張世杰ZHANG Shi-jie；陳煒?lè)錍HEN Wei-feng；陳城CHEN Cheng

（南京信息工程大學(xué)，南京 210000）

0 引言

電磁脈沖是瞬間產(chǎn)生的物理現(xiàn)象，通常陡前沿、窄寬度、寬頻帶和高瞬間能量。[1]電磁脈沖可以通過(guò)線路耦合的方式將電磁脈沖產(chǎn)生的巨大能量傳至電子設(shè)備，瞬間產(chǎn)生的高能量會(huì)破壞電路結(jié)構(gòu)，例如會(huì)引起晶體二極管、電阻和電容器、繼電器等電子元器件燒毀等。所以，電磁脈沖相關(guān)技術(shù)（電磁脈沖產(chǎn)生及電磁脈沖產(chǎn)生時(shí)電器元件的保護(hù)等）成為各國(guó)研究熱點(diǎn)之一。[2]

隨著現(xiàn)代電磁脈沖、新型強(qiáng)激光、新型武器研究和可控?zé)岷巳诤涎芯康刃骂I(lǐng)域的出現(xiàn)，脈沖能量技術(shù)發(fā)展迅速，其應(yīng)用領(lǐng)域越來(lái)越廣泛，特別是在醫(yī)學(xué)、能源領(lǐng)域。[3]然而，由于高壓脈沖源裝置一般體積過(guò)大，運(yùn)輸過(guò)程中極易損壞部件，因此，研究一種運(yùn)輸便捷的高壓脈沖裝置是十分有必要的。而放電開(kāi)關(guān)影響著脈沖源的各項(xiàng)技術(shù)參數(shù)，是脈沖源研制中的重點(diǎn)對(duì)象。

1 基本原理

脈沖源的工作原理是：高壓直流能源經(jīng)過(guò)充電電阻對(duì)儲(chǔ)能設(shè)備充電，形成充電電路；儲(chǔ)能裝置按規(guī)定電壓充電后，放電開(kāi)關(guān)由斷開(kāi)狀態(tài)變?yōu)榻油ɑ蚩刂茽顟B(tài)，使儲(chǔ)能裝置通過(guò)放電開(kāi)關(guān)放電，形成放電電路和高壓端輸出所需的脈沖。[4]經(jīng)過(guò)示波器及其它測(cè)量設(shè)備，得到波形和參數(shù)。[5]脈沖源結(jié)構(gòu)原理圖如圖1 所示，脈沖源等效電路原理圖如圖2 所示。

圖1 脈沖源結(jié)構(gòu)原理圖

圖2 脈沖源等效電路原理圖

2 放電開(kāi)關(guān)設(shè)計(jì)

放電開(kāi)關(guān)很大程度上決定著脈沖的參數(shù)，所以對(duì)開(kāi)關(guān)的設(shè)計(jì)極為重要。通常要確保開(kāi)關(guān)傳輸功率盡可能大、靈敏度盡可能大、波動(dòng)盡可能小時(shí)，還要求開(kāi)關(guān)電容、電感、電阻等參數(shù)要小。[6]

2.1 電極選型

由于開(kāi)關(guān)屬于機(jī)械運(yùn)動(dòng)部件、工作時(shí)易產(chǎn)生較高熱量繼而更容易氧化、結(jié)構(gòu)較為特殊以及材料性質(zhì)特別等因素，普通開(kāi)關(guān)的性能相對(duì)較差且使用壽命相對(duì)較短。[7]電極作為開(kāi)關(guān)通斷時(shí)電流發(fā)生載體，需要防止頻繁接觸電流以避免開(kāi)關(guān)觸點(diǎn)部分熔焊，因此合適的電極材料至關(guān)重要。

