夏文鋒,張冬曉,劉啟晨,石 磊,喬漢青,王翔宇

(先進(jìn)高功率微波技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室;西北核技術(shù)研究所: 西安 710024 )

脈沖驅(qū)動(dòng)源輕小型化、緊湊化是制約高功率電磁脈沖產(chǎn)生技術(shù)走向應(yīng)用的重要因素。根據(jù)高電壓脈沖產(chǎn)生方式不同,脈沖驅(qū)動(dòng)源可分為Tesla型脈沖驅(qū)動(dòng)源、Marx型脈沖驅(qū)動(dòng)源等。其中,Tesla型脈沖驅(qū)動(dòng)源具有能量傳輸效率高、結(jié)構(gòu)緊湊等特點(diǎn),由于開關(guān)數(shù)量少,便于重復(fù)頻率運(yùn)行,具有高穩(wěn)定性、高可靠性[1-2]。電介質(zhì)影響脈沖驅(qū)動(dòng)源的儲(chǔ)能密度、高電壓絕緣和裝置輕小型化,常用的電介質(zhì)主要有氣體、液體和固體3種形態(tài)。氣體介電常數(shù)低,但質(zhì)量輕、絕緣恢復(fù)能力強(qiáng);液體和固體介電常數(shù)分布范圍大、絕緣能力不等,其中液體流動(dòng)性好、散熱快,常用于脈沖形成線,而固體在擊穿后會(huì)喪失絕緣能力,一般用于隔離和支撐[3]。傳統(tǒng)Tesla型脈沖驅(qū)動(dòng)源通常將Tesla變壓器和脈沖形成線做一體化設(shè)計(jì),初、次級(jí)線圈內(nèi)置于脈沖形成線中,減小裝置結(jié)構(gòu)尺寸,該技術(shù)路線主要適用于低介電常數(shù)絕緣介質(zhì)[4-7]。若保持脈沖驅(qū)動(dòng)源輸出脈沖寬度不變,將低介電常數(shù)的變壓器油更換為高介電常數(shù)的絕緣介質(zhì)碳酸丙烯脂,則可大幅度減小脈沖形成線的長(zhǎng)度[8-11]。但Tesla變壓器初、次級(jí)線圈及磁芯長(zhǎng)度遠(yuǎn)大于脈沖形成線長(zhǎng)度,無(wú)法進(jìn)行一體化設(shè)計(jì)。

針對(duì)脈沖驅(qū)動(dòng)源輕小型化設(shè)計(jì)難題,本文提出了一種低阻抗脈沖驅(qū)動(dòng)源設(shè)計(jì)新方法,基于高儲(chǔ)能密度液體電介質(zhì),通過(guò)理論設(shè)計(jì)和仿真優(yōu)化,研制了一種高功率輕小型化脈沖驅(qū)動(dòng)源。該脈沖驅(qū)動(dòng)源主要包括Tesla變壓器、高介電常數(shù)脈沖形成線和高壓氣體主開關(guān),與傳統(tǒng)Tesla變壓器和脈沖形成線一體化設(shè)計(jì)不同,該脈沖驅(qū)動(dòng)源采用分離結(jié)構(gòu),克服了高電壓脈沖絕緣和阻抗匹配優(yōu)化設(shè)計(jì)的難題。該新型脈沖驅(qū)動(dòng)源能長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定運(yùn)行,最高重復(fù)頻率為100 Hz。

1 脈沖驅(qū)動(dòng)源理論設(shè)計(jì)

新型脈沖驅(qū)動(dòng)源采用同軸型結(jié)構(gòu),具體結(jié)構(gòu)如圖1所示。由圖1可見(jiàn),新型脈沖驅(qū)動(dòng)源主要由Tesla變壓器、高介電常數(shù)脈沖形成線和高壓氣體主開關(guān)組成,其中Tesla變壓器和脈沖形成線采用分離結(jié)構(gòu),各腔體間采用尼龍板隔離。

Tesla變壓器和主開關(guān)腔體利用高壓氣體絕緣,脈沖形成線采用高介電常數(shù)液體電介質(zhì)碳酸丙烯酯儲(chǔ)能,相對(duì)介電常數(shù)為65,新型脈沖驅(qū)動(dòng)源工作原理如圖2所示。

圖1 新型脈沖驅(qū)動(dòng)源結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of the pulse drive source

