CN102025348A - 一种开关与电容器一体化的快前沿核电磁脉冲源 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种开关与电容器一体化输出连续可调的快前沿核电磁脉冲源,其特征在于:开关地电极为同轴结构的外筒,开关运动触发电极和低电感储能电容自外向内依次构成同轴结构的内芯;开关运动触发电极与低电感储能电容之间留有开关间隙,低电感储能电容的构成为:在高压电极和低压电极之间为多个薄膜介质电容元器件串联,高压电极的一端置于开关间隙一侧,并通过接地电极一侧的通孔连接充电电缆。本发明回路紧凑、电感低,极大减小了输出脉冲的前沿,避免了使用Marx发生器多开关、多储能电容的结构,降低了系统的复杂程度,同时在不使用峰化电容、峰化开关时输出脉冲前沿满足IEC6100-2-9标准;同时,可以连续调节输出电压。

Description

一种开关与电容器一体化的快前沿核电磁脉冲源
技术领域
本发明涉及一种快前沿高电压脉冲发生器,特别涉及一种开关与电容器一体化输出连续可调的快前沿核电磁脉冲源,
背景技术
从20世纪60年代开始,核电磁脉冲(NEMP)及其工程防护技术受到各国普遍关注,世界上建造了许多电磁脉冲模拟器。早期建设的NEMP模拟器,如美国的ARES、Trestle、NEMPS模拟器,俄罗斯的IEMP26模拟器,荷兰的EMIS II模拟器等,一般是前沿约8~10ns,脉冲持续时间200~500ns。随着对NEMP认识的深入和标准的逐步修订,目前的研究热点是模拟产生新的快前沿EMP环境,研制快前沿电磁脉冲模拟器,前沿(从峰值的10%到90%的时间)为1~2ns、脉冲持续时间为几十ns。IEC通讯委员会(TC-77)已经将高空核爆炸电磁脉冲列为民用电子设备、电子系统和装置需要加以防护的高功率电磁环境。1996年出版的IEC6100-2-9与美国1999年8月发布的国家军用标准MIL-STD-461E都将NEMP波形规定:电场峰值要达到50kV/m、前沿为2.5±0.5ns、半峰宽(FWHM)为23±5ns,与以前标准相比,前沿更陡,脉宽更窄,峰值功率高几个数量级。我国也即将采用该标准。NEMP标准的改变会引起模拟、测量等试验手段的变化,对效应试验的结果也有影响。
NEMP模拟器一般由快前沿高压脉冲源、传输线、电场照射器(有界波、辐射电线或GTEM室)和波形(电压和场强)监测器等部分组成。国内近十年来开展了大量相关研究,但尚缺少输出电压连续可调、符合IEC6100-2-9标准的NEMP模拟器,特别是输出脉冲电压连续可调的快前沿脉冲驱动源。西北核技术研究所的孙蓓云等曾研制成功输出电压50kV的快前沿脉冲源,驱动空间1.5m×1.5m×1m、等效阻抗150Ω的有界波电磁脉冲模拟器,采用无峰化电容回路和有峰化电容回路,可产生电场达50kV/m、脉冲前沿分别为1.2ns和2.8ns、脉宽为50ns的电磁脉冲环境,但输出电压不能连续可调,连接50ΩGTEM室时的电场脉冲前沿达不到上述IEC标准要求。为了在实验室开展NEMP生物学效应研究,中国工程物理研究院的周启明等建立了由特性阻抗为50Ω的吉赫兹横电磁波传输室(GTEM室)和输出110kV、前沿为ns级高压脉冲源组成的封闭式NEMP模拟器,主要指标为:EMP前沿≤5ns、脉冲半高宽100~300ns、峰值场强(30~80)kV/m可调,脉冲源由Marx发生器、峰化电容和峰化开关组成,最高输出电压100kV,该脉冲源输出电压也不能连续调节,前沿不满足上述IEC新标准要求。石家庄军械工程学院的静电与防护技术研究所的范丽思等也研制了与GTEM室连接的快前沿NEMP源,脉冲源由Marx发生器和峰化装置构成。通过控制电磁阀,迅速放掉Marx发生器气体开关的高压氮气,触发Marx发生器,输出电压脉冲在250kV以上时前沿小于3ns,但在低电压下前沿大于4ns,采用Marx加峰化电容和峰化开关的结构,输出电压也不能连续可调。为满足产生IEC6100-2-9标准的NEMP电磁脉冲要求,本发明目的是研制一种前沿2ns、输出电压(0~120)kV连续可调的快前沿脉冲源,连接等效阻抗为50Ω的GTEM室时可产生NEMP模拟环境,具体参数:脉冲电场前沿2.5±0.5ns、半峰宽分别为25±5ns和190±10ns、电场强度(0~50)kV/m连续可调。
