)磁場。電流通道與B-dot探頭距離R約為50 mm，遠(yuǎn)大于線圈半徑r=3 mm。因此，支路上電流與B-dot探頭線圈的互感可表示為

(2)

其中，μ為磁導(dǎo)率。而LTD模塊中相鄰支路開關(guān)的間距約為240 mm。B-dot線圈與相鄰開關(guān)電流產(chǎn)生的磁場角度為π/12，感應(yīng)磁場的有效面積減小，相鄰支路的互感約為B-dot線圈的6倍。因此，相鄰支路在該B-dot產(chǎn)生的感應(yīng)電壓可忽略。

2.2 D-dot 探頭設(shè)計(jì)

圖6為設(shè)計(jì)的D-dot探頭。D-dot探頭位于開關(guān)高壓電極的正上方，電纜座固定在模塊的上蓋板上。取樣電極由一根直徑為3 mm的銅棒構(gòu)成，末端與上絕緣子的有效面積約為2 cm2。

圖6 設(shè)計(jì)的D-dot探頭Fig.6 Designed D-dot probe

D-dot探頭的等效電路如圖7所示。其中：Cd為探頭與高壓電極之間電容；Cstray為探頭對地分布電容；Z為D-dot探頭輸出電纜阻抗。對于10 ns的脈沖，Cstray的等效阻抗比電纜阻抗Z高的多。取樣電極所測得的信號直接由電纜連接到示波器上，則所測電壓波形為開關(guān)高壓電極電位的變化。通過該電壓信號的變化可判斷開關(guān)是否擊穿。

圖7 D-dot探頭的等效電路Fig.7 Equivalent circuit of D-dot probe

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 B-dot探頭和D-dot探頭實(shí)驗(yàn)結(jié)果對比

圖8為2號和5號開關(guān)上B-dot探頭和D-dot探頭測試的典型波形。由圖8可見，B-dot探頭波形的電流起點(diǎn)很清楚，很好地反映了開關(guān)的閉合時(shí)間。此時(shí)，5號開關(guān)的閉合時(shí)間比2號開關(guān)晚52 ns。D-dot探頭反映的是高壓電極電壓的變化，波形包括預(yù)脈沖和主脈沖，預(yù)脈沖的起始時(shí)間為觸發(fā)脈沖產(chǎn)生的時(shí)間，與觸發(fā)支路上 D-dot探頭測量的信號一致，2號開關(guān)的D-dot探頭測量波形中主脈沖起始點(diǎn)與2號開關(guān)的電流相同，但5號開關(guān)的D-dot探頭測量波形顯示為雙主脈沖。FLTD 模塊上電容是充負(fù)電的，觸發(fā)脈沖是正極性的，因此，觸發(fā)脈沖首先會(huì)擊穿開關(guān)的負(fù)電隙，即上間隙。5號開關(guān)觸發(fā)間隙(負(fù)間隙)被擊穿后，過壓間隙迅速被擊穿，而2號開關(guān)觸發(fā)間隙被擊穿后，過壓間隙經(jīng)數(shù)十納秒的時(shí)延后才被擊穿，因此，D-dot探頭波形出現(xiàn)了2個(gè)峰，與B-dot探頭波形對比可見，第2個(gè)峰代表的是開關(guān)擊穿的時(shí)刻。對比表明，B-dot探頭能更直觀地反映開關(guān)的閉合時(shí)間。

圖8 2號和5號開關(guān)上B-dot探頭和D-dot探頭測試的典型波形Fig.8 Typical waveforms of B-dot and D-dot probe on switch No.2 and No.5

3.2 兆安級模塊中開關(guān)時(shí)延及分散性

氣體開關(guān)觸發(fā)延時(shí)定義為從觸發(fā)支路電流起始點(diǎn)到主支路開關(guān)電流的起始點(diǎn)的時(shí)間差，觸發(fā)支路和主支路放電典型波形如圖9所示。

圖9 觸發(fā)支路和主支路放電典型波形Fig.9 Typical current waveform of trigger brick and main brick

當(dāng)充電電壓為±80 kV，工作系數(shù)不同時(shí)，LTD模塊連續(xù)10次放電各開關(guān)的平均觸發(fā)時(shí)延和抖動(dòng)如圖10所示。由圖10可見：隨著工作系數(shù)增加，開關(guān)觸發(fā)時(shí)延減小，抖動(dòng)減小；當(dāng)工作系數(shù)為65%～70%時(shí)，大部分開關(guān)抖動(dòng)小于5 ns；當(dāng)工作系數(shù)為60%～65%時(shí)，1，3，5，6，8，20號開關(guān)觸發(fā)平均時(shí)延相對偏大，對應(yīng)的抖動(dòng)也較大；2，4，7號開關(guān)的平均觸發(fā)時(shí)延分別比臨近的1，3，5，6，8號開關(guān)要短，表明先擊穿的開關(guān)可能會(huì)抑制臨近開關(guān)觸發(fā)閉合。

圖10 充電電壓為±80 kV，工作系數(shù)不同時(shí)，LTD模塊連續(xù)10次放電各開關(guān)的平均觸發(fā)時(shí)延和抖動(dòng)Fig.10 Average trigger delay and jitter of switches in LTD cavity at different worked coefficient after 10 times discharging when charging voltage is ±80 kV