圖2 新型脈沖驅(qū)動(dòng)源工作原理Fig.2 Schematic diagram of a novel pulse drive source

Tesla變壓器將微秒量級(jí)脈沖低電壓提升至數(shù)百千伏,為脈沖形成線充電,當(dāng)電極電壓達(dá)到主開關(guān)自擊穿電壓時(shí),主開關(guān)導(dǎo)通并向負(fù)載放電,輸出納秒量級(jí)電脈沖。

1.1 脈沖形成線物理設(shè)計(jì)

脈沖驅(qū)動(dòng)源設(shè)計(jì)輸出功率為4.5 GW,特性阻抗為7.5 Ω,輸出脈寬約為10 ns。已知脈沖形成線充電電壓為輸出負(fù)載電壓的2倍,若開關(guān)損耗為10%,則高壓氣體開關(guān)擊穿電壓為408 kV,假設(shè)開關(guān)穩(wěn)定自擊穿電壓為充電電壓峰值的90%,則充電峰值電壓即次級(jí)線圈感應(yīng)電壓Vs約為450 kV。

圖1中,脈沖形成線由內(nèi)、外導(dǎo)體組成,導(dǎo)體之間采用電介質(zhì)絕緣,脈沖形成線的特征阻抗R可表示為

(1)

其中:?r為內(nèi)外導(dǎo)體間絕緣介質(zhì)的相對(duì)介電常數(shù);a為外導(dǎo)體內(nèi)半徑;b為內(nèi)導(dǎo)體外半徑。

采用碳酸丙烯脂作為脈沖形成線內(nèi)外導(dǎo)體間的絕緣介質(zhì)。令脈沖形成線外導(dǎo)體內(nèi)半徑a=120 mm,由式(1)可得到內(nèi)導(dǎo)體外半徑b=44 mm。此外,由于輸出脈沖寬度tw=10 ns,則脈沖形成線電長(zhǎng)度τ=5 ns,取脈沖形成線物理長(zhǎng)度l0=200 mm,對(duì)應(yīng)電長(zhǎng)度τ′=5.4 ns。單筒脈沖形成線內(nèi)導(dǎo)體表面電場(chǎng)強(qiáng)度可表示為

(2)

由式(2)可知,內(nèi)導(dǎo)體表面電場(chǎng)強(qiáng)度E=102 kV·cm-1。由于絕緣介質(zhì)為碳酸丙烯脂,在微秒量級(jí)充電情況下,理論上可安全可靠運(yùn)行。

1.2 Tesla變壓器電路設(shè)計(jì)

圖1中,Tesla變壓器由初、次級(jí)線圈嵌套組成。初級(jí)線圈外形為圓柱狀,次級(jí)錐形線圈嵌入初級(jí)線圈內(nèi)部,兩線圈同軸,通過(guò)增加不閉合磁芯減少漏磁。

初、次級(jí)線圈加入不閉合磁芯后,假設(shè)所有磁通均通過(guò)磁芯,則脈沖變壓器理論升壓比N可表示為

(3)

其中:Vp,Cp,Lp分別為初級(jí)回路充電電壓、電容及自感;Vs,Cs,Ls分別為次級(jí)回路感應(yīng)電壓、電容及自感;Np為初級(jí)線圈匝數(shù),Ns為次級(jí)線圈匝數(shù)。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式估算得到初、次級(jí)線圈Lp,Ls,Cp,Cs可表示為

(4)

(5)

其中:lT為不閉合磁芯的長(zhǎng)度;l1為次級(jí)線圈長(zhǎng)度。令初級(jí)線圈匝數(shù)Np=1,薄板銅線圈半徑a=120 mm,l0=l1;錐形次級(jí)線圈兩端分別固定于內(nèi)外導(dǎo)體磁芯表面,其中大端半徑a=120 mm,小端半徑b=44 mm,次級(jí)線圈選用直徑d=0.5 mm的漆包線。

設(shè)初級(jí)充電電壓Vp=1 kV,已知次級(jí)感應(yīng)電壓Vs=450 kV,由式(3)可得次級(jí)線圈理想匝數(shù)Ns為450,考慮Tesla變壓器存在漏磁損耗,設(shè)變壓器耦合效率為0.8,當(dāng)Ns=550時(shí),次級(jí)線圈長(zhǎng)度l1可表示為

(6)

由式(6)計(jì)算可得l1=264 mm。綜合考慮輕小型化設(shè)計(jì)目標(biāo)和變壓器耦合效率,選定不閉合磁芯長(zhǎng)度lT=450 mm。

根據(jù)式(4)和式(5)估算得到,初級(jí)線圈電感Lp≈0.365 μH,次級(jí)線圈電感Ls≈110 mH,初級(jí)回路電容Cp≈0.216 mF,次級(jí)回路電容Cs≈716 pF。

