基于共用腔體與內(nèi)置觸發(fā)的12級串聯(lián)太瓦級LTD脈沖源

孫鳳舉，邱愛慈，，姜曉峰，，王志國，，降宏瑜，，李鵬輝，何 旭，魏 浩，丁衛(wèi)東，吳 堅(jiān)，李興文，楊 莉，萬臻博

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

21世紀(jì)初，俄羅斯科學(xué)院大電流所首創(chuàng)了快脈沖直線型變壓器驅(qū)動(dòng)源(fast linear transformer driver, LTD)技術(shù)，不需要脈沖壓縮可直接產(chǎn)生100 ns電脈沖[1]，被公認(rèn)為是下一代數(shù)十兆安電流、數(shù)兆伏電壓、百太瓦量級Z箍縮驅(qū)動(dòng)源最有前景的技術(shù)路線。經(jīng)過近20年的發(fā)展，LTD在單元支路、單級模塊、多級模塊串聯(lián)及百太瓦量級Z箍縮裝置的概念設(shè)計(jì)等多方面取得顯著進(jìn)展[2-16]，但目前國內(nèi)外還沒有建成一臺多路并聯(lián)、輸出峰值電流達(dá)數(shù)兆安的LTD型脈沖功率裝置[17-18]。之前，國內(nèi)外提出的Z箍縮LTD驅(qū)動(dòng)源概念設(shè)計(jì)方案，普遍采用電流約1 MA的獨(dú)立腔體LTD模塊數(shù)，十級串聯(lián)為單路、再數(shù)十路并聯(lián)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。每級模塊需外部引入4路電壓約為140 kV的快前沿電觸發(fā)脈沖和一組±100 kV充電電纜。如，美國針對Z箍縮聚變提出的Z-300、Z-800裝置[8]。其中，Z-800裝置共有5 400個(gè)1 MA的獨(dú)立腔體LTD模塊，外部引入觸發(fā)脈沖數(shù)27 000路，±100 kV充電電纜各5 400組。為實(shí)現(xiàn)多級串聯(lián)LTD脈沖功率高效傳輸疊加，要求觸發(fā)脈沖按精確時(shí)序達(dá)到每級模塊，對觸發(fā)系統(tǒng)要求極高。裝置觸發(fā)電纜和高壓充電電纜數(shù)目眾多，并需穿過接地的模塊腔體，在支路放電時(shí)承受脈沖過電壓，易導(dǎo)致電纜擊穿，降低了裝置可靠性。數(shù)十級串聯(lián)LTD次級金屬筒穿過獨(dú)立封閉腔體的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，難以診斷發(fā)生故障的元器件，故障定位與器件維修替換困難，這是LTD技術(shù)發(fā)展20余年至今為止還沒有建成多路并聯(lián)裝置的主要原因之一，國外一直在開展單級1 MA 獨(dú)立腔體LTD模塊可靠性研究[19-24]，但難以達(dá)到1×104次免維護(hù)的目標(biāo)。

針對上述難題，項(xiàng)目組提出多級串聯(lián)共用腔體、分立柱回流激磁、插拔式支路新型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和大規(guī)模氣體開關(guān)內(nèi)置同步觸發(fā)新方法[25-27]，在成功研制單級內(nèi)置觸發(fā)的1 MA LTD模塊[28-29]和4級共用腔體內(nèi)置觸發(fā)LTD[30-31]的基礎(chǔ)上，研制了采用共用腔體與內(nèi)置觸發(fā)的12級串聯(lián)單路太瓦級LTD脈沖源。本文給出了12級LTD脈沖源的結(jié)構(gòu)、內(nèi)置同步觸發(fā)方法和實(shí)驗(yàn)調(diào)試結(jié)果，驗(yàn)證了共用腔體與內(nèi)置時(shí)序觸發(fā)方法的技術(shù)可行性，為解決大型LTD脈沖源大規(guī)模氣體開關(guān)按時(shí)序可靠同步觸發(fā)的難題提供了一種全新方案。

1 12級串聯(lián)共用腔體LTD的總體設(shè)計(jì)

