一種用于80 kV直流電源測(cè)試的50 Hz/20 kW負(fù)載

呂東輝，張 瑜，禹偉榮，李 銳，程 杰，徐秀棟，胡祥剛，吳少彤，張 楠

(西北核技術(shù)研究所, 西安 710024)

高壓大功率負(fù)載主要用于高功率脈沖裝置的測(cè)試，目前主要使用的負(fù)載類型有粒子束二極管負(fù)載[1]、電解質(zhì)溶液型電阻負(fù)載和固體型電阻負(fù)載[2]等。粒子束二極管負(fù)載的電子束建立過(guò)程較復(fù)雜，難以準(zhǔn)確調(diào)節(jié)阻抗，且會(huì)產(chǎn)生X射線，增加了調(diào)試難度[3-4]。溶液型負(fù)載具有簡(jiǎn)單方便、成本低廉、寄生電感小、功率容量大及自行恢復(fù)性好等優(yōu)點(diǎn)，可通過(guò)改變?nèi)芤簼舛葋?lái)調(diào)節(jié)電阻，被廣泛應(yīng)用于脈沖功率裝置的實(shí)驗(yàn)測(cè)試[5-7]。如，楊實(shí)等[8]設(shè)計(jì)了一種水電阻匹配負(fù)載，有效降低了負(fù)載回路電感，明顯改善了低阻抗脈沖形成線的輸出波形；歐陽(yáng)佳等[9]設(shè)計(jì)并制作了3 種不同結(jié)構(gòu)的水電阻，作為折疊型平板Blumlein 線的匹配負(fù)載, 發(fā)現(xiàn)U形水電阻最適合用作折疊型平板Blumlein 線的匹配負(fù)載；梁川等[10]在匹配水負(fù)載上測(cè)試了所研制的0.1 Hz/800 kA驅(qū)動(dòng)源模塊，證明了所研制驅(qū)動(dòng)源模塊的重復(fù)頻率運(yùn)行可行性。

然而，液體介質(zhì)在特定情況下存在絕緣喪失風(fēng)險(xiǎn)，與液體介質(zhì)絕緣能力相關(guān)的因素有液體極性、液體間隙、脈沖寬度、液體電導(dǎo)率及液體壓強(qiáng)等[11]。其中，脈沖寬度的增加會(huì)增強(qiáng)電極表面物理化學(xué)反應(yīng)和時(shí)間累積效應(yīng)，大大降低了液體介質(zhì)的耐壓能力[12-13]；液體電導(dǎo)率的增加將導(dǎo)致更大的離子電流和更多的焦耳熱，使液相放電更易從氣泡內(nèi)開(kāi)始[14]。微秒量級(jí)甚至更小的電壓脈沖寬度，會(huì)提升高導(dǎo)電液體的預(yù)擊穿電流，并迅速降低液體放電起始電壓和擊穿電壓[14-15]。

針對(duì)80 kV直流電源重復(fù)頻率運(yùn)行測(cè)試中出現(xiàn)的負(fù)載電容放電后形成反壓導(dǎo)致電源重復(fù)頻率充電起始基線漂移的問(wèn)題，從理論和仿真2方面分析得出電源測(cè)試回路中用到的水負(fù)載被擊穿后形成反壓之后，按過(guò)阻尼緩慢釋放是上述問(wèn)題形成的原因。數(shù)十微秒的電壓脈沖前沿和百歐姆電阻要求導(dǎo)致的高電導(dǎo)率限制了液體電阻負(fù)載絕緣能力的進(jìn)一步提高。

為此，研制了一套由三電極觸發(fā)氣體開(kāi)關(guān)和固態(tài)吸收電阻組成的重復(fù)頻率大功率負(fù)載系統(tǒng)。其中，固態(tài)吸收電阻為100 Ω，吸收功率大于20 kW。重復(fù)頻率大功率負(fù)載系統(tǒng)可50 Hz連續(xù)運(yùn)行，具備耐受80 kV微秒量級(jí)放電電壓能力。實(shí)驗(yàn)結(jié)果證實(shí)，所研制的重復(fù)頻率大功率負(fù)載系統(tǒng)解決了電源重復(fù)頻率充電起始基線漂移、負(fù)載充電時(shí)間延長(zhǎng)導(dǎo)致充電不滿的問(wèn)題，提升了電源測(cè)試重復(fù)頻率運(yùn)行的穩(wěn)定性。

1 電源測(cè)試原理

圖1為電源測(cè)試原理圖。電源測(cè)試系統(tǒng)由待測(cè)試的直流電源、高壓開(kāi)關(guān)、高壓脈沖電容、觸發(fā)器、氣體開(kāi)關(guān)、電阻負(fù)載、北極星PVM-100高壓測(cè)量探頭、示波器及控制計(jì)算機(jī)等組成。