1.3 主開關(guān)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

主開關(guān)是脈沖驅(qū)動(dòng)源的關(guān)鍵器件,本文設(shè)計(jì)的脈沖驅(qū)動(dòng)源輸出功率可達(dá)4.5 GW,開關(guān)導(dǎo)通電壓約為200 kV,導(dǎo)通電流高于20 kA;此外,脈沖驅(qū)動(dòng)源輸出脈沖短,要求開關(guān)導(dǎo)通速度快,約為1 ns量級(jí)。高壓氣體開關(guān)能同時(shí)滿足高通流能力和快導(dǎo)通速度要求。

選用高壓H2作為絕緣介質(zhì),具有導(dǎo)通速度快、絕緣恢復(fù)時(shí)間短等優(yōu)點(diǎn),H2絕緣恢復(fù)時(shí)間約為1 ms,理論上開關(guān)重復(fù)工作頻率能達(dá)到1 kHz。放電電極的有效截面決定了開關(guān)通流能力,脈沖上升前沿取決于開關(guān)導(dǎo)通時(shí)火花通道電感。圖1中脈沖驅(qū)動(dòng)源高壓端采用環(huán)形電極,低壓端采用平板電極,該結(jié)構(gòu)具有場(chǎng)畸變多通道導(dǎo)通能力,不僅增大了放電截面,而且減小了火花通道電感,提高了開關(guān)導(dǎo)通速度。

傳統(tǒng)Tesla型脈沖驅(qū)動(dòng)源一般采用變壓器油作為絕緣介質(zhì),采用Tesla變壓器與脈沖形成線一體化設(shè)計(jì)。主開關(guān)腔體與脈沖形成線腔體之間通過(guò)固體絕緣子(一般采用尼龍)分隔,由于變壓器油、尼龍和氣體的相對(duì)介電常數(shù)相近,形成線內(nèi)導(dǎo)體尺寸一般與開關(guān)電極座尺寸相當(dāng)。采用碳酸丙烯脂作為絕緣介質(zhì),相對(duì)介電常數(shù)為65,遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于尼龍和氣體的相對(duì)介電常數(shù),若形成線內(nèi)導(dǎo)體尺寸與電極座相同,會(huì)導(dǎo)致特征阻抗突變,反射系數(shù)增大,輸出波形質(zhì)量變差、幅值降低。為減小特征阻抗突變,需優(yōu)化開關(guān)結(jié)構(gòu),在滿足絕緣性能前提下增加電極座徑向尺寸,從而減小特征阻抗失配程度。由圖3可見(jiàn),增加電極座徑向尺寸后,該位置處特征阻抗突變程度減小,由20 Ω變?yōu)?3 Ω,與傳輸線特征阻抗7.5 Ω更接近。

圖3 開關(guān)結(jié)構(gòu)優(yōu)化前后阻抗對(duì)比Fig.3 Impedance comparison before and after switch structure optimization

2 脈沖驅(qū)動(dòng)源場(chǎng)路仿真計(jì)算

根據(jù)脈沖驅(qū)動(dòng)源電參數(shù)和物理參數(shù)設(shè)計(jì)指標(biāo),分別建立3維電磁仿真模型和電路仿真模型,開展脈沖驅(qū)動(dòng)源場(chǎng)路仿真計(jì)算,驗(yàn)證電參數(shù)設(shè)計(jì)和工程樣機(jī)的可行性。

2.1 電磁仿真

圖4為脈沖驅(qū)動(dòng)源3維電磁仿真模型。

圖4 脈沖驅(qū)動(dòng)源3維電磁仿真模型Fig.4 Three-dimensional electromagnetic simulation model of the pulse drive source

針對(duì)脈沖形成線開展了靜電場(chǎng)仿真。圖5為靜電場(chǎng)仿真模型。仿真得到脈沖驅(qū)動(dòng)源整體結(jié)構(gòu)電場(chǎng)分布和次級(jí)回路電容。

圖5 靜電場(chǎng)仿真模型Fig.5 Electrostatic field simulation model

仿真結(jié)果表明:脈沖形成線內(nèi)導(dǎo)體表面電場(chǎng)強(qiáng)度最高,約為101 kV·cm-1,與式(2)理論計(jì)算值相當(dāng),在微秒量級(jí)充電情況下,該值低于碳酸丙烯脂絕緣擊穿電場(chǎng)強(qiáng)度;次級(jí)回路電容Cs=710 pF,與式(5)理論計(jì)算值接近。仿真結(jié)果驗(yàn)證了脈沖驅(qū)動(dòng)源物理設(shè)計(jì)和樣機(jī)模型的正確性。

