CN104333350A

CN104333350A - 一种电缆储能的多路高压脉冲发生装置

Info

Publication number: CN104333350A
Application number: CN201410644321.5A
Authority: CN
Inventors: 陈学秒; 王桂吉; 赵剑衡; 税荣杰; 吴刚; 罗斌强; 孙承纬; 谭福利; 胥超
Original assignee: Institute of Fluid Physics of CAEP
Current assignee: Institute of Fluid Physics of CAEP
Priority date: 2014-11-14
Filing date: 2014-11-14
Publication date: 2015-02-04
Anticipated expiration: 2034-11-14
Also published as: CN104333350B

Abstract

本发明公布了一种电缆储能的多路高压脉冲发生装置，包括螺旋线脉冲发生器，螺旋线脉冲发生器通过触发电阻连接在触发开关上，触发开关的充电接口上连接充电电缆，触发开关通过储能电缆与隔离电容连接，隔离电容的触发输出电缆插孔上连接有触发输出电缆。本发明通过螺旋线脉冲发生器触发开关放电，同轴储能电缆内芯电位突变，经过隔离电容输出高压脉冲，输出脉冲上升速率较快，可达20kV/ns，抖动低，不超过2ns，有较强的抗干扰能力，且容易扩展到多路输出，输出脉冲幅值可达百kV，上升时间为几ns；相对于现有技术而言，具有明显的进步。

Description

一种电缆储能的多路高压脉冲发生装置

技术领域

本发明涉及脉冲功率技术领域，具体是指一种电缆储能的多路高压脉冲发生装置。

背景技术

高电压快脉冲发生装置在大功率装置中有着重要应用，在近几十年得到迅速发展，脉冲发生装置已达到较高水平，开路时，输出幅值可到到100kV以上，上升时间以及延时抖动均可小于10ns。随着应用需求越来越苛刻，对高压脉冲发生装置的需求也越来越高，例如大型脉冲功率装置要具有波形调节能力，需通过不同高压脉冲发生器触发不同电容器组放电实现，由此需要高压脉冲发生器具有较强的抗干扰能力，不受其他组电路放电所影响，同时也要具有低延时抖动，才具放电时间调节能力。

目前已有触发系统中Marx触发器输出幅值较高，上升速率快，但其结构复杂，难以扩展到多路；激光触发气体开关型脉冲触发器抖动较低，但开关结构复杂，电感较大，因此对输出脉冲上升沿造成负面影响；基于氢闸流管的触发器输出幅值较低，抗干扰能力也较差。

发明内容

本发明的目的在于提供一种电缆储能的多路高压脉冲发生装置，解决目前实验装置的抖动较大，容易受外环境干扰误触发放电问题。

本发明的目的通过下述技术方案实现：

一种电缆储能的多路高压脉冲发生装置，包括螺旋线脉冲发生器，螺旋线脉冲发生器通过触发电阻连接在触发开关上，触发开关的充电接口上连接充电电缆，触发开关通过储能电缆与隔离电容连接，隔离电容的触发输出电缆插孔上连接有触发输出电缆。本发明通过螺旋线脉冲发生器触发开关放电，同轴储能电缆内芯电位突变，经过隔离电容输出高压脉冲，输出脉冲上升速率较快，可达20kV/ns，抖动低，不超过2ns，有较强的抗干扰能力，且容易扩展到多路输出，输出脉冲幅值可达百kV，上升时间为几ns；相对于现有技术而言，具有明显的进步。

