兆安級直線變壓器驅(qū)動源中氣體開關閉合分散性的實驗研究

姜曉峰，孫鳳舉，王志國，降宏瑜，魏 浩，邱愛慈

(1. 西安交通大學 電力設備電氣絕緣國家重點實驗室，西安 710049； 2. 強脈沖輻射模擬與效應國家重點實驗室，西安 710024)

直線型變壓器驅(qū)動源(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]，具有模塊化設計的理念，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)動裝置，如T800[4]，M50[5]，CZ34[6]等。模塊作為LTD型大型驅(qū)動源的基本單元，一般包含十個到數(shù)十個由電容器和氣體開關組成的放電單元，稱為支路。支路中氣體開關需按照預先設置的時序閉合導通，模塊所儲存的能量迅速釋放到負載以實現(xiàn)功率的瞬時疊加。一般，LTD模塊內(nèi)所有氣體開關需同時閉合，使負載獲得最大的電流幅值和最快的上升時間。在某些特殊應用中，需使部分開關按先后順序閉合，以產(chǎn)生所需的脈沖波形。由于氣體放電具有一定的隨機性，觸發(fā)閉合轉(zhuǎn)換時間具有分散性。因此，模塊中開關狀態(tài)及轉(zhuǎn)換時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。

已有相關研究通過建立開關擊穿時延分散性模型,開展了開關抖動對模塊輸出特性影響的模擬工作[7-10]。而由于LTD模塊設計緊湊，腔體密封，工作電壓高，且軸向空間狹小(<300 mm)，氣體開關狀態(tài)轉(zhuǎn)換的時間快(<100 ns)，開關狀態(tài)及閉合時間的判斷需快響應、體積小的探測器。氣體開關在模塊中觸發(fā)擊穿分散性的實驗研究較少。中國工程物理研究院陳林等[11]利用CCD相機來記錄開關是否導通。美國Michigan大學Campbell等[12]利用PMT采集到的波形與開關放電相對應，該方法光電隔離，引出模塊方便，但受到開關電弧位置變化和光電探測器的響應等因素的影響，不能反映開關實際導通的電流。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刻，給出12個支路的LTD模塊開關放電的分散性呈高斯分布。美國加州大學圣地亞哥分校的Conti等[14]采用時間積分的D-dot，測試開關觸發(fā)電極電位翻轉(zhuǎn)來判斷開關閉合時刻，得到典型同步放電情況下20只開關閉合的時間分散性為3.6 ns。觸發(fā)方式和觸發(fā)位置等對開關擊穿分散性的影響、各個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個放電支路的開關擊穿?；谠撃K，本文設計了B-dot和D-dot 2種探頭對模塊中開關擊穿狀態(tài)及閉合的時間分散性進行了研究。

1 兆安級LTD模塊

模塊直徑為2 290 mm，高度為346 mm。24個放電支路沿圓周輪輻狀布置，其中，23個支路為高功率主放電支路，1個支路為觸發(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現(xiàn)密封。各個支路可沿上下絕緣子的定位槽進行插拔，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±100 kV氣體開關和2只100 nF的塑殼電容器組成。氣體開關直徑為98 mm，高度為54 mm，為三電極場畸變型氣體開關，包含2個間隙，每個間隙距離為10 mm。主放電支路開關編號為1～23，如圖1所示。觸發(fā)支路由一個低閾值觸發(fā)開關和2只50 nF電容器組成,與主放電支路共用充電，單獨充放氣，單獨觸發(fā)。觸發(fā)支路開關編號為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個等距節(jié)點饋入到外側(cè)觸發(fā)環(huán)。外側(cè)觸發(fā)環(huán)由24個等分節(jié)點經(jīng)過隔離電阻與23個主放電支路開關觸發(fā)電極相連。23個開關的觸發(fā)脈沖中有8個開關同時到達，編號分別為2，5，8，11，14，17，20，23；有8個開關提前2.2 ns到達，編號分別為3，4，9，10，15，16，21，22；有7個開關滯后2.2 ns到達，編號分別為1，6，7，12，13，18，19。

當模塊充電±27 kV時，不同開關位置處的觸發(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)成模塊負載。圖3為LTD模塊典型輸出電壓Uload和電流Iload隨時間t的變化關系。

圖2 不同開關位置處的觸發(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間的變化關系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，當模塊充電電壓為±100 kV時，在0.08 Ω的負載可獲得前沿為115 ns，幅值約為1 MA的脈沖電流。

2 開關閉合分散性診斷

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放電信號，每臺示波器含有4個測試通道，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)信號來自于同一個信號源，以保證所有示波器同時觸發(fā)。因B-dot探頭和D-dot探頭主要判斷開關狀態(tài)及閉合時刻，所以未對所有探頭進行標定。

2.1 B-dot 探頭設計

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探頭設計，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。開關外殼靠近氣管位置留有直徑為20 mm的平面，由一個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。電路板與開關中軸線及模塊的中軸線盡量在一個平面上，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探頭設計Fig.4 Design of B-dot probe based on printed circuit board

