CN106452157B - 一种基于三板传输结构的强脉冲电流装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于三板传输结构的强脉冲电流装置，包括整体呈圆环形的三板传输线，所述圆环形的三板传输线分成多个扇形区域，在每个扇形区域的下方均安装有一组储能模块，三板传输线通过同圆心的两板传输线连接至圆心上的负载形成回路。本发明通过将三板传输线、两板传输线设置成同心的圆环状结构，其圆心处作为负载的加载位置，将圆环形的三板传输线分割成若干扇形区域，通过在每个扇形区域内安装储能模块组的方式，可以使得储能模块组的数量大大增加，同时由于圆环状的分布方式，使得其传输的距离大大减少，极大地降低了阻抗，保证了加载在负载上电压的同步性，结构更为紧凑。
Description
技术领域
本发明涉及脉冲功率技术领域，具体涉及一种基于三板传输结构的强脉冲电流装置。
背景技术
强脉冲电流装置是指通过相对较长时间储能，然后快速压缩、转换，最终瞬间释放给负载的装置，通常其工作电压103～107V，产生强脉冲电流103～107A，脉宽10-5～10-10s。强脉冲电流装置在材料科学、地球和行星科学、流体动力学、高能量密度物理等学科领域有重要应用前景。
目前国际上从事脉冲大电流装置研究的国家主要有美国、法国、英国和中国等国家，强脉冲电流装置主要分为三类，一类是目前研究国际上正在积极开展研究的直线变压器型驱动源，电容器通过开关放电提供初级电流，通过磁芯耦合到次级实现能量叠加；第二类是通过传统Marx发生器技术，产生强流高压脉冲，通过多级脉冲压缩，产生上升时间百ns的脉冲输出，例如圣地亚实验室的Z/ZR机器和中物院流体物理研究所的PTS装置；第三类是通过低电感电容器储能技术、低电感传输线技术和平行板或电缆传输紧凑型实验装置，该类型装置代表主要有VELOCE(平板传输)、GEPI(平板传输)、CQ-4(平板传输)，CQ-3(电缆传输)等。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于三板传输结构的强脉冲电流装置，解决现有技术中脉冲大电流装置存在的结构松散、阻抗大的问题。
本发明通过下述技术方案实现：
一种基于三板传输结构的强脉冲电流装置，包括整体呈圆环形的三板传输线，所述圆环形的三板传输线分成多个扇形区域，在每个扇形区域的下方均安装有一组储能模块，三板传输线通过同圆心的两板传输线连接至圆心上的负载形成回路。本发明通过将三板传输线、两板传输线设置成同心的圆环状结构，其圆心处作为负载的加载位置，将圆环形的三板传输线分割成若干扇形区域，通过在每个扇形区域内安装储能模块组的方式，可以使得储能模块组的数量大大增加，同时由于圆环状的分布方式，使得其传输的距离大大减少，极大地降低了阻抗，保证了加载在负载上电压的同步性，结构更为紧凑。
具体地讲，所述的三板传输线包括从上至下依次叠放的上传输板、上固体绝缘层、中传输板、下固体绝缘层、以及下传输板；在三板传输线下方设置有与储能模块一一对应的绝缘桶。本发明通过采用上传输板、固体绝缘层、中传输板、固体绝缘层、以及下传输板叠放平铺的方式，可以使得其结构更加紧凑，同时在过渡阶段利用上传输板和下传输板融合连接形成一个整板的方式，可以极大地减小传输线路的阻抗，通过螺栓固定的方式，可以使得整个传输板结构紧凑，在下传输板的下方吊挂绝缘桶，在绝缘筒内安装储能模块的方式，可以使得一个传输板上设置多个储能电容，极大地扩展了储能的能力，同时增加了储能模块之间的抗干扰性，提升了整体的稳定性。
具体地讲，所述安装在每个扇形区域的储能模块为偶数个，其中一半数量的储能模块连接至上传输板和中传输板，另一半数量的储能模块连接至下传输板和中传输板。每个储能模块均包括两个储能电容，两个储能电容分别通过独立的连接杆分别连接至上传输板、中传输板，充电时，其中一个储能电容通过大电阻充正电，另一个储能电容通过大电阻充负电，两个储能电容均连接至气体开关，当气体开关动作闭合时储能电容放电，经过上传输线、负载、中传输线形成回路，完成测试。
所述储能模块连接至上传输板和中传输板的连接方式为：每个包括两个储能电容，其中一个储能电容通过上连接杆与上传输板连接，另一个储能电容通过中连接杆一与中传输板连接，两个电容均连接至气体开关；所述储能模块连接至下传输板和中传输板的连接方式为：每个包括两个储能电容，其中一个储能电容通过下连接杆与下传输板连接，另一个储能电容通过中连接杆二与中传输板连接，两个电容均连接至气体开关。两个电容器的一端连接气体开关，另一端通过连接杆连接在三板传输线上，储能模块通过两种连接方式连接在三板传输线上，一种连接上传输板和中传输板，另一种连接中传输板和下传输板，两种连接模式的模块个数相同，连接中传输板的电容器通过大电阻充正电，连接上传输板和下传输板的电容器通过充负电。当气体开关触发导通时储能电容放电，经过三板传输线、两板传输线和负载形成回路，完成放电。