為驗(yàn)證共用腔體新型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和內(nèi)置時(shí)序觸發(fā)方法，研制了12級串聯(lián)LTD脈沖源，3組12級串聯(lián)LTD初級結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 3組12級串聯(lián)LTD初級結(jié)構(gòu)Fig.1 Three sets of 12-stage series LTD primary structure

設(shè)計(jì)指標(biāo)：連接近似匹配負(fù)載時(shí)，輸出電流峰值為1 MA，電壓峰值為1 MV，脈沖前沿小于150 ns，峰值功率為1 TW。12級串聯(lián)LTD分為3組，每組4級串聯(lián)，每級由1個(gè)低閾值內(nèi)置觸發(fā)支路和23個(gè)5 GW高功率主支路組成[32-33]。圖2為分立柱回流插拔支路單級模塊。

(a) Vertical view

(b) Side view1- 100 kV/100 nF capacitors； 2- gas switch； 3- magnetic core；4- upper insulation plate； 5- lower insulation plate；6- medium insulation plate； 7- capacitor-compressing plate；8- metal columns； 9- metal plate；10- high voltage output electrodes圖2 分立柱回流插拔支路單級模塊Fig.2 Splitting column reflow plugging bricks single-stage module

LTD次級采用逐級匹配的水介質(zhì)傳輸線，每組長度約為1.2 m，組之間有長度約為0.4 m的水線，用于組之間的連接以及布放監(jiān)測每組輸出電壓的電容分壓器。3組串聯(lián)后從導(dǎo)軌上滑動(dòng)進(jìn)入(或拉出)共用腔體，共用腔體直徑約為2.5 m，組裝后長度為4.8 m。引入共用腔體的3組±100 kV高壓充電電纜、1根觸發(fā)電纜及監(jiān)測12級內(nèi)置觸發(fā)支路開關(guān)閉合電流的測量電纜，監(jiān)測每組輸出電壓的3個(gè)電容分壓器電纜、氣路和每級次級軸線上端排汽泡的氣管等，從共用腔體接地端的橢圓型蓋板引入(出)，方便LTD機(jī)芯進(jìn)入和拉出共用腔體。

每組LTD包含92個(gè)主放電支路和4個(gè)低閾值觸發(fā)支路。主放電支路由2只100 nF/100 kV電容器和1只5 GW氣體開關(guān)串聯(lián)組成。主放電支路要求具有低阻抗、低自放概率及高峰值功率。圖3為主放電支路及觸發(fā)支路。主放電支路開關(guān)高度為151 mm，直徑為107 mm，電容器待電容為100 nF，標(biāo)稱工作電壓為100 kV，長寬高分別為254，154，105 mm，雙端引出電極。低閾值觸發(fā)支路由2只50 nF/100 kV電容器和1只低觸發(fā)閾值氣體開關(guān)組成，低閾值觸發(fā)支路在觸發(fā)電脈沖作用下產(chǎn)生高幅值電脈沖，實(shí)現(xiàn)同級主支路開關(guān)同步放電,電容器標(biāo)稱工作電壓為100 kV，長寬高分別為160，154，105 mm。

(a) Main discharging brick

(b) Triggering brick圖3 主放電支路及觸發(fā)支路Fig.3 Main discharging brick and triggering brick

LTD主支路電容、等效串聯(lián)電阻、電感和電容器充電電壓分別為：Cb=50 nF；Rb=0.3 Ω;Lb=220 nH;Vb=140～170 kV。

為使LTD輸出功率最大，LTD次級水線優(yōu)化阻抗Zopt可表示為[8]

(1)

其中：nb為單模塊內(nèi)主放電支路數(shù)量，nb=23；ns為LTD模塊串聯(lián)數(shù)量，ns=12 。

LTD磁芯采用SiO2涂層非晶帶材，厚度為25 μm，繞制后整體進(jìn)行熱磁處理，外徑Φo為1 184 mm，內(nèi)徑Φi為984 mm，高度為20 mm，每個(gè)環(huán)氧樹脂盒封裝2只，共有4個(gè)環(huán)氧盒，8只磁芯，整體熱磁處理后，串聯(lián)磁感應(yīng)強(qiáng)度Bs為1.56 T，徑向磁感應(yīng)強(qiáng)度Br為0.9 T，ΔB約為2.3 T，磁芯疊片系數(shù)為0.9。單級磁芯充分復(fù)位后可提供的伏秒數(shù)為34 mV·s，磁芯等效損耗電阻Rcore可表示為