所述的螺旋线脉冲发生器包括相互平行的输入盖板与输出盖板，输出盖板固定在支撑板上，支撑板通过支撑杆固定在触发开关上，在输入盖板与输出盖板之间安装有同轴套装的内筒、外筒，在内筒外侧缠绕有由两层扁平铜导线与两层绝缘膜间隔分布形成的螺旋带，螺旋带的两层铜带之间通过开关连接，在所述的输入盖板上设置有两个高压连接器，其中一个高压连接器与开关的触发电极连接，另一个高压连接器连接螺旋带的内层铜导线的一端，螺旋带的内层铜导线的另一端悬空，螺旋带的外层铜导线的一端通过接地线接地，其另一端经脉冲陡化间隙后连接在触发开关的触发电阻上。螺旋带由两层扁平铜导线与两层绝缘膜绕在内筒上，两层铜导线之间由开关连接，螺旋带外套有外筒，内筒与外筒均固定在输入盖板与输出盖板之间，输出盖板固定在支撑板以及支撑杆上，输入盖上装有两个高压连接器，其中一个高压连接器连接螺旋带内层铜导线，用于充电，充至4～5kV高压，另一个高压连接器连接开关的触发极，螺旋带的内层铜导线另一端悬空，螺旋带外层铜导线一端通过接地线接地，一端经脉冲陡化间隙后抖化后输出，用于触发下级开关，其工作原理为：在开关闭合前，螺旋带铜线上和铜线间电压值和为0，开关闭合后，入射波从此处开始向铜线另一端传播，传播过程中，原先以静电场方式储存在铜线间的电场能转化为磁场能，并逐渐把相邻螺旋带铜线之间形成的电容串联起来，同时电压波把经过路径上的充电电压抵消，当电压波到达铜线另一端时，此时铜线两端电压变为nU₀，n为铜线匝数，U₀为初始充电电压，之后，由于处于开路，电压波从此处向开关端反射，从此端开始出现于充电电压极性相反的电压，开始对铜线再充电，磁场能再次转化为电场能，当反射波到达开关时，铜线两端的电压变为2nU₀，理论上最大电压可达最大值2nU₀，因存在开关的电阻损耗、传输线电阻及介质损耗、相邻同轴电容之间的漏感损失,故实际输出值U₁比理论值2nU₀小，该螺旋线脉冲发生器特点是抗干扰能力较强，由于其开关需要几kV电压方能触发放电，故不容易受到外界环境干扰，但其上升时间较长，在充电电压不太高的条件下，为实现较高电压输出，需要绕制较多的匝数，电压波从开关传播到另一端再次放射回来时输出电压幅值达到最大，由于匝数多，电压波所经过路径较长，故上升时间较长，达到上百ns，应此，在触发下一级开关时加一个抖化间隙以减小上升时间。

所述的触发开关包括一个底部封闭而上端开口的圆筒状外箱，外箱的开口端安装上端盖，上端盖与外箱之间设置硅橡胶垫进行密封并形成密闭容腔，在外箱内设置有绝缘内筒，在容腔内安装有一个通过绝缘拉杆固定在上端盖上的充电盖板，在所述的充电盖板上设置线缆输入端接口、以及高压电极，线缆输入端接口连接储能电缆的内芯，储能电缆外芯在储能电缆接口处连接上端盖，在高压电极上方设置有触发电极，触发电极的顶部连接隔离间隙下电极，触发电极通过触发隔离绝缘子固定在地电极上，地电极固定安装在上端盖上，在触发隔离绝缘子上设置有隔离间隙绝缘子，在隔离间隙绝缘子上安装有电极帽，在隔离间隙绝缘子内安装有隔离间隙上电极，隔离间隙上电极穿过电极帽与触发电阻连接。工作原理为，储能电缆的内芯连接高压电极，储能电缆的外芯接地电极并通过上端盖接地，电极间充SF6气体作为绝缘介质，高压极充高电压U，此电压U小于其中所充SF6气体的击穿电压，当螺旋线脉冲发生器放电产生的电压U1施加在触发级上时，由于极性相反，电压差达到U+U1,超过SF6气体的击穿电压，开关导通放电。