在所述绝缘桶内设置有位于两个储能电容之间的绝缘板，在所述上连接杆外套有上绝缘筒，上绝缘筒与中连接杆一外套有中绝缘筒一，中连接杆二外套有中绝缘筒二，上绝缘筒粘接在上固体绝缘层上，下绝缘筒一与下绝缘筒二粘接在下固体绝缘层上。进一步讲，通过在两个储能电容之间安装绝缘板，每个连接杆外套装绝缘筒，使得电容都处于安全的状态，可以直接缩小电容之间的间距，同时可以缩小储能模块之间的间距，使得整个传输板在相同的面积区域内可以安装更多的储能模块，大大扩张了其容量，而且传输线路缩短，大大降低了阻抗。
所述的两板传输线包括下传输板和中传输板，三板传输线的上传输板通过螺栓与三板传输线的下传输板连接，三板传输线的下传输板与两板传输线的下传输板连接，三板传输线的中传输板与两板传输线的中传输板连接。三板传输线过渡到平板传输线，通过短接件将上传输板以及下传输板连接，短接件与中传输板之间通过粘接在绝缘层上的上的绝缘套分开，实现绝缘。
在所述螺栓上套装有两个位于螺栓与中传输板之间的的绝缘套，每个绝缘套上均设置有径向的台阶状结构，两个台阶相向设置并形成与中传输板相匹配的卡接结构，两个绝缘套分别粘接在上固体绝缘层和下固体绝缘层上。进一步讲，通过采用两个台阶状结构的绝缘筒配合形成中传输板的卡接结构，可以有效避免中传输板与上传输板之间的局部导通，而且，该结构也便于安装和拆卸。
本发明与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：
1、本发明一种基于三板传输结构的强脉冲电流装置，通过将三板传输线、两板传输线设置成同心的圆环状结构，其圆心处作为负载的加载位置，将圆环形的三板传输线分割成若干扇形区域，通过在每个扇形区域内安装储能模块组的方式，可以使得储能模块组的数量大大增加，同时由于圆环状的分布方式，使得其传输的距离大大减少，极大地降低了阻抗，保证了加载在负载上电压的同步性，结构更为紧凑；
2、本发明一种基于三板传输结构的强脉冲电流装置，通过采用上传输板、固体绝缘层、中传输板、固体绝缘层、以及下传输板叠放平铺的方式，可以使得其结构更加紧凑，同时在过渡阶段利用上传输板和下传输板融合连接形成一个整板的方式，可以极大地减小传输线路的阻抗，通过螺栓固定的方式，可以使得整个传输板结构紧凑，在下传输板的下方吊挂绝缘桶，在绝缘筒内安装储能模块的方式，可以使得一个传输板上设置多个储能电容，极大地扩展了储能的能力，同时增加了储能模块之间的抗干扰性，提升了整体的稳定性；
3、本发明一种基于三板传输结构的强脉冲电流装置，每个储能模块均包括两个储能电容，两个储能电容分别通过独立的连接杆分别连接至上传输板、中传输板，充电时，其中一个储能电容通过大电阻充正电，另一个储能电容通过大电阻充负电，两个储能电容均连接至气体开关，当气体开关动作闭合时储能电容放电，经过上传输线、负载、中传输线形成回路，完成测试。
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为本发明俯视图；
图2为本发明系统原理图；
图3为本发明三板传输线的横截面示意图；
图4为本发明图3中I部储能模块的第一种连接结构示意图；
图5为本发明图3中II部储能模块的第二种连接结构示意图；
图6为本发明图3中III部三板传输线过渡到两板传输线示意图；
图7为本发明实施例中单个储能电容的等效电路图；
图8为本发明实施例中多个储能电容的电路图；
图9为本发明实施例中不同放电时序下放电计算结果。
附图中标记及对应的零部件名称：
1-上传输板，2-中传输板，3-下传输板，4-上固体绝缘层，5-下固体绝缘层，6-气体开关，7-储能电容，8-上连接杆，9-上绝缘筒，10-中连接杆一，11-中绝缘筒一，12-中连接杆二，13-中绝缘筒二，14-下连接杆，15-绝缘板，16-绝缘桶，17-螺栓，18-绝缘套，21-三板传输线，22-平板传输线，23-负载，24-储能模块。
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至图4所示，本发明一种基于三板传输结构的强脉冲电流装置，包括整体呈圆环形的三板传输线21，所述圆环形的三板传输线21分成16个扇形区域，在每个扇形区域的下方均安装有一组储能模块24，每组储能模块包括16个独立的储能模块，其中8个储能模块24通过上连接杆8与中连接杆一10连接在三板传输线21的上传输板1和中传输板2上，另外8个储能模块24通过中连接杆二12和下连接杆13连接在三板传输线21的中传输板2和下传输板3上，三板传输线21通过同圆心的两板传输线22连接至圆心上的负载23形成回路；包括从上至下依次叠放的上传输板1、上固体绝缘层4、中传输板2、下固体绝缘层5、以及下传输板3，其中下传输板3起支撑作用，厚度为20mm，上传输板1和中传输板2厚度为10mm，固体绝缘层4为厚度4mm的交联聚苯乙烯板，直流击穿电压可达300kV，该材料可实现相互之间的高压绝缘粘接。