針對(duì)Tesla型脈沖變壓器開展了靜磁場(chǎng)仿真。圖6為靜磁場(chǎng)仿真模型。仿真得到感應(yīng)磁場(chǎng)在不閉合磁芯內(nèi)部分布特征,初、次級(jí)線圈自感和變壓器耦合系數(shù)。

仿真結(jié)果表明:Tesla變壓器感應(yīng)磁場(chǎng)沿著內(nèi)外磁芯和兩端氣隙分布,形成完整回路,但在內(nèi)外磁芯之間和兩端氣隙處存在漏磁;初級(jí)自感Lp=0.37 μH,次級(jí)自感Ls=112 mH,變壓器耦合系數(shù)為0.84,三者均與式(5)理論計(jì)算值接近,驗(yàn)證了脈沖驅(qū)動(dòng)源物理設(shè)計(jì)和樣機(jī)模型的正確性。

圖6 靜磁場(chǎng)仿真模型Fig.6 Static magnetic field simulation model

2.2 電路仿真

根據(jù)上述電參數(shù)建立脈沖驅(qū)動(dòng)源電路仿真模型,如圖7所示。

(a) Circuit simulation model of the pulse transformer

(b) Simulation model of the pulse forming circuit

圖7(a)中,初級(jí)電容C3的充電電壓為1 kV,當(dāng)主開關(guān)不導(dǎo)通時(shí), Tesla變壓器次級(jí)電壓仿真結(jié)果如圖8所示。由圖8可見(jiàn),Tesla變壓器次級(jí)電壓峰值約為420 kV,上升時(shí)間約為6 μs。

圖7(b)中,Tesla變壓器、脈沖形成線和主開關(guān)均可視為不同參數(shù)的形成線,特征阻抗和電長(zhǎng)度均有差異。以脈沖形成線作為參照,由于各處介電常數(shù)不同,變壓器部分特征阻抗約為形成線的8倍,開關(guān)部分特征阻抗約為形成線的4.5倍。此外,電磁波在變壓器和開關(guān)部分傳播速度遠(yuǎn)高于形成線,因此輸出脈沖寬度主要取決于脈沖形成線的電長(zhǎng)度。開關(guān)部分的阻抗失配影響輸出脈沖前沿質(zhì)量,變壓器部分的阻抗失配影響輸出脈沖后沿質(zhì)量。當(dāng)脈沖形成線充電電壓為400 kV時(shí),氣體開關(guān)導(dǎo)通后脈沖驅(qū)動(dòng)源輸出電壓的仿真結(jié)果如圖9所示。由圖9可見(jiàn),脈沖驅(qū)動(dòng)源的輸出電壓約為200 kV,脈沖寬度約為11 ns,符合設(shè)計(jì)指標(biāo)要求。

圖8 Tesla變壓器次級(jí)電壓仿真結(jié)果Fig.8 Simulation results of the secondary voltage of Tesla transformer

圖9 當(dāng)脈沖形成線充電電壓為400 kV時(shí),氣體開關(guān)導(dǎo)通后脈沖驅(qū)動(dòng)源輸出電壓的仿真結(jié)果Fig.9 Simulation results of the output voltage after the gas switch turns on when the charging voltage of pulse forming line is 400 kV

2.3 場(chǎng)路聯(lián)合仿真

根據(jù)脈沖驅(qū)動(dòng)源各部件實(shí)際結(jié)構(gòu)、尺寸及絕緣材料種類,開展場(chǎng)路聯(lián)合仿真。脈沖驅(qū)動(dòng)源3維場(chǎng)路聯(lián)合仿真模型如圖10所示。

圖10 脈沖驅(qū)動(dòng)源3維場(chǎng)路聯(lián)合仿真模型Fig.10 3D field-circuit combined simulation model of pulse drive source

當(dāng)脈沖形成線充電電壓為400 kV時(shí),氣體開關(guān)導(dǎo)通后脈沖驅(qū)動(dòng)源輸出電壓的3維場(chǎng)路聯(lián)合仿真結(jié)果如圖11所示。由圖11可見(jiàn),驅(qū)動(dòng)源輸出電壓約為186 kV,脈沖寬度約為13 ns。與圖9所示的電路仿真理想結(jié)果相比,場(chǎng)路聯(lián)合仿真考慮了裝置各部件實(shí)際結(jié)構(gòu)、尺寸等因素對(duì)脈沖波形和輸出效率的影響,仿真輸出波形相對(duì)真實(shí),電壓低于電路仿真結(jié)果,脈沖平頂段減小,脈寬增加。