所述的隔离电容包括一个下端封闭上端开口圆筒状的油箱，在油箱的开口端固定有上盖板，在上盖板上通过绝缘螺杆连接有位于油箱内的上夹板和下夹板，在上夹板和下夹板之间安装有串联的隔离电容，在上夹板上设置有连接储能电缆输出端的上夹板电极，在下夹板上设置有连接触发输出电缆的下夹板电极，在上盖板上还设置有触发输出电缆插孔、以及电缆插孔，所述的下夹板电极之间通过充电连接条连接，充电连接条连接充电电缆后从电缆插孔引出。开关导通，储能电缆内外芯之间导通放电，外芯接地，电位不变，内芯电位突变，由U变为0，隔离电容两端电势差不能发生突变，输出电缆上也会产生一个电压波U向输出端传播，到达输出端后由于开路发生反射，并向隔离电容以及开关处传播，电压波过后，电压变为2U，之后再在开关处发生由于短路负反射，电压波来回传播，如果输出电缆初始处于0电位，理论上输出端上会出现电压幅值为2U的方波，极性与充电电压相反，脉宽为电压波经过储能电缆与输出电缆时间的两倍。

本发明与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：

1本发明一种电缆储能的多路高压脉冲发生装置，通过螺旋线脉冲发生器触发开关放电，同轴储能电缆内芯电位突变，经过隔离电容输出高压脉冲，输出脉冲上升速率较快，可达20kV/ns，抖动低，不超过2ns，有较强的抗干扰能力，且容易扩展到多路输出，输出脉冲幅值可达百kV，上升时间为几ns；相对于现有技术而言，具有明显的进步；

2本发明一种电缆储能的多路高压脉冲发生装置，输出延时抖动较小，小于2ns，用于触发数十路放电开关的脉冲功率装置，可有效降低整机的抖动，由于初级螺旋线脉冲发生器导通开关需要较高的电压（几kV）触发导通，因此具有较强的抗电磁干扰的能力，容易扩展到数十路输出，多路共用一个开关，有很好的同步。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施例的限定。在附图中：

图1为本发明整体连接结构示意图；

图2为本发明中螺旋线脉冲发生器的主视图；

图3为图2中C-C向的剖视图；

图4为图2的俯视图；

图5为图4中B-B向剖视图；

图6为本发明触发开关的整体结构示意图；

图7为本发明触发开关的半剖结构示意图；

图8为本发明隔离电容的外部整体结构示意图；

图9为本发明隔离电容的俯视图；

图10为图9中A-A向剖视图；

图11为本发明实施例中多次放电输出的曲线。

附图中标记及相应的零部件名称：

1-螺旋线脉冲发生器，2-充电电缆，3-触发电阻，4-储能电缆，5-触发开关，6-触发输出电缆，7-隔离电容，101-输入盖板，102-输出盖板，103-支撑板，104-内筒，105-外筒，106-螺旋带，107-开关，108-触发电极，109-接地线，110-脉冲陡化间隙，501-外箱，502-上端盖，503-硅橡胶垫，504-绝缘内筒，505-绝缘拉杆，506-充电盖板，507-线缆输入端接口，508-高压电极，509-触发电极，510-触发隔离绝缘子，511-隔离间隙绝缘子，512-电极帽，513-地电极，514-隔离间隙下电极，515-隔离间隙上电极，516-储能电缆接口，517-充电接口，701-油箱，702-上盖板，703-绝缘螺杆，704-上夹板，705-下夹板，706-隔离电容，707-上夹板电极，708-下夹板电极，709-触发输出电缆插孔，710-电缆插孔，711-充电连接条。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。