圖1 電源測(cè)試原理圖Fig.1 Schematic diagram of power supply test

控制計(jì)算機(jī)對(duì)電源測(cè)試回路重復(fù)頻率運(yùn)行的控制過(guò)程為

(1) 控制計(jì)算機(jī)根據(jù)電源測(cè)試回路重復(fù)運(yùn)行頻率f控制高壓開(kāi)關(guān)閉合，直流電源輸出指定高壓Uout0給脈沖電容進(jìn)行充電。

(2) 充電計(jì)算機(jī)檢測(cè)充電時(shí)間T，如充電時(shí)間t超過(guò)給定閾值Tch，則給出充電超時(shí)報(bào)警信號(hào)，高壓接地開(kāi)關(guān)斷開(kāi)，測(cè)試回路不再運(yùn)行。

(3) 如直流電源在約定時(shí)間內(nèi)完成對(duì)高壓脈沖電容的充電，即有脈沖電容兩端電壓Uout=Uout0，則控制計(jì)算機(jī)切斷高壓開(kāi)關(guān)，結(jié)束充電，并給出觸發(fā)信號(hào)到觸發(fā)器，觸發(fā)器觸發(fā)氣體開(kāi)關(guān)導(dǎo)通，脈沖電容完成對(duì)負(fù)載電阻的1次放電，氣體開(kāi)關(guān)自動(dòng)關(guān)斷。

(4) 如重復(fù)運(yùn)行次數(shù)未達(dá)到約定值N，則重復(fù)步驟(1)，達(dá)到則結(jié)束運(yùn)行。

2 反壓現(xiàn)象及成因分析

2.1 反壓現(xiàn)象

設(shè)定直流電源輸出電壓Uout0為70 kV，電源測(cè)試回路重復(fù)運(yùn)行頻率f為50 Hz，目標(biāo)重復(fù)頻率運(yùn)行次數(shù)N為1 000，脈沖電容充電時(shí)間閾值Tch為16 ms。當(dāng)Uout0=70 kV時(shí)，水負(fù)載下實(shí)測(cè)電壓波形如圖2所示。由圖 2可見(jiàn)，當(dāng)前參數(shù)設(shè)置下的脈沖電容充電峰值電壓約為76.68 kV，在電路重復(fù)頻率運(yùn)行9次后，脈沖電容充電時(shí)間t=16.12 ms>Tch，重復(fù)頻率運(yùn)行停止。為緩解此現(xiàn)象，將脈沖電容充電電壓Uout0降為50 kV，其他參數(shù)不變，得到實(shí)測(cè)電壓波形，如圖3所示。由圖 3可見(jiàn)，雖然測(cè)試回路1 000次重復(fù)頻率運(yùn)行成功，但回路反壓?jiǎn)栴}未得到解決。反壓?jiǎn)栴}的重復(fù)出現(xiàn)進(jìn)一步的表征為回路放電后地線基準(zhǔn)的漂移及脈沖電容充電電壓峰值的逐漸增加。

圖2 Uout0=70 kV，水負(fù)載下實(shí)測(cè)電壓波形Fig.2 Waveform of measured voltage under water load when Uout0= 70 kV

圖3 Uout0=50 kV，水負(fù)載下實(shí)測(cè)電壓波形圖Fig.3 Waveform diagram of measured voltage under water load when Uout0= 50 kV

2.2 反壓成因分析

根據(jù)圖 1所示的電源測(cè)試原理圖，電源測(cè)試回路反壓的形成必然由RLC電路的欠阻尼振蕩導(dǎo)致。已知高壓脈沖電容的電容C為120 nF，通過(guò)電橋測(cè)試得到的水電阻負(fù)載在20 kHz時(shí)的電阻R為130 Ω。脈沖放電回路電感L為10 μH時(shí)，滿足

(1)

由式(1)可知，欠阻尼振蕩無(wú)法發(fā)生。因此，推測(cè)放電瞬間，水電阻負(fù)載被擊穿，電阻值迅速下降，導(dǎo)致式(1)不再滿足，欠阻尼振蕩及反壓形成。 反壓形成之后，由于高壓氣體開(kāi)關(guān)絕緣恢復(fù)，開(kāi)關(guān)電阻迅速攀升。反壓來(lái)不及回0，回路已處于過(guò)阻尼狀態(tài)?；?緩慢的反壓進(jìn)一步導(dǎo)致后續(xù)充電超時(shí)故障。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)證，水負(fù)載絕緣外殼存在明顯爬電痕跡，如圖4所示。

圖4 水負(fù)載絕緣外殼爬電痕跡Fig.4 The trace of electricity on the water load shell

為進(jìn)一步說(shuō)明水負(fù)載瞬時(shí)擊穿是毫秒量級(jí)反壓形成的原因，作電路模擬。圖5為水電阻負(fù)載擊穿下的電源測(cè)試模擬回路。