圖11 當(dāng)脈沖形成線充電電壓為400 kV時(shí),氣體開關(guān)導(dǎo)通后脈沖驅(qū)動(dòng)源輸出電壓的3維場(chǎng)路聯(lián)合仿真結(jié)果Fig.11 3D field-circuit combined simulation results of the output voltage after the gas switch turns on when the charging voltage of pulse forming line is 400 kV

上述仿真結(jié)果表明,本文設(shè)計(jì)的脈沖驅(qū)動(dòng)源結(jié)構(gòu)緊湊、功能合理,性能指標(biāo)符合預(yù)期要求。

3 脈沖驅(qū)動(dòng)源集成與測(cè)試

脈沖驅(qū)動(dòng)源采用成熟通用的直流充電機(jī)為初級(jí)電路提供最高電壓為1 kV,充電時(shí)間小于8 ms,裝置最高重復(fù)運(yùn)行頻率為100 Hz。圖12為脈沖驅(qū)動(dòng)源實(shí)物圖。為實(shí)現(xiàn)輕小型化目標(biāo),樣機(jī)通體選用鋁合金材質(zhì),圓柱形腔體外圍環(huán)繞初級(jí)電路元件,達(dá)到緊湊化效果,各腔體均經(jīng)過(guò)承壓能力測(cè)試驗(yàn)證。

圖12 脈沖驅(qū)動(dòng)源實(shí)物圖Fig.12 Photo of the pulse drive source

為測(cè)試脈沖驅(qū)動(dòng)源關(guān)鍵性能指標(biāo),開關(guān)腔體后端接同軸傳輸線,前端接水負(fù)載進(jìn)行能量吸收。同時(shí),在Tesla變壓器和輸出傳輸線外導(dǎo)體內(nèi)壁分別安裝電容分壓器探頭1和探頭2。經(jīng)標(biāo)定,用于測(cè)量脈沖形成線充電電壓的分壓器探頭1分壓比為21 000;用于測(cè)量驅(qū)動(dòng)源輸出電壓的分壓器探頭2分壓比為109 000。

脈沖驅(qū)動(dòng)源工作狀態(tài)下,形成線腔體內(nèi)部灌注碳酸丙烯脂,Tesla變壓器和開關(guān)腔體分別注入SF6和H2,其中,SF6壓強(qiáng)為1 MPa,H2壓強(qiáng)為3～4 MPa。當(dāng)初級(jí)直流電壓增至1 kV時(shí),氣體開關(guān)導(dǎo)通放電,脈沖形成線充電電壓和驅(qū)動(dòng)源輸出脈沖電壓波形分別如圖13和圖14所示。

測(cè)試結(jié)果表明,當(dāng)形成線充電電壓達(dá)到420 kV時(shí),輸出負(fù)脈沖峰值電壓為185.3 kV,輸出功率為4.57 GW,脈沖寬度為13.6 ns,與圖11所示的場(chǎng)路聯(lián)合仿真波形峰值電壓和脈沖寬度相當(dāng),但脈沖平頂相對(duì)較小,與裝置實(shí)際結(jié)構(gòu)、尺寸等因素有關(guān)。新型脈沖驅(qū)動(dòng)源能長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定,運(yùn)行重復(fù)頻率在0～100 Hz連續(xù)可調(diào)。

(a) Single pulse

(b) Cumulative pulses

(a) Single pulse

(b) Cumulative pulses

4 總結(jié)

本文基于新型高介電常數(shù)液體電介質(zhì),研制了一種低阻抗、高儲(chǔ)能密度的輕小型化脈沖驅(qū)動(dòng)源。與傳統(tǒng)Tesla變壓器和脈沖形成線一體化設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)不同,本文研制的新型脈沖驅(qū)動(dòng)源克服了高電壓絕緣和特征阻抗優(yōu)化設(shè)計(jì)難題。試驗(yàn)結(jié)果表明:新型脈沖驅(qū)動(dòng)源輸出功率為4.57 GW,脈沖寬度約為13.6 ns;裝置總質(zhì)量小于140 kg,在相同質(zhì)量和體積情況下,與上一代相比,新型脈沖驅(qū)動(dòng)源輸出功率提高了2倍;重復(fù)頻率在0～100 Hz連續(xù)可調(diào),能長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定運(yùn)行,累計(jì)運(yùn)行105次脈沖免維護(hù)。下一步,將繼續(xù)開展脈沖驅(qū)動(dòng)源優(yōu)化設(shè)計(jì),提升工程化水平。