实施例

如图1所示，本发明一种电缆储能的多路高压脉冲发生装置，包括螺旋线脉冲发生器1，螺旋线脉冲发生器1通过触发电阻3连接在触发开关5上，触发开关5的充电接口517上连接充电电缆2，触发开关5通过储能电缆4与隔离电容7连接，隔离电容7的触发输出电缆插孔710上连接有触发输出电缆6；本实施例采用三级逐级触发形式：第一级为幅度5kV的脉冲，用于触发螺旋线脉冲发生器，第二级为螺旋线脉冲发生器输出约55kV脉冲，第三级为储能电缆内外芯放电，在隔离电容部分另一端的输出电缆输出100kV高压脉冲；其中螺旋线脉冲发生器1的具体结构如图2至图5所示：包括相互平行的输入盖板101与输出盖板102，输出盖板102固定在支撑板103上，支撑板103通过支撑杆111固定在触发开关5上，在输入盖板101与输出盖板102之间安装有同轴套装的内筒104、外筒105，在内筒104外侧缠绕有由两层扁平铜导线与两层绝缘膜间隔分布形成的螺旋带106，螺旋带106的两层铜带之间通过开关107连接，采用冷阴极触发管，工作电压为3～5kv，击穿延时抖动小于2ns；在输入盖板101上设置有两个高压连接器112，其中一个高压连接器112与开关107的触发电极108连接，另一个高压连接器112连接螺旋带106的内层铜导线的一端，用于充电至4～5kV高压；螺旋带106的内层铜导线的另一端悬空，螺旋带106的外层铜导线的一端通过接地线109接地，其另一端经脉冲陡化间隙110后连接在触发开关5的触发电阻3上；在开关107触发级上施加一个极性与充电电压相反的5kV高压时，开关107导通放电，外层铜导线接抖化间隙端产生一个50～60kV的高压脉冲，触发下一触发开关5放电；触发开关5的具体结构如图6至图7所示，包括一个底部封闭而上端开口的圆筒状外箱501，外箱501的开口端通过内六角圆柱头螺钉安装有上端盖502，上端盖502与外箱501之间设置硅橡胶垫503进行密封并形成密闭容腔，在该容腔内注入变压器油，在外箱501内设置有绝缘内筒504，在容腔内安装有一个通过绝缘拉杆505固定在上端盖502上的充电盖板506，在充电盖板506上设置线缆输入端接口507、以及高压电极508，充电盖板506上线缆输入端接口507用于储能电缆4内芯输入端以及充电电缆，储能电缆内芯充电至55kV左右，储能电缆外芯连接上端盖502并接地，充电电缆2经充电电缆插孔引出；线缆输入端接口507连接储能电缆4的内芯，线缆输入端接口507通过储能电缆接口516与储能电缆4连接，在高压电极508上方设置有触发电极509，触发电极509的顶部连接隔离间隙下电极514，触发电极509通过触发隔离绝缘子510固定在地电极513上，地电极513固定安装在上端盖502上，在触发隔离绝缘子510上设置有隔离间隙绝缘子511，在隔离间隙绝缘子511上安装有电极帽512，在隔离间隙绝缘子511内安装有隔离间隙上电极515，隔离间隙上电极515穿过电极帽511与触发电阻3连接；隔离电容的具体结构如图8至图10所示，包括一个下端封闭上端开口圆筒状的油箱701，在油箱701的开口端通过内六角圆柱头螺钉固定有上盖板702，在油箱701内注入变压器油，在上盖板702上通过绝缘螺杆703连接有位于油箱701内的上夹板704和下夹板705，在上夹板704和下夹板705之间安装有串联的隔离电容706，在上夹板704上设置有连接储能电缆4输出端的上夹板电极707，在下夹板705上设置有连接触发输出电缆6的下夹板电极708，在上盖板702上还设置有触发输出电缆插孔709、以及电缆插孔710，下夹板电极708之间通过充电连接条711连接，充电连接条711连接充电电缆后从电缆插孔710引出；每一根触发输出电缆可组成一路高压输出，充电连接条接充电电缆由电缆插孔710引出，充电电缆上可根据下级开关触发级导通前电压具体需求施加高压。

本实施例中，螺旋线脉冲发生器1放电产生的50～60kV高压脉冲施加在开关部分5包括触发电极509上，其极性与储能电缆内芯所加高压极性相反，触发电极509、地电极513、高压电极508之间击穿导通，储能电缆4内芯电位突变，隔离电容706两端电势差不能突变，则触发输出电缆上电位同样突变，在输出端上由于开路发生反射，形成两倍于充电电压的极性相反的高压脉冲输出，其输出脉宽如下：，其中为储能电缆与输出电缆的总长度，实施例中储能电缆长10m，输出电缆长5m，共15m，为电压波在电缆中的传播速度，约为0.2m/ns，理论上脉宽约为150ns；图11为充+55kV条件下多次放电输出结果，从图中曲线可以看出本装置的输出延时抖动小于2ns，具有较强的抗干扰能力，输出脉冲幅值与脉宽均与理论结果符合较好。