電極材料作為對(duì)照實(shí)驗(yàn)中的變量，選擇銀、銅、鉬三重金屬，經(jīng)過(guò)放電實(shí)驗(yàn)，探究在同種材料、不同規(guī)格和不同材料、同種規(guī)格條件下，電極材料觸點(diǎn)的性能，并將兩組數(shù)據(jù)綜合，以得到最適合的材料規(guī)格。[8]在整個(gè)實(shí)驗(yàn)中，開(kāi)關(guān)浸至變壓器油中以模擬實(shí)際使用時(shí)的情景。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示：金屬鉬在2.5kV 的多次實(shí)驗(yàn)中，表面基本完好，而銅和銀均出現(xiàn)不同程度的磨損甚至溶焊現(xiàn)象。根據(jù)上述實(shí)驗(yàn)，可以得出結(jié)論：金屬鉬相較于金和銀，對(duì)于作為2.5kV 脈沖放電開(kāi)關(guān)觸點(diǎn)更具有優(yōu)勢(shì)，實(shí)驗(yàn)顯示，在模擬使用環(huán)境下，鉬的硬度更大、熔點(diǎn)更高，在大電流、高溫環(huán)境下，形變或熔焊的出現(xiàn)概率更低，并且其阻抗較為穩(wěn)定。

2.2 開(kāi)關(guān)總體設(shè)計(jì)

研制的放電開(kāi)關(guān)結(jié)構(gòu)如圖3 所示，實(shí)物圖如圖4 所示。放電開(kāi)關(guān)設(shè)置在油箱內(nèi)，放電開(kāi)關(guān)包括推拉式電磁鐵1、彈簧2、絕緣桿3、擺球4、兩個(gè)第一電極5、兩個(gè)第二電極6，放電開(kāi)關(guān)整體泡在裝有變壓器油的油中，起絕緣作用，減少抖動(dòng)。

圖3 放電開(kāi)關(guān)結(jié)構(gòu)圖

圖4 放電開(kāi)關(guān)

放電開(kāi)關(guān)采用雙向自適應(yīng)的電控結(jié)構(gòu)，推拉式電磁鐵固定在油箱內(nèi)底端，推拉式電磁鐵通過(guò)連接桿與彈簧的一端連接，絕緣桿的兩端固定有擺球，其中一個(gè)擺球的一側(cè)設(shè)置有兩個(gè)第一電極，兩個(gè)第一電極與油箱之間固定連接，其中另一個(gè)擺球的一側(cè)設(shè)置有兩個(gè)第二電極，兩個(gè)第二電極與油箱之間固定連接，當(dāng)按下開(kāi)關(guān)按鈕，電流經(jīng)過(guò)推拉式電磁鐵，推拉式電磁鐵的推拉桿收縮，帶動(dòng)加長(zhǎng)桿移動(dòng)，彈簧伸長(zhǎng)，連接桿擺動(dòng)，擺球與兩個(gè)第一電極觸碰，松開(kāi)開(kāi)關(guān)按鈕，彈簧回縮帶動(dòng)擺球右側(cè)回到原先位置。

3 脈沖源整體設(shè)計(jì)

由前文可知，脈沖源由高壓電源、充電電阻、儲(chǔ)能電容、放電開(kāi)關(guān)和負(fù)載電阻組成。脈沖源整體結(jié)構(gòu)示意圖如圖5 所示。

圖5 脈沖源整體結(jié)構(gòu)示意圖

3.1 脈沖源選型

常用的高壓電源有兩種：高壓恒流源和高壓恒壓源。[9]通過(guò)對(duì)比兩者的區(qū)別選擇更便宜且使用方便的恒壓源來(lái)作為脈沖源的初級(jí)電源。選擇的直流高壓電源含有一個(gè)顯示界面和轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)，可以輕松的觀察參數(shù)和調(diào)節(jié)正負(fù)極性。

充電電阻選用玻璃釉膜電阻，經(jīng)調(diào)查研究得出，這種電阻電性能穩(wěn)定，耐電壓高，溫度系數(shù)低，耐短期過(guò)載強(qiáng)，功率大，適用于高壓、大功率電路中，且無(wú)感效果好。[10]