所述的储能模块24包括两个100kV/80nF的储能电容7，两个电容器7的一端均连接至200kV的高压气体开关9，两个电容器的另一端分别通过上连接杆8，中连接杆一10，中连接杆二12和下连接杆13连接在三板传输线上，上连接杆8外套有上绝缘筒9，上绝缘筒9与中连接杆一10外套有中绝缘筒一11，中连接杆二12外套有中绝缘筒二13，上绝缘筒9、下绝缘筒一11与下绝缘筒二13底部为圆盘状结构，并分别粘接在上固体绝缘层4和下固体绝缘层5上；三板传输线21过渡到平板传输线22，通过螺栓17将上传输板1以及下传输板3连接，螺栓17依次穿过上传输板1、上固体绝缘层4、中传输板2、下固体绝缘层5、以及下传输板3并与螺母配合形成整体，在螺栓17上套装有两个位于螺栓5与中传输板2之间的的绝缘套18，每个绝缘套18上均设置有径向的台阶状结构，两个台阶相向设置并形成与中传输板2相匹配的卡接结构；本实施例中，当采用一个储能模块作为一组的时候，其电路如图5所示，三板传输线过渡至两板传输线的结构如图6所示电容7通过大电阻的充电电容25分别充电正负100KV，当采用多个储能模块时，其电路如图7和图8所示，多个储能单元时，电容串联，并在串联出通过大阻值的接地电阻26接地，以保证其零电位。本实施例的整机装置总电容10.24μF，总电感约4nH，总电阻约10mΩ，将其分为16个模块组，调节放电时序，可实现波形调节，图9为不同放电时序下放电计算结果。
本发明提出一种新型Marx结构的多模块储能设计，采用低阻抗的三板传输结构，有效降低传输阻抗的同时，增加固体绝缘体的厚度，有利于大尺寸绝缘板的机械加工，基于该新思想设计的装置其输出脉冲电流为目前VELOCE、CQ-4等类型装置的1倍以上，装置不仅结构紧凑，而且有利于实现更高压力下材料的动力学行为物理实验研究。
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 (2)
1.一种基于三板传输结构的强脉冲电流装置，其特征在于：包括整体呈圆环形的三板传输线（21），所述圆环形的三板传输线（21）分成多个扇形区域，在每个扇形区域的下方均安装有一组储能模块（24），三板传输线（21）通过同圆心的两板传输线（22）连接至圆心上的负载（23）形成回路；
所述的三板传输线（21）包括从上至下依次叠放的上传输板（1）、上固体绝缘层（4）、中传输板（2）、下固体绝缘层（5）、以及下传输板（3）；在三板传输线下方设置有与储能模块（24）一一对应的绝缘桶（16）；
所述安装在每个扇形区域的储能模块为偶数个，其中一半数量的储能模块连接至上传输板（1）和中传输板（2），另一半数量的储能模块连接至下传输板（3）和中传输板（2）；
所述储能模块连接至上传输板（1）和中传输板（2）的连接方式为：每个包括两个储能电容（7），其中一个储能电容（7）通过上连接杆（8）与上传输板（1）连接，另一个储能电容（7）通过中连接杆一（10）与中传输板（2）连接，两个电容均连接至气体开关（6）；所述储能模块连接至下传输板（3）和中传输板（2）的连接方式为：每个包括两个储能电容（7），其中一个储能电容（7）通过下连接杆（14）与下传输板（3）连接，另一个储能电容（7）通过中连接杆二（12）与中传输板（2）连接，两个电容均连接至气体开关（6）；
在所述绝缘桶（16）内设置有位于两个储能电容（7）之间的绝缘板（15），在所述上连接杆（8）外套有上绝缘筒（9），上绝缘筒（9）与中连接杆一（10）外套有中绝缘筒一（11），中连接杆二（12）外套有中绝缘筒二（13），上绝缘筒粘接在上固体绝缘层（4）上，下绝缘筒一（11）与下绝缘筒二（13）粘接在下固体绝缘层（5）上；
所述的两板传输线（22）包括下传输板（3）和中传输板（2），三板传输线（21）的上传输板（1）通过螺栓（17）与三板传输线（21）的下传输板（3）连接，三板传输线（21）的下传输板（3）与两板传输线（22）的下传输板（3）连接，三板传输线（21）的中传输板（2）与两板传输线（22）的中传输板（2）连接。
2.根据权利要求1所述的一种基于三板传输结构的强脉冲电流装置，其特征在于：在所述螺栓（17）上套装有两个位于螺栓（17）与中传输板（2）之间的绝缘套（18），每个绝缘套（18）上均设置有径向的台阶状结构，两个台阶相向设置并形成与中传输板（2）相匹配的卡接结构，两个绝缘套（18）分别粘接在上固体绝缘层（4）和下固体绝缘层（5）上。
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