圖5 水電阻負(fù)載擊穿下的電源測(cè)試模擬回路Fig.5 Simulation of power supply test circuit under breakdown of water resistance load

圖5中：C3為反壓吸收電容；Lch為氣體開(kāi)關(guān)火花通道電感；Lch1～Lch6為回路寄生電感；Rch1～Rch2為連線電阻；Rout1～Rout2為回流限流電阻；D1～D4為電源內(nèi)部整流橋；Rgap為氣體開(kāi)關(guān)絕緣電阻；RL1為水負(fù)載擊穿電阻；RL2為水負(fù)載正常電阻；CRL1～CRL2為水電阻負(fù)載電感。

設(shè)定脈沖電容及反壓吸收電容初始時(shí)刻的充電電壓為-70 kV；水負(fù)載被擊穿后的電阻為1 Ω；水負(fù)載寄生電感為100 pF；氣體開(kāi)關(guān)火花通道電感為11.2 nH。0.9 μs后，氣體開(kāi)關(guān)恢復(fù)絕緣，電阻值攀升至5 kΩ。水負(fù)載電阻恢復(fù)到正常的100 Ω，寄生電感仍為100 pF，以此參數(shù)設(shè)定作電路模擬，得到水負(fù)載情況下，脈沖電容電壓Uout隨時(shí)間t的變化關(guān)系，如圖6所示。

圖6 水負(fù)載系統(tǒng)脈沖電容電壓隨時(shí)間的變化關(guān)系Fig.6 Uout vs. t of the water resistance system

對(duì)比如圖 6所示的模擬反壓和圖 2所示的實(shí)測(cè)電壓可見(jiàn)，圖 6很好地模擬了水負(fù)載被擊穿后反壓形成與緩慢復(fù)0的過(guò)程，理論上說(shuō)明水電阻負(fù)載被擊穿是毫秒量級(jí)反壓產(chǎn)生的原因。

3 重復(fù)頻率大功率負(fù)載系統(tǒng)研制

通過(guò)以上分析知，電源測(cè)試電路反壓的形成是由于水負(fù)載耐壓不夠?qū)е?。為克服上述?wèn)題，擬設(shè)計(jì)一套重復(fù)頻率大功率負(fù)載系統(tǒng)，包括三電極觸發(fā)型氣體火花開(kāi)關(guān)和固態(tài)吸收電阻系統(tǒng)2部分，圖7為重復(fù)頻率大功率負(fù)載系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，觸發(fā)氣體開(kāi)關(guān)如圖8所示。

圖7 重復(fù)頻率大功率負(fù)載系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.7 Structure of repetitive high-power load system

圖8 觸發(fā)氣體開(kāi)關(guān)Fig.8 Gas switch

提升特定阻值條件下，后級(jí)吸收電阻在微秒量級(jí)脈沖下的絕緣能力是克服反壓及引起的一系列問(wèn)題的關(guān)鍵。然而，在數(shù)十微秒的電壓脈沖前沿和百歐姆的電阻要求下，難以進(jìn)一步提升液體電阻負(fù)載的絕緣能力。所以，本文擬研制一種大功率固態(tài)吸收電阻系統(tǒng)，避免回路反壓?jiǎn)栴}并提高電源測(cè)試回路重復(fù)頻率運(yùn)行的可靠性。

根據(jù)電源測(cè)試系統(tǒng)要求，給出固態(tài)吸收電阻系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)，如表1所列。

表1 固態(tài)吸收電阻系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)Tab.1 Key parameters for high power solid state absorption resistance system

為滿足表1指標(biāo)要求，計(jì)劃通過(guò)多支電阻的串并聯(lián)完成大功率固態(tài)電阻系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。

首先，大功率固態(tài)電阻系統(tǒng)是為吸收前級(jí)脈沖電容所積蓄能量，脈沖電容C為120 nF，充電電壓U為80 kV時(shí)，則單次放電能量為

(2)

當(dāng)電源測(cè)試回路按頻率50 Hz運(yùn)行1 s時(shí)固態(tài)電阻系統(tǒng)需吸收的能量為

E=50E0=19.2 kJ

(3)

電阻R=100 Ω的固態(tài)電阻系統(tǒng)的耐受功率P應(yīng)滿足

P≥19.2 kW

(4)

若固態(tài)電阻系統(tǒng)通過(guò)m級(jí)子系統(tǒng)串聯(lián)，每一級(jí)子系統(tǒng)通過(guò)n支電阻并聯(lián)得到，則每個(gè)單只電阻需承受的功率Pm,n可表示為

(5)

單只電阻Rm,n可表示為

(6)