(2)

其中：ρ為磁芯材料電阻率，2605SA1非晶帶材的ρ為1.23×10-6Ω·m；δ為磁芯帶材厚度，25 μm；k為無量綱系數(shù)，一般取8～12，計(jì)算時(shí)取10。計(jì)算得到單級磁芯等效損耗電阻為42 Ω。

由于磁芯存在損耗電阻，每路LTD次級水線最佳阻抗為

(3)

LTD次級設(shè)計(jì)為逐級匹配的水介質(zhì)傳輸線，根據(jù)24個(gè)并聯(lián)支路圓周對稱布置及磁芯的尺寸，設(shè)計(jì)LTD次級外筒內(nèi)直徑為90 cm，12級串聯(lián)每級增加阻抗為0.106 Ω，次級內(nèi)筒首端直徑為84 cm，末端直徑為74.4 cm，匹配輸出阻抗為1.2 Ω，LTD從第3級到第12級的次級阻抗與內(nèi)筒外半徑ra如表1所列。

表1 次級水線阻抗及內(nèi)筒外半徑Tab.1 Secondary waterline impedance and inner cylinder size

對含有大面積導(dǎo)體水線介質(zhì)的擊穿安全電場強(qiáng)度要求滿足[8]

Ewτw0.33≤1.13×105

(4)

LTD次級水線的Ewτw0.33≈1.007×105，滿足絕緣安全要求。

為監(jiān)測12級LTD的工作狀態(tài)和輸出特性，布置了系列電壓、電流探頭，主要包括：LTD每組次級水線輸出電壓探頭，采用圓周均布的3個(gè)內(nèi)置積分電路的D-dot，共9個(gè)；LTD輸出電流測量，采用3個(gè)Rogowski自積分電流線圈；LTD每級觸發(fā)支路開關(guān)閉合時(shí)序測量，通過12個(gè)與觸發(fā)支路開關(guān)集成的B-dot測量；主支路開關(guān)閉合電流由與開關(guān)集成的B-dot測量；次級內(nèi)筒的每級輸出位置均布安裝3個(gè)自積分B-dot和3個(gè)內(nèi)置積分電路D-dot，共36個(gè)B-dot、36個(gè)D-dot，監(jiān)測每級輸出電壓和電流；每組LTD兩端接地蓋板安裝4個(gè)磁芯泄漏電流測量線圈，共12個(gè)。圖4為12級LTD剖面結(jié)構(gòu)圖

圖4 12級LTD剖面結(jié)構(gòu)圖Fig.4 Cross-sectional configuration of 12-stage LTD

2 共用腔體內(nèi)置支路與級聯(lián)時(shí)序觸發(fā)

本文提出的LTD內(nèi)置時(shí)序觸發(fā)的原理如圖5所示。LTD每級模塊采用1個(gè)內(nèi)置觸發(fā)支路，產(chǎn)生的電脈沖經(jīng)角向線傳輸脈沖到本級所有主支路開關(guān)，實(shí)現(xiàn)本級所有開關(guān)同步觸發(fā)放電，如圖5(a)所示；每組LTD只需1路外觸發(fā)脈沖，經(jīng)級間高壓延時(shí)線觸發(fā)各級模塊的觸發(fā)支路，高壓延時(shí)線電長度與電脈沖在次級傳輸時(shí)間相同，實(shí)現(xiàn)LTD按理想IVA時(shí)序觸發(fā)，如圖5(b)所示；第一組觸發(fā)支路需要的1路觸發(fā)脈沖從外部引入，組之間采用級聯(lián)觸發(fā)，下游組需要的1路觸發(fā)脈沖由緊鄰的上游組第一級模塊的觸發(fā)支路引出。每組加過渡段的長度約為1.4 m，電脈沖在次級水線的傳輸時(shí)間約為42 ns，與高壓延時(shí)線延時(shí)(7 ns)加觸發(fā)支路開關(guān)延時(shí)(約為35 ns)之和基本相同，實(shí)現(xiàn)了組之間觸發(fā)支路按理想IVA時(shí)序觸發(fā)。常規(guī)12級獨(dú)立腔體串聯(lián)LTD需引入48路觸發(fā)脈沖，采用內(nèi)置觸發(fā)新方法，單路LTD外部引入觸發(fā)脈沖數(shù)量減少為1路，顯著降低了LTD觸發(fā)系統(tǒng)的規(guī)模和復(fù)雜度。

