CN103490660B - 多路输出的高电压纳秒脉冲发生器 - Google Patents

Abstract

本发明一种多路输出的高电压纳秒脉冲发生器，建立一种高压脉冲源，由多个放电支路和一个大通流、低电感、低抖动的气体开关并联组成，利用气体开关控制所有支路的触发输出。每个支路对应一组输出，即使增加支路数，增加输出路数，支路放电回路电感基本不变，负载阻抗一定，则输出的高压脉冲幅值和前沿一定。放电支路采用模块化设计，绝缘可靠，结构紧凑，因此可以根据需求进行扩展。本发明能够满足几路甚至数十路、高电压、快前沿电脉冲同时输出的要求。

Description

多路输出的高电压纳秒脉冲发生器

技术领域

本发明涉及一种高电压脉冲发生器，它可以实现同时输出多路快前沿高电压脉冲。高压脉冲的幅值可达100kV～400kV，每路输出上升时间（10%～90%）小于30ns，脉宽大于50ns，输出路数可以根据需要进行扩展。

背景技术

百千伏快前沿高压脉冲发生器在脉冲功率技术领域和高电压电工技术领域已有较多应用。目前这种类型的脉冲发生器在脉冲功率技术领域一般用作高电压气体开关的触发器，在高电压电工技术领域用作过电压快脉冲源。然而该类型的脉冲源往往只能产生单路输出的高电压脉冲，很难同时产生大规模的高电压输出脉冲。

随着脉冲功率技术特别是快前沿直线变压器驱动源（FLTD）技术的发展，大型脉冲功率装置往往含有大量的气体开关，需要大量路数的高电压快前沿脉冲同时输入；对于高压电工领域来讲多路输出的脉冲源可以有效提高产品承受过电压能力检验的效率。而现有的脉冲发生器难以满足要求。产生多路脉冲输出通常的方法是在输出电极末端并联多根输出电缆，需要几路输出就并联几根电缆。然而实际上随着并联电缆路数的提高，脉冲源负载阻抗随之降低，脉冲输出电压幅值会随之降低，输出上升时间会随之增大，一般情况下输出路数小于10路，难以同时满足数十路甚至上百路同时输出、高电压、快前沿的要求。如果使用多台单路输出的触发器，带来很显著的问题是造价昂贵，而且多台触发器之间存在时延和抖动，对于设备之间的同步触发有较大影响。

发明内容

本发明的目的在于提供一种多路输出的高电压快前沿脉冲发生器，其能够满足几路甚至数十路、高电压、快前沿电脉冲同时输出的要求。

本发明的技术解决方案是：

一种多路输出的高电压纳秒脉冲发生器，其特殊之处在于：

包括良好接地的油箱、一个高电压气体开关和多路放电支路；所述高电压气体开关控制所有放电支路的触发输出；所述油箱中注入变压器油，所述高电压气体开关和所述多路放电支路放置在油箱中；所述多路放电支路沿油箱圆周布置；

所述放电支路包括至少一根高压输出同轴电缆、上电容器、绝缘支撑、下电容器、接地电阻；所述上电容器的一端与高电压气体开关的正极性高压电极相联，所述下电容器的一端与高电压气体开关的负极性高压电极相联，所述上电容器的另一端与高压输出同轴电缆的皮线相联，所述高压输出同轴电缆的芯线穿过绝缘支撑后联接至下电容器的另一端，所述接地电阻的两端分别与高压输出同轴电缆的芯线和皮线相联。

上述放电支路还包括相互平行靠近且绝缘设置的上连接板和下连接板；所述上电容器通过上连接板接至高电压气体开关的正极性高压电极；所述下电容器通过下连接板接至高电压气体开关的负极性高压电极。

还包括设置在上电容器和下电容器之间的中间绝缘板10、设置在上电容器和油箱之间的上绝缘板8以及设置在下电容器和油箱之间的下绝缘板9。

上述高压输出同轴电缆的阻抗为50欧姆；所述上电容器和下电容器采用80nF/100kV双端引出的塑壳电容器；所述接地电阻采用1000欧姆电阻；所述上绝缘板、中绝缘板和下绝缘板为尼龙或者聚乙烯材料。

本发明的有益效果是：

1、脉冲发生器的输出脉冲电压幅值高，前沿快，且能多路输出；

2、多路脉冲是同时输出的，便于与其他设备同步；

3、脉冲发生器结构简单，采用模块化设计，方便进行输出路数的扩展且扩展后的输出的脉冲参数基本不变。

附图说明

图1是20支路同时输出的幅值300kV，前沿小于25ns的脉冲发生器的布局示意图；

图2是脉冲发生器中单个放电支路的截面示意图；

图3是脉冲发生器的输出波形图；

图中：1-油箱，21-上电容器，22-下电容器，3-气体开关，4-高压输出同轴电缆，5-接地电阻，6-上连接板，7-下连接板，8-上绝缘板，9-下绝缘板，10-中间绝缘板，11-绝缘支撑。

具体实施方式

一种20支路同时输出的幅值300kV，前沿小于25ns的脉冲发生器，如图1所示。该脉冲发生器主要由10路放电支路和一只高电压气体开关1构成，每路放电支路带两根阻抗50欧姆的高压输出同轴电缆4。各个放电支路沿圆周布置，通过上连接板6接至气体开关3上。整个脉冲发生器置于良好接地的油箱1中。油箱1注入变压器油以增加脉冲源的绝缘强度。