综上所述,传统NEMP模拟器的快前沿高压脉冲源通常采用Marx发生器的结构,原理(Marx发生器为4级)如图1所示,其中,Rc为充电/隔离电阻,C为储能电容,St为建立开关,Rg为接地电阻,Rt为触发电阻,Sp为峰化开关,T为输出线,ZL为GTEM室。当储能电容充电完毕后,开关被触发闭合,储能电容成串联结构,形成高压电脉冲,经峰化开关使前沿进一步陡化后施加到GTEM室,产生NEMP。由原理图可知,Marx发生器型快前沿高压脉冲源包含多级储能电容与气体开关,还包括大量的充电/隔离电阻、接地电阻及触发电阻,因此脉冲源结构复杂,体积大,造价高,而且受Marx发生器串联建立的限制,输出电压不能连续可调。
发明内容
要解决的技术问题
为了避免现有技术的不足之处,本发明提出一种开关与电容器一体化输出连续可调的快前沿核电磁脉冲源,脉冲源结构简单,体积小,造价低,输出电压能够连续可调。
本发明的思想在于:采用同轴型高压脉冲电容器与短间隙开关一体化、无峰化电容和峰化开关,组成紧凑低电感同轴结构,电容器绝缘介质与开关绝缘介质相同;在电容器充至要求的电压后,切断高压电源输出,同时通过触发电极高速运动,放电开关击穿,使储能电容器高压电极接地,避免了脉冲源输出多个电压脉冲,影响被试对象(EUT)的NEMP效应,电容器另外一端电极通过等阻抗传输线输出电压连续可调、相反极性、前沿2ns的脉冲到GTEM室,产生符合IEC6100-2-9标准、电场强度在(0~50)kV/m范围内连续可调NEMP电磁脉冲;通过共用高压充电电源,切换高压充电电极和采用不同容量的同轴电容器(FWHM)可分别产生25±5ns、190±10ns等多种脉宽的NEMP模拟环境;该设计思想也可直接产生100kV的快前沿高电压脉冲,用做触发器或用于脉冲电压下的绝缘材料击穿性能研究。
原理如图2所示:Rc为充电电阻,C为储能电容,St为开关,T为输出线,ZL为GTEM室。当储能电容充电完毕后,开关被触发闭合,储能电容一端接地,由于电容两端电势不能突变,因此在电容另一端形成高电压脉冲,经输出线施加到GTEM室,产生所需的NEMP。
技术方案
一种开关与电容器一体化输出连续可调的快前沿核电磁脉冲源,其特征在于包括充电电缆1、低电感储能电容2、开关运动触发电极3、接地电极4和输出线7;开关地电极4为同轴结构的外筒,开关运动触发电极3和低电感储能电容2自外向内依次构成同轴结构的内芯;开关运动触发电极3与低电感储能电容2之间留有开关间隙,且保证开关运动触发电极3沿轴线方向运动后的开关间隙为零;所述的低电感储能电容2的构成为:在高压电极5和低压电极6之间为多个薄膜介质电容元器件串联,每个电容元器件为薄膜和铝箔卷绕成芯层,高压电极5的一端置于开关间隙一侧,并通过接地电极4一侧的通孔连接充电电缆1;所述的同轴腔内和低电感储能电容2内充入高介电强度气体。
所述开关运动触发电极3与低电感储能电容2之间的开关间隙为2~10mm。
所述高介电强度气体为干燥空气、六氟化硫和氮气。
所述电容器元件内的薄膜为聚乙烯薄膜或聚脂薄膜。
所述的串联的多个薄膜介质电容元器件的数目与所需耐压的电压成正比,比例系数由采用薄膜的介电强度确定。
有益效果
本发明提出的开关与电容器一体化输出连续可调的快前沿核电磁脉冲源,由于高压脉冲电容器与短间隙开关一体化,回路紧凑、电感低,极大减小了输出脉冲的前沿,避免了使用Marx发生器多开关、多储能电容的结构,降低了系统的复杂程度,同时在不使用峰化电容、峰化开关时输出脉冲前沿满足IEC6100-2-9标准;同时,可以连续调节输出电压。
本发明提出的开关与电容器一体化设计的快前沿核电磁脉冲源,在连接50Ω负载时可以产生前沿2ns、输出电压(0~120)kV连续可调的高电压脉冲,直接驱动等效阻抗50Ω的GTEM小室(高压电极芯板距离接地电极板1.5m)可以产生电场强度(0~60)kV/m、前沿2.5±0.5ns、符合IEC6100-2-9标准的核电磁脉冲(NEMP)辐射模拟环境,可用于各种军用和民用电子电气设备与系统、生物等的核电磁脉冲效应机理与防护技术研究。
附图说明
图1:传统NEMP模拟器的快前沿高压脉冲源通常采用Marx发生器的结构;
Rc-充电/隔离电阻、C-储能电容、St-建立开关、Rg-接地电阻、Rt-触发电阻、Sp-峰化开关、T-输出线、ZL-GTEM室;
图2:本发明的原理图;
Rc-充电电阻、C-储能电容、St-开关、T-输出线、ZL-GTEM室;