(a) In-situ triggering brick and azimuthal line

(b) High voltage spiral delay line triggering in sequence

(c) Stage-connected high voltage line triggering between adjacent groups圖5 LTD內(nèi)置時(shí)序觸發(fā)原理Fig.5 Principle of internal in-situ triggering method for LTD

高可靠的觸發(fā)器和觸發(fā)支路開關(guān)是實(shí)現(xiàn)LTD內(nèi)置同步觸發(fā)的關(guān)鍵。目前研制的低閾值觸發(fā)支路開關(guān)自放電概率低至10-5。引入LTD的觸發(fā)脈沖采用脈沖變壓器升壓、諧振充電和尖板開關(guān)峰化，脈沖變壓器初級開關(guān)采用的真空開關(guān)工作在工作系數(shù)α較低(α=0.5)時(shí)，百千伏觸發(fā)器的自放電及不觸發(fā)概率小于數(shù)十萬分之一。

3 LTD脈沖源的安裝與調(diào)試

以4級串聯(lián)LTD組件為單元，在專用翻轉(zhuǎn)平臺上進(jìn)行安裝，經(jīng)初級、次級腔體氣密性測試合格后軸線翻轉(zhuǎn)為水平，放置在導(dǎo)軌上，完成3組過渡段之間的連接。

在安裝過程中完成了所有電壓電流探頭的標(biāo)定，解決了12級串聯(lián)LTD內(nèi)芯軸線水平放置形變導(dǎo)致的初次級漏氣和次級氣泡排除等難題。12級LTD次級腔體經(jīng)過氣密性檢查后，首先安裝了12級觸發(fā)支路，對觸發(fā)支路擊穿特性進(jìn)行測試。然后安裝所有主放電支路、氣路、充電隔離電阻、觸發(fā)電阻以及測試電纜。安裝完成后的12級LTD脈沖源及內(nèi)部機(jī)芯如圖6所示。

(a) 12-stage LTD

(b) Internal movement

(c) The LTD group圖6 12級串聯(lián)LTD脈沖源及內(nèi)部機(jī)芯Fig.6 12-stage LTD and internal movement

3.1 12級內(nèi)置觸發(fā)支路開關(guān)級聯(lián)觸發(fā)實(shí)驗(yàn)

為獲取不同充電電壓和氣壓下觸發(fā)支路開關(guān)閉合時(shí)間與分散性數(shù)據(jù)，先安裝12級觸發(fā)支路及每組第一級的主支路電容器，利用觸發(fā)支路開關(guān)集成的B-dot，測量了12個(gè)觸發(fā)支路開關(guān)閉合時(shí)序及工作參數(shù)，實(shí)驗(yàn)布置如圖7所示。實(shí)驗(yàn)時(shí)觸發(fā)支路充電電壓為±(65～80 kV)，間隔為5 kV，每個(gè)電壓工作系數(shù)選擇5個(gè)點(diǎn)：0.6,0.65,0.70,0.75,0.80，每個(gè)工作點(diǎn)重復(fù)20次。實(shí)驗(yàn)累積工作550發(fā)，觸發(fā)支路開關(guān)沒有發(fā)生自放電。12級觸發(fā)支路開關(guān)閉合的典型波形如圖8所示，通過每級觸發(fā)支路上的B-dot測量。級間觸發(fā)支路開關(guān)閉合延時(shí)約7.5 ns，組件之間延時(shí)約35 ns，基本按理想IVA時(shí)序提供主支路觸發(fā)脈沖。