以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种电缆储能的多路高压脉冲发生装置，其特征在于：包括螺旋线脉冲发生器（1），螺旋线脉冲发生器（1）通过触发电阻（3）连接在触发开关（5）上，触发开关（5）的充电接口（517）上连接充电电缆（2），触发开关（5）通过储能电缆（4）与隔离电容（7）连接，隔离电容（7）的触发输出电缆插孔（710）上连接有触发输出电缆（6）。

2.根据权利要求1所述的一种电缆储能的多路高压脉冲发生装置，其特征在于：所述的螺旋线脉冲发生器（1）包括相互平行的输入盖板（101）与输出盖板（102），输出盖板（102）固定在支撑板（103）上，支撑板（103）通过支撑杆（111）固定在触发开关（5）上，在输入盖板（101）与输出盖板（102）之间安装有同轴套装的内筒（104）、外筒（105），在内筒（104）外缠绕有由两层扁平铜导线与两层绝缘膜间隔分布形成的螺旋带（106），螺旋带（106）的两层铜带之间通过开关（107）连接，在所述的输入盖板（101）上设置有两个高压连接器（112），其中一个高压连接器（112）与开关（107）的触发电极（108）连接，另一个高压连接器（112）连接螺旋带（106）的内层铜导线的一端，螺旋带（106）的内层铜导线的另一端悬空，螺旋带（106）的外层铜导线的一端通过接地线（109）接地，其另一端经脉冲陡化间隙（110）后连接在触发开关（5）的触发电阻（3）上。

3.根据权利要求1所述的一种电缆储能的多路高压脉冲发生装置，其特征在于：所述的触发开关（5）包括一个底部封闭而上端开口的圆筒状外箱（501），外箱（501）的开口端安装上端盖（502），上端盖（502）与外箱（501）之间设置硅橡胶垫（503）进行密封并形成密闭容腔，在外箱（501）内设置有绝缘内筒（504），在容腔内安装有一个通过绝缘拉杆（505）固定在上端盖（502）上的充电盖板（506），在所述的充电盖板（506）上设置线缆输入端接口（507）、以及高压电极（508），线缆输入端接口（507）连接储能电缆（4）的内芯，储能电缆（4）外芯在储能电缆接口（516）处连接上端盖，处在高压电极（508）上方设置有触发电极（509），触发电极（509）的顶部连接隔离间隙下电极（514），触发电极（509）通过触发隔离绝缘子（510）固定在地电极（513）上，地电极（513）固定安装在上端盖（502）上，在触发隔离绝缘子（510）上设置有隔离间隙绝缘子（511），在隔离间隙绝缘子（511）上安装有电极帽（512），在隔离间隙绝缘子（511）内安装有隔离间隙上电极（515），隔离间隙上电极（515）穿过电极帽（511）与触发电阻（3）连接。

4.根据权利要求1所述的一种电缆储能的多路高压脉冲发生装置，其特征在于：所述的隔离电容（7）包括一个下端封闭上端开口圆筒状的油箱（701），在油箱（701）的开口端固定有上盖板（702），在上盖板（702）上通过绝缘螺杆（703）连接有位于油箱（701）内的上夹板（704）和下夹板（705），在上夹板（704）和下夹板（705）之间安装有串联的隔离电容（706），在上夹板（704）上设置有连接储能电缆（4）输出端的上夹板电极（707），在下夹板（705）上设置有连接触发输出电缆（6）的下夹板电极（708），在上盖板（702）上还设置有触发输出电缆插孔（709）、以及电缆插孔（710），所述的下夹板电极（708）之间通过充电连接条（711）连接，充电连接条（711）连接充电电缆后从电缆插孔（710）引出。