單只電阻耐壓Um,n可表示為

(7)

結(jié)合當(dāng)前技術(shù)條件和市場(chǎng)調(diào)研，確定使用玻璃釉類型電阻。通過(guò)20只電阻并聯(lián)得到固態(tài)電阻子系統(tǒng)，通過(guò)5級(jí)電阻子系統(tǒng)串聯(lián)得到固態(tài)電阻系統(tǒng)。根據(jù)式(5)-式(7)得到單只電阻的耐受功率及耐受電壓應(yīng)分別大于192 W，16 kV，單只電阻應(yīng)為400 Ω，據(jù)此選定單只電阻額定功率為200 W，電阻為400 Ω，耐受電壓為60 kV。通過(guò)對(duì)單只電阻的串并聯(lián)，得到固態(tài)電阻系統(tǒng)，模型如圖 9所示。

圖9 固態(tài)電阻系統(tǒng)模型Fig.9 Model of the solid resistance system

4 重復(fù)頻率大功率負(fù)載系統(tǒng)性能驗(yàn)證

為驗(yàn)證所提出方案的有效性，作電路仿真，圖10為固態(tài)電阻下的電源測(cè)試模擬回路。

圖10 固態(tài)電阻下的電源測(cè)試模擬回路Fig.10 Simulation of power supply test circuit under the solid resistance

通過(guò)以上參數(shù)設(shè)定，得到固態(tài)電阻情況下，脈沖電容電壓隨時(shí)間的變化關(guān)系，如圖11所示。

圖11 固態(tài)電阻系統(tǒng)脈沖電容電壓隨時(shí)間的變化關(guān)系Fig.11 Uout vs. t for the solid resistance system

由圖11可見(jiàn)，當(dāng)固態(tài)電阻耐受電壓為80 kV時(shí)，回路反壓現(xiàn)象在理論上可被避免。為驗(yàn)證固態(tài)電阻系統(tǒng)的電學(xué)性能，通過(guò)阻抗分析儀分析了圖10所示固態(tài)電阻子系統(tǒng)的電阻及電感隨頻率的變化關(guān)系分析，如圖 12所示。

圖12 固態(tài)電阻子系統(tǒng)的電阻及電感隨頻率的變化關(guān)系Fig.12 Resistance and inductance vs. frequency for the solid resistance subsystems

由圖 12可見(jiàn)，在頻率為102～ 106Hz時(shí)，固態(tài)電阻子系統(tǒng)的電阻穩(wěn)定在約20 Ω，固態(tài)電阻子系統(tǒng)的電感始終小于10 μH，滿足設(shè)計(jì)指標(biāo)。

用所設(shè)計(jì)的固態(tài)電阻負(fù)載系統(tǒng)替換水電阻負(fù)載，設(shè)定高壓整流輸出單機(jī)的充電電壓Uin0為300 V，輸出電壓Uout0為80 kV，電源測(cè)試回路運(yùn)行頻率f為50 Hz，目標(biāo)重復(fù)頻率運(yùn)行次數(shù)N為1 000。通過(guò)北極星PVM-100高壓探頭測(cè)得固態(tài)電阻系統(tǒng)脈沖電容兩端電壓Uout波形，如圖 13所示。

(a) Whole

(b) Local圖13 固態(tài)電阻系統(tǒng)脈沖電容兩端電壓波形Fig.13 Voltage waveform of the solid resistance system

由圖13可見(jiàn)，在使用固態(tài)電阻系統(tǒng)的條件下，電源測(cè)試回路1 000次重復(fù)頻率運(yùn)行正常。脈沖電容無(wú)反壓，地線基準(zhǔn)無(wú)明顯漂移。脈沖電容充電電壓峰值穩(wěn)定在80.78 kV左右，與設(shè)定值相當(dāng)。重復(fù)頻率運(yùn)行過(guò)程中，固態(tài)電阻系統(tǒng)無(wú)明顯發(fā)熱及放電等異?，F(xiàn)象。

5 結(jié)論

本文針對(duì)80 kV直流電源測(cè)試中，由回路反壓導(dǎo)致的地線基準(zhǔn)漂移、充電電壓增加和脈沖電容充電超時(shí)的問(wèn)題作了分析，證明了電源測(cè)試中所使用的水電阻負(fù)載耐壓不足是導(dǎo)致上述問(wèn)題的原因，設(shè)計(jì)了一套由三電極觸發(fā)氣體開(kāi)關(guān)和固態(tài)吸收電阻組成的重復(fù)頻率大功率負(fù)載系統(tǒng)。仿真和實(shí)測(cè)結(jié)果表明，該系統(tǒng)能避免回路反壓和提高電源測(cè)試重復(fù)頻率運(yùn)行的穩(wěn)定性。