當(dāng)充電電壓為±80 kV時(shí)，模塊輸出電流峰值隨開關(guān)擊穿時(shí)延分散性的變化關(guān)系如圖11所示。由圖11可見，開關(guān)觸發(fā)時(shí)延分散性從2.2 ns上升到13.3 ns時(shí)，模塊輸出電流值約為(840±4.6) kA，負(fù)載電流上升前沿為(126±1) ns。表明，該LTD模塊及其觸發(fā)方式下開關(guān)時(shí)延分散性小于15 ns，對模塊輸出電流幅值影響占比小于1%。

圖11 LTD模塊輸出電流峰值隨開關(guān)擊穿時(shí)延分散性的變化關(guān)系Fig.11 Peak current vs. dispersion of trigger delay of switches in LTD cavity

3.3 支路放電參數(shù)分析

一般情況下，模塊中的23個(gè)主放電支路具有相同的電容和充電電壓，每個(gè)支路的輸出電流波形應(yīng)相同。相同條件，不同狀態(tài)下，支路電流波形如圖12所示。由圖12(a)可見，當(dāng)各支路的開關(guān)同步放電時(shí)，各主放電支路電流波形基本相同；由圖12(b)可見，當(dāng)某一個(gè)支路開關(guān)發(fā)生自擊穿時(shí)，支路放電電流呈現(xiàn)短路振蕩；由圖12(c)可見，當(dāng)開關(guān)放電不同步時(shí)，支路放電電流波形會(huì)產(chǎn)生變化。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，支路放電波形顯著受到開關(guān)閉合分散性的影響。

(a) In sync

(b) Self-breakdown

(c) Out sync

將支路等效為RLC電路，電容上電壓UC可表示為

(3)

其中：Lbrick為回路等效電感；Ibrick為回路等效電流；Rbrick為回路等效電阻。當(dāng)電容器充電電壓為U0時(shí)，Ibrick可表示為

(4)

表1 不同狀態(tài)下支路參數(shù)Tab.1 Brick parameters at different states

由表1可知，支路開關(guān)同步放電時(shí)，支路回路等效電感為352 nH。由于模塊次級區(qū)電感為6.68 nH[15]，次級電感折算到初級等效電感為153.6 nH，則扣除次級區(qū)電感后支路等效電感Leq為198.4 nH，該電感包含支路自感L0和與其他支路互感∑M，即Leq=L0+∑M=198.4 nH。由于互感導(dǎo)致支路等效電感增加，折算到單個(gè)支路的等效電路阻抗與負(fù)載阻抗基本匹配，放電電流波形基本呈匹配放電波形。

當(dāng)某支路開關(guān)自放電時(shí)，由于放電電流在環(huán)形負(fù)載的分布不均勻，該放電支路所對應(yīng)負(fù)載的電阻大于模塊負(fù)載溶液電阻(0.08 Ω)，但與單支路匹配負(fù)載相比，仍小得多，因此，電流波形呈短路振蕩波形。

如某支路開關(guān)放電不同步，其他支路放電是同步的，則其他支路電流過0時(shí)，不同步支路得到的互感電壓為負(fù)值(此時(shí)該回路獲得的感應(yīng)磁通變化率反向最大)，與源電壓抵消，導(dǎo)致該不同步放電支路等效電感減小，折算到RLC等效電路的回路阻抗變小，因此，不同步放電支路中的電流會(huì)發(fā)生振蕩，振蕩頻率甚至比某支路自放電時(shí)更快，振蕩電流峰值也比自放電時(shí)高。此時(shí)，電流峰值可達(dá)模塊正常放電時(shí)的2倍以上，這對開關(guān)和電容器的壽命極其不利，應(yīng)盡量避免。根據(jù)表1中不同步支路的參數(shù)，扣除次級電感后支路等效電感Leq為153.3 nH，等效為與其他支路的互感為負(fù)，即-∑M，此時(shí)Leq=L0-∑M=153.3 nH。因此，由實(shí)驗(yàn)結(jié)果可推算得到單支路電感L0=175.8 nH，互感∑M約為22.5 nH?；ジ姓贾冯姼械?3%，不可忽略其影響。

4 結(jié)論

基于可插拔支路的兆安級LTD模塊，設(shè)計(jì)了B-dot探頭和D-dot探頭分別測試支路放電電流和開關(guān)高壓電極電壓變化情況，監(jiān)測模塊內(nèi)所有開關(guān)的閉合時(shí)間。在±80 kV充電電壓下，當(dāng)開關(guān)閉合時(shí)間的分散性從2.2 ns變化到13.3 ns，模塊輸出電流值約(840±4.6) kA，負(fù)載電流上升前沿為(126±1) ns。該LTD模塊整體輸出電流幅值及上升前沿受到開關(guān)閉合分散性的影響較小。而對于每個(gè)支路來講，即使支路充電電壓相同，由于開關(guān)閉合時(shí)間具有分散性，各支路輸出電流波形是不同的。主要原因是支路之間的互感占到支路電感的13%，不可忽略。開關(guān)放電不同步時(shí)個(gè)別支路電流幅值甚至可達(dá)正常電流的2倍，可能顯著縮短該支路的預(yù)期壽命。