圖7 觸發(fā)支路開關(guān)閉合特性實(shí)驗(yàn)布置Fig.7 Experimental arrangement of closing characteristics of triggering bricks

圖8 12級觸發(fā)支路開關(guān)閉合的典型波形Fig.8 Typical waveform of 12-stage LTD triggering bricks

充電電壓為±(65～80 kV)時(shí)，觸發(fā)支路閉合時(shí)序與分散性如圖9所示。由圖9可見，通過調(diào)節(jié)觸發(fā)支路開關(guān)氣壓(即工作系數(shù))，可調(diào)節(jié)12級LTD每級主支路開關(guān)觸發(fā)閉合時(shí)序，實(shí)現(xiàn)調(diào)控輸出脈沖前沿。實(shí)驗(yàn)表明：觸發(fā)支路低閾值開關(guān)在充電電壓為±(65～80 kV)、工作系數(shù)為0.5～0.8時(shí)，觸發(fā)支路開關(guān)抖動(dòng)小于2 ns；工作系數(shù)為0.6時(shí)，主支路開關(guān)觸發(fā)時(shí)序基本為理想IVA時(shí)序。

(a) ±65 kV

(b) ±70 kV

(c) ±75 kV

(d) ±80 kV圖9 充電電壓為±(65～80 kV)時(shí)，觸發(fā)支路閉合時(shí)序與分散性Fig.9 Closing time sequences & dispersions of 12 stage triggering bricks at ±(65～80 kV)

獲得了觸發(fā)支路開關(guān)在不同充電電壓和工作系數(shù)的合適氣壓，如表2所列，為裝置整體加電聯(lián)調(diào)和輸出波形調(diào)控提供了工作參數(shù)。

表2 不同充電電壓和工作系數(shù)的合適氣壓Tab.2 Working pressures of triggering bricks at different charging voltages and operating coefficients Unit: 105 Pa

3.2 LTD脈沖源的整體調(diào)試實(shí)驗(yàn)

整體加電聯(lián)調(diào)的工作條件：共用腔體抽真空到-0.08 MPa，充SF6至0.07 MPa，滿足初級充電絕緣要求。腔體SF6氣壓充至表壓為0時(shí)，LTD次級真空注去離子水，并抽真空排除每級次級氣泡。聯(lián)調(diào)時(shí)采用假負(fù)載，次級水線與負(fù)載電阻溶液之間采用60 mm厚的聚乙烯隔板分隔，包括支撐隔板的負(fù)載區(qū)域的電感約40 nH，NH4CL溶液電阻(第一輪實(shí)驗(yàn)配置為1.2 Ω；第二輪實(shí)驗(yàn)配置為0.7 Ω)。LTD開關(guān)工作介質(zhì)采用零級干燥空氣，每發(fā)換氣，主支路開關(guān)工作系數(shù)選取為0.65，0.60，0.55。LTD充電電源采用高壓恒流電源(±100 kV/100 mA)，設(shè)置充電電流為90 mA；去磁單極性脈沖電流源充電電壓為10 kV，從負(fù)載端口注入去磁脈沖，70 kV以下每2發(fā)去磁，75 kV以上每發(fā)去磁。外部引入1路觸發(fā)脈沖(120 kV/25 ns)，觸發(fā)支路開關(guān)工作系數(shù)設(shè)置為0.6。實(shí)驗(yàn)間歇時(shí)LTD所有開關(guān)置換為高純N2氣，防止開關(guān)電極氧化影響開關(guān)性能。

實(shí)驗(yàn)累計(jì)調(diào)試約100發(fā)，充電電壓為±(60～83) kV，主支路開關(guān)工作系數(shù)為0.55～0.65，觸發(fā)支路開關(guān)工作系數(shù)為0.60時(shí)，12級LTD輸出電流如圖10所示。主支路開關(guān)工作氣壓如表3所列。