脉冲发生器中单个放电支路的截面示意图如图2所示。电容器2采用80nF/100kV双端引出的塑壳电容器。将两只电容器上下布置，同轴电缆4的芯线接至下电容器22的一端，皮线接至上电容器21的同一端。为保证绝缘强度，同轴电缆4的芯线需穿过尼龙材料制作的绝缘支撑11接至电容器上。1000欧姆接地电阻5与同轴电缆并联用于给电容器充电和保护脉冲源。电容器通过上连接板6和下连接板7接至气体开关3的两端。为了减小放电支路的电感，连接板6和7应在保证绝缘的情况下与中间绝缘板10紧密贴合。两电容器之间垫绝缘板10，绝缘板为尼龙或者聚乙烯等材料制作，厚度约10mm，防止连接板击穿。上绝缘板8和下绝缘板9为尼龙或者聚乙烯等材料制作，用来防止开关两端高压电极与油箱壁击穿。

本发明的工作过程如下：在工作时，通过气体开关正负电极分别施加正负极性的电压在上连接板6和下连接板7之间，地线接至油箱壁，使脉冲源中所有电容器充上电。将触发脉冲施加于开关的触发电极，开关导通后在接地电阻两端获得高压脉冲。由于每个放电支路带两根输出电缆，放电支路负载阻抗（约25Ω）远大于脉冲源的内阻抗（约2.5Ω），在接地电阻5两端可以获得幅值约为充电电压的快前沿脉冲。当开关两端的充电电压大于±80kV，触发电缆末端为高阻状态时，电脉冲波在末端发生反射，考虑到损耗，输出电缆末端电压可以达到300kV。理论计算得到脉冲发生器单个放电支路电感约为250nH。电路模拟得到一个支路带2路8m电缆情况下，输出波形如图3所示。

在电容器充电±80kV情况下，20支路纳秒脉冲发生器输出脉冲前沿20ns，幅值300kV。

本发明的技术思路是：

建立一种高压脉冲源，由多个放电支路和一个大通流、低电感、低抖动的气体开关并联组成，利用气体开关控制所有支路的触发输出。每个支路对应一组输出。即使增加支路数，增加输出路数，支路放电回路电感基本不变，负载阻抗一定，则输出的高压脉冲幅值和前沿一定。放电支路采用模块化设计，绝缘可靠，结构紧凑，因此可以根据需求进行扩展。

一个放电支路由一根高压输出的同轴电缆、接地电阻和上下布置的两只双端连接的电容器组成。同轴电缆外皮接一只电容器的一端，芯线接另一只电容器的一端。接地电阻与输出同轴电缆并联。接地电阻由盐溶液制作而成，用于脉冲产生和放电保护。每个支路的电容器电容值和搭载同轴电缆的根数可依据所需要的脉冲电压和上升时间的输出指标确定。

脉冲发生器所含支路数一般为2到20。各个放电支路沿气体开关（气体火花开关）圆周布置，连接输出电缆的一端在外圈，两只电容器电极接口在内圈。电容器通过上下两块金属板与气体开关连接。

为了保证绝缘，脉冲源整体置于装有变压器的油箱内。为了使放电支路结构尽量紧凑，放电支路的两电容器之间垫上绝缘材料制作的薄板，电容器与电缆芯线、外皮的连接通过金属板连接，金属板中间用尼龙等绝缘材料的垫块隔开，垫块上开有便于电缆插入的导引孔。气体开关两端的金属板以垫绝缘薄板的方式在保证绝缘的情况下尽量靠近。

Claims (4)

1.一种多路输出的高电压纳秒脉冲发生器，其特征在于：

包括良好接地的油箱、一个高电压气体开关和多路放电支路；所述高电压气体开关具有一个正极性高压电极、一个负极性高压电极和一个触发电极，所述高电压气体开关控制所有放电支路的触发输出；所述油箱中注入变压器油，所述高电压气体开关和所述多路放电支路放置在油箱中；所述多路放电支路沿油箱圆周布置；

所述放电支路包括至少一根高压输出同轴电缆、上电容器、绝缘支撑、下电容器、接地电阻；所述上电容器的一端与高电压气体开关的正极性高压电极相联，所述下电容器的一端与高电压气体开关的负极性高压电极相联，所述上电容器的另一端与高压输出同轴电缆的皮线相联，所述高压输出同轴电缆的芯线穿过绝缘支撑后联接至下电容器的另一端，所述接地电阻的两端分别与高压输出同轴电缆的芯线和皮线相联。

2.根据权利要求1所述的多路输出的高电压纳秒脉冲发生器，其特征在于：所述放电支路还包括相互平行靠近且绝缘设置的上连接板和下连接板；所述上电容器通过上连接板接至高电压气体开关的正极性高压电极；所述下电容器通过下连接板接至高电压气体开关的负极性高压电极。

3.根据权利要求1或2所述的多路输出的高电压纳秒脉冲发生器，其特征在于：还包括设置在上电容器和下电容器之间的中间绝缘板(10)、设置在上电容器和油箱之间的上绝缘板(8)以及设置在下电容器和油箱之间的下绝缘板(9)。

4.根据权利要求3所述的多路输出的高电压纳秒脉冲发生器，其特征在于：所述高压输出同轴电缆的阻抗为50欧姆；所述上电容器和下电容器采用80nF/100kV双端引出的塑壳电容器；所述接地电阻采用1000欧姆电阻；所述上绝缘板、中绝缘板和下绝缘板为尼龙或者聚乙烯材料。