图3:本发明实施例的原理结构图;
1-充电电缆、2-低电感储能电容、3-开关运动触发电极、4-接地电极、5-高压电极、6-低压电极、7-输出线。
具体实施方式
现结合实施例、附图对本发明作进一步描述:
本实施例包括充电电缆1、低电感储能电容2、开关运动触发电极3、接地电极4和输出线7;开关地电极4为同轴结构的外筒,开关运动触发电极3和低电感储能电容2自外向内依次构成同轴结构的内芯;开关运动触发电极3与低电感储能电容2之间留有开关间隙5mm,且保证开关运动触发电极3沿轴线方向运动后的开关间隙为零;所述的低电感储能电容2的构成为:在高压电极5和低压电极6之间为16个聚乙烯薄膜介质电容元器件串联,每个电容元器件为薄膜和铝箔卷绕成芯层,耐压要求为120千伏;高压电极5的一端置于开关间隙一侧,并通过接地电极4一侧的通孔连接充电电缆1;在同轴腔内和低电感储能电容2内充入高介电强度气体六氟化硫。
具体工作过程:储能电容充电至要求的电压,建立开关运动触发电极3向高压电极5高速运动,在运动时要求开关运动触发电极3与接地电极4保持良好电气接触;随着开关触发电极与高压电极间距的缩小,开关最终击穿闭合,低电感储能电容2的高压电极5接地,电容器的低压电极6通过传输线7输出快前沿的高电压脉冲。储能电容、开关与金属外壳构成同轴结构的放电回路,极大减小了电感,降低了输出脉冲的前沿,不使用峰化电容与峰化开关,直接施加到等效阻抗50Ω的GTEM室,可获得前沿2ns的高电压脉冲;建立开关的间隙可以从设计的工作电压最大值(直流大于120kV)通过开关运动触发电极3高速运动使间隙距离变为0mm,只需改变电容器充电电压,即可实现输出脉冲电压连续可调;在储能电容充电达到设定值后,利用可编程控制器(PLC)发出指令快速切断高压电源输出,同时发出指令使开关运动触发电极3高速运动使开关击穿放电,避免了脉冲源有可能输出几个连续电压脉冲影响被试对象的NEMP效应;共用高压充电电源,通过切换高压充电电路和采用不同容量的同轴电容器(FWHM)可分别产生25±5ns、190±10ns等多种脉宽的NEMP环境,为开展不同脉宽的NEMP效应机理与防护技术研究提供输出电压连续可调的快前沿脉冲。设计的高压脉冲源也可用作触发器或用于研究快脉冲电压下的材料绝缘性能。
采用图3的技术方案的结果为:当脉冲源连接到等效电阻为50Ω的电阻分压器负载,电容器充电电压为20、40、60、80kV时,输出波形如图4所示,横坐标为每格10ns,从波形可以看出前沿约2ns。电容器充电至100kV的输出波形如图5所示,横坐标为每格10ns,从波形可以看出前沿小于2ns。该脉冲源可以输出电压连续可调、前沿约2ns的电压脉冲,与GTEM室直接连接即可产生符合IEC6100-2-9标准的NEMP脉冲辐射环境。

Claims (5)

1.一种开关与电容器一体化的快前沿核电磁脉冲源,其特征在于包括充电电缆(1)、低电感储能电容(2)、开关运动触发电极(3)、接地电极(4)和输出线(7);开关地电极(4)为同轴结构的外筒,开关运动触发电极(3)和低电感储能电容(2)自外向内依次构成同轴结构的内芯;开关运动触发电极(3)与低电感储能电容(2)之间留有开关间隙,且保证开关运动触发电极(3)沿轴线方向运动后的开关间隙为零;所述的低电感储能电容(2)的构成为:在高压电极(5)和低压电极(6)之间为多个薄膜介质电容元器件串联,每个电容元器件为薄膜和铝箔卷绕成芯层,高压电极(5)的一端置于开关间隙一侧,并通过接地电极(4)一侧的通孔连接充电电缆(1);所述的同轴腔内和低电感储能电容(2)内充入高介电强度气体。
2.根据权利要求1所述的开关与电容器一体化的快前沿核电磁脉冲源,其特征在于:所述开关运动触发电极(3)与低电感储能电容(2)之间的开关间隙为2~10mm。
3.根据权利要求1所述的开关与电容器一体化的快前沿核电磁脉冲源,其特征在于:所述高介电强度气体为干燥空气、六氟化硫和氮气。
4.根据权利要求1所述的开关与电容器一体化的快前沿核电磁脉冲源,其特征在于:所述电容器元件内的薄膜为聚乙烯薄膜或聚脂薄膜。
5.根据权利要求1所述的开关与电容器一体化的快前沿核电磁脉冲源,其特征在于:所述的串联的多个薄膜介质电容元器件的数目与所需耐压的电压成正比,比例系数由采用薄膜的介电强度确定。
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