充電電壓不同時(shí)，LTD輸出電流波形如圖11所示。由圖11可見：充電電壓為±80 kV時(shí)，12級LTD驅(qū)動(dòng)40 nH電感串聯(lián)1.2 Ω的負(fù)載，輸出電流峰值為822 kA，前沿為72 ns；充電電壓為±80 kV時(shí)，驅(qū)動(dòng)40 nH電感串聯(lián)0.7 Ω的負(fù)載，輸出電流峰值為980 kA，前沿為75 ns；隨著充電電壓升高，輸出峰值電流按比例增加，說明開關(guān)放電同步性較好；充電電壓相同，工作系數(shù)不同時(shí)，輸出電流基本重合，表明開關(guān)在低工作系數(shù)下仍具有較好同步特性。充電電壓為±80 kV時(shí)，開關(guān)工作系數(shù)不同時(shí)，輸出電流波形如圖12所示。

(a) Lb=40 nH，Rb=1.2 Ω

(b) Lb=40 nH，Rb= 0.7 Ω圖11 充電電壓不同時(shí)，LTD輸出電流波形Fig.11 Output current on the load at different charging voltages

圖12 充電電壓為±80 kV，開關(guān)工作系數(shù)不同時(shí)，輸出電流波形Fig.12 Output current waveforms at different operating coefficients with charging voltage of ±80 kV

充電電壓為±83 kV、負(fù)載電感為40 nH、串聯(lián)電阻為0.7 Ω時(shí)，典型輸出波形如圖13所示。由圖13可見，輸出電壓為1.1 MV，電流為1.0 MA，脈沖電流上升時(shí)間(0～1)約為126 ns，電流前沿(0.1～0.9)約為75 ns，電壓波形前沿比電流波形陡，脈寬窄。

圖13 充電電壓為±83 kV、負(fù)載電感為40 nH、串聯(lián)電阻為0.7 Ω時(shí)，典型輸出波形Fig.13 Output voltage and current on the load of 40 nH and 0.7 Ω in series with charging voltage of ±83 kV

充電電壓為±83 kV，開關(guān)工作系數(shù)為0.6時(shí)，去磁后第一發(fā)，LTD各級電壓波形如圖14所示。由圖14可見，隨著串聯(lián)級數(shù)增加，脈沖寬度和前沿逐漸減小，電壓逐級疊加。

圖14 充電電壓為±83 kV，開關(guān)工作系數(shù)為0.6時(shí)，去磁后第一發(fā)，LTD各級電壓波形Fig.14 Output voltage waveforms of LTD every stage with charging voltage of ±83 kV and operating coefficient of 0.6 at first short after demagnetizing

4 結(jié)論

本文介紹了原創(chuàng)的共用腔體與內(nèi)置觸發(fā)的12級LTD脈沖源的新型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、新觸發(fā)方法和實(shí)驗(yàn)調(diào)試結(jié)果。主要結(jié)論：

(1)12級LTD僅需引入1路外觸發(fā)脈沖(120 kV/25 ns)，在充電電壓為±83 kV，驅(qū)動(dòng)電感為40 nH，溶液串聯(lián)電阻為0.7 Ω時(shí)，輸出峰值電壓為1.1 MV，峰值電流為1 MA，前沿約為75 ns，顯著降低了觸發(fā)系統(tǒng)規(guī)模。

(2)獲得了觸發(fā)支路工作電壓為±(60～80) kV，開關(guān)工作系數(shù)為0.5～0.8時(shí)的合適氣壓，12只觸發(fā)支路開關(guān)抖動(dòng)小于2 ns。觸發(fā)支路時(shí)序系數(shù)調(diào)節(jié)范圍為0.9～1.2，驗(yàn)證了多級串聯(lián)LTD級聯(lián)時(shí)序觸發(fā)及調(diào)控輸出波形的技術(shù)可行性。

(3)觸發(fā)支路與主放電支路電壓相同，可產(chǎn)生更高幅值的觸發(fā)脈沖，使5 GW主支路開關(guān)工作系數(shù)為0.55時(shí)也能較好同步放電，有利于降低主開關(guān)自放率。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了共用腔體、分立柱回流、插拔式支路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及內(nèi)置觸發(fā)支路與延時(shí)線級聯(lián)組合的時(shí)序觸發(fā)技術(shù)可行性。為建立數(shù)十兆安、數(shù)百太瓦級大型LTD Z箍縮脈沖驅(qū)動(dòng)源提供了一種全新方案。