圖5 安裝在氣體開關上的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，積分時間常數(shù)為5 μs，遠大于支路放電的持續(xù)時間(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)生感應電壓。假設開關放電電弧集中在軸線上，且僅考慮沿開關軸向流經(jīng)的電流在B-dot探頭產(chǎn)生的感應磁場。電流通道與B-dot探頭距離R約為50 mm，遠大于線圈半徑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為磁導率。而LTD模塊中相鄰支路開關的間距約為240 mm。B-dot線圈與相鄰開關電流產(chǎn)生的磁場角度為π/12，感應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)生的感應電壓可忽略。

2.2 D-dot 探頭設計

圖6為設計的D-dot探頭。D-dot探頭位于開關高壓電極的正上方，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 設計的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高壓電極電位的變化。通過該電壓信號的變化可判斷開關是否擊穿。

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

3 實驗結(jié)果與分析

3.1 B-dot探頭和D-dot探頭實驗結(jié)果對比

圖8為2號和5號開關上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很清楚，很好地反映了開關的閉合時間。此時，5號開關的閉合時間比2號開關晚52 ns。D-dot探頭反映的是高壓電極電壓的變化，波形包括預脈沖和主脈沖，預脈沖的起始時間為觸發(fā)脈沖產(chǎn)生的時間，與觸發(fā)支路上 D-dot探頭測量的信號一致，2號開關的D-dot探頭測量波形中主脈沖起始點與2號開關的電流相同，但5號開關的D-dot探頭測量波形顯示為雙主脈沖。FLTD 模塊上電容是充負電的，觸發(fā)脈沖是正極性的，因此，觸發(fā)脈沖首先會擊穿開關的負電隙，即上間隙。5號開關觸發(fā)間隙(負間隙)被擊穿后，過壓間隙迅速被擊穿，而2號開關觸發(fā)間隙被擊穿后，過壓間隙經(jīng)數(shù)十納秒的時延后才被擊穿，因此，D-dot探頭波形出現(xiàn)了2個峰，與B-dot探頭波形對比可見，第2個峰代表的是開關擊穿的時刻。對比表明，B-dot探頭能更直觀地反映開關的閉合時間。

圖8 2號和5號開關上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 兆安級模塊中開關時延及分散性

氣體開關觸發(fā)延時定義為從觸發(fā)支路電流起始點到主支路開關電流的起始點的時間差，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

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

圖10 充電電壓為±80 kV，工作系數(shù)不同時，LTD模塊連續(xù)10次放電各開關的平均觸發(fā)時延和抖動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

當充電電壓為±80 kV時，模塊輸出電流峰值隨開關擊穿時延分散性的變化關系如圖11所示。由圖11可見，開關觸發(fā)時延分散性從2.2 ns上升到13.3 ns時，模塊輸出電流值約為(840±4.6) kA，負載電流上升前沿為(126±1) ns。表明，該LTD模塊及其觸發(fā)方式下開關時延分散性小于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擊穿時延分散性的變化關系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個主放電支路具有相同的電容和充電電壓，每個支路的輸出電流波形應相同。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，當各支路的開關同步放電時，各主放電支路電流波形基本相同；由圖12(b)可見，當某一個支路開關發(fā)生自擊穿時，支路放電電流呈現(xiàn)短路振蕩；由圖12(c)可見，當開關放電不同步時，支路放電電流波形會產(chǎn)生變化。實驗結(jié)果表明，支路放電波形顯著受到開關閉合分散性的影響。

(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。當電容器充電電壓為U0時，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，支路開關同步放電時，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。由于互感導致支路等效電感增加，折算到單個支路的等效電路阻抗與負載阻抗基本匹配，放電電流波形基本呈匹配放電波形。

當某支路開關自放電時，由于放電電流在環(huán)形負載的分布不均勻，該放電支路所對應負載的電阻大于模塊負載溶液電阻(0.08 Ω)，但與單支路匹配負載相比，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，不同步支路得到的互感電壓為負值(此時該回路獲得的感應磁通變化率反向最大)，與源電壓抵消，導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發(fā)生振蕩，振蕩頻率甚至比某支路自放電時更快，振蕩電流峰值也比自放電時高。此時，電流峰值可達模塊正常放電時的2倍以上，這對開關和電容器的壽命極其不利，應盡量避免。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，即-∑M，此時Leq=L0-∑M=153.3 nH。因此，由實驗結(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，設計了B-dot探頭和D-dot探頭分別測試支路放電電流和開關高壓電極電壓變化情況，監(jiān)測模塊內(nèi)所有開關的閉合時間。在±80 kV充電電壓下，當開關閉合時間的分散性從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閉合分散性的影響較小。而對于每個支路來講，即使支路充電電壓相同，由于開關閉合時間具有分散性，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。開關放電不同步時個別支路電流幅值甚至可達正常電流的2倍，可能顯著縮短該支路的預期壽命。