儲(chǔ)能電容選擇薄膜式電容器。這種電容器雖然體積稍顯過(guò)大，但它有著消耗小、能自愈的特性，適合作為脈沖源的儲(chǔ)能裝置。

選擇10 支額定阻值100Ω、額定功率100W 的繞線電阻并聯(lián)得到負(fù)載電阻。根據(jù)檢測(cè)觀察得出，這種設(shè)計(jì)負(fù)載電感僅有60nH 左右，對(duì)微秒級(jí)脈沖源的上升沿影響較小。同時(shí)該電阻使用樹(shù)脂密封外部，具有可降低寄生電感、增強(qiáng)散熱功能、減小體積、延長(zhǎng)使用壽命、過(guò)負(fù)荷能力強(qiáng)和熱穩(wěn)定性好的優(yōu)點(diǎn)。[11]

3.2 脈沖源總成

整體布局設(shè)計(jì)基本需要考慮到以下因素。首先是布線，要保證線路不交叉，連接線短，線路保證暢通等。[12]如果存在布線不規(guī)范的問(wèn)題，則會(huì)在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中產(chǎn)生大量雜散參數(shù)，這些參數(shù)會(huì)極大改變輸出結(jié)果，造成偏差。其次高壓設(shè)備中高壓部分在設(shè)計(jì)時(shí)必須遠(yuǎn)離設(shè)備殼體，做好絕緣，確保各部件之間連接穩(wěn)固。

脈沖源整體設(shè)計(jì)中，油浸開(kāi)關(guān)高壓輸出端和負(fù)載電阻高壓端的絕緣通過(guò)采用聚四氟乙烯加工件進(jìn)行處理；開(kāi)關(guān)內(nèi)部支架使用有機(jī)玻璃作為材料，有機(jī)玻璃具有較好的絕緣作用，而且便于安裝且其結(jié)構(gòu)具有較好的穩(wěn)定性。充電電阻與機(jī)柜面板隔離通過(guò)有機(jī)玻璃管實(shí)現(xiàn)，來(lái)保證高壓端與地的隔離。[13]將開(kāi)關(guān)放入變壓器油中，確保變壓器油整個(gè)包裹住開(kāi)關(guān)整體，以防開(kāi)關(guān)電極對(duì)外部金屬放電。[14]接地時(shí)需考慮到合適的接地線及接地可靠性，最終選擇3cm寬、0.2mm 銅帶作為接地線。整體脈沖源如圖6 所示。

圖6 脈沖源整體

4 測(cè)試結(jié)果

將開(kāi)關(guān)接入脈沖源油箱中，接入放電回路，通過(guò)輸出波形檢測(cè)開(kāi)關(guān)性能如圖7 所示，開(kāi)關(guān)參數(shù)如表1 所示。

圖7 測(cè)試波形

表1 開(kāi)關(guān)參數(shù)

5 結(jié)論

該高壓脈沖源裝置結(jié)構(gòu)緊湊，連接穩(wěn)固，輸出脈沖性能穩(wěn)定，且移動(dòng)方便，拆卸簡(jiǎn)單，儲(chǔ)能電容通過(guò)銅條連接，充電時(shí)不易燒毀，繞線電阻通過(guò)銅板并聯(lián)，降低寄生電感，放電開(kāi)關(guān)整體泡在裝有變壓器油的油箱中，采用雙向電控自適應(yīng)開(kāi)關(guān)結(jié)構(gòu)，雙電極結(jié)構(gòu)適用于更多場(chǎng)合，且擺錘半球與電極結(jié)合處緊密貼合，提高了觸發(fā)準(zhǔn)確性。高壓電源設(shè)有緊固組件，提高了移動(dòng)時(shí)的安全系數(shù)。高壓脈沖源整體裝于小車中，便于移動(dòng)，通過(guò)按壓按鈕通放電，安全有效，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理，有效降低了移動(dòng)時(shí)出現(xiàn)的部件損壞。