CN109787591B

CN109787591B - 基于气体密闭环境具有低等效电感的强脉冲电流发生装置

Info

Publication number: CN109787591B
Application number: CN201811487974.1A
Authority: CN
Inventors: 姚学玲; 陈景亮; 孙晋茹; 田向渝
Original assignee: Xian Jiaotong University
Current assignee: Xian Jiaotong University
Priority date: 2018-12-06
Filing date: 2018-12-06
Publication date: 2020-06-26
Anticipated expiration: 2038-12-06
Also published as: CN109787591A

Abstract

本发明公开一种基于气体密闭环境具有低等效电感的强脉冲电流发生装置，包括气压高于或等于标准大气压的气体密闭腔体，将储能电容、波形形成电阻、放电开关安装在具有密闭气体环境中，一方面使得各元件具有良好的绝缘耐压特性，另一方面，可以进一步减少放电开关的间隙距离，使得放电开关的电感进一步减少；同时，由于放电在同一个密闭气体环境中，波形形成电容、电阻和放电开关可以紧凑安装，放电开关的间隙距离以及储能电容、波形形成电阻、放电开关间的连线距离，可以使得回路连线电感减少，储能电容支路与波形形成电阻和放电开关支路流经电流方向相反，使得放电回路具有极小的电感量，可以高效产生纳秒强脉冲电流波。

Description

基于气体密闭环境具有低等效电感的强脉冲电流发生装置

技术领域

本发明属于纳秒脉冲电流的发生装置，特别涉及一种基于气体密闭环境具有低等效电感的强脉冲电流发生装置。

背景技术

随着脉冲电流技术的发展，具有纳秒上升时间、微秒长持续时间的脉冲电流成为研究的热点。美国和俄罗斯在该领域的研究处于先进水平。美国著名的脉冲技术实验室有国家Lawrence Livermore实验室、Sandia国实验室、Maxwell实验室、Los Alamos实验室、海军武器研究中心、Texas大学等。1967年美国建成Hermes-I脉冲装置；1972年美国建成Aurora装置，该脉冲实验设备由4台Marx发生器组成，在发展史上具有重要意义。俄罗斯著名的脉冲技术实验室有库尔恰托夫研究所、新西伯利亚核物理所、托姆斯科大电流电子学研究所、电物理装备所、列别捷夫所等。1985年俄罗斯研制成功AHrapa-5等脉冲发生装置。

我国从20世纪70年代开始脉冲电流技术的研究。我国有众多科研机构从事该领域的研究，著名的科研机构有中科院等离子体物理研究所、中科院高能物理研究所、中科院电工技术研究所、清华大学、华中科技大学、西安交通大学、西北核技术研究等。

脉冲电流波持续时间一般为纳秒至微秒级别。发生在大气层中雷电现象给人类的生活带来很大影响，雷电防护中后续短时间雷击的电流波，其峰值时间近似值为T₁≈250ns，波尾持续时间较长，该波形具有上升时间短、持续时间较长的等特点。

航空领域用于飞机雷电环境及相关测试脉冲波形包括A、B、C、D、H成分等雷电流分量，其中雷电流H分量如1图所示。

飞机雷电环境及相关测试雷电流H分量的上升时间约为110ns，峰值时间245ns，半峰值持续时间约4μs，其频带范围500Hz～1MHz，这类脉冲电流波上升时间较短、持续时间较长、频带范围跨度较大。

高空核爆产生的电磁脉冲(HEMP)参数是核爆炸主要效应参数之一，GJB 3622-99通信和指挥自动化地面设施对高空核电磁脉冲的防护要求中规定电气引入的双指数脉冲电流注入波形参数如下表所示：

纳秒脉冲电流一般由RLC二阶电路产生，回路电感是影响脉冲电流上升时间和回路效率的至关重要的因素，RLC二阶电路的总电感包含储能电容C的剩余电感、波形形成电阻的剩余电感、放电开关的剩余电感以及回路连线电感等，如何减少脉冲电流回路的等效电感是纳秒脉冲电流产生的关键技术。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于气体密闭环境具有低等效电感的强脉冲电流发生装置，具有极低等效电感，能够高效产生纳秒上升时间的强脉冲电流波。

为实现上述目的本发明采用如下方案：

基于气体密闭环境具有低等效电感的强脉冲电流发生装置，包括上绝缘法兰、下绝缘法兰、绝缘管组成的气压高于或等于标准大气压的气体密闭腔体，在气体密闭腔体内安装有储能电容、波形形成电阻和放电开关，储能电容高压端穿过第一绝缘套管与直流高压充电端电气连接，直流电源的低压端与脉冲电流低压输出端相连并接参考地；储能电容低压端穿过第三绝缘套管与脉冲电流低压输出端相连；储能电容高压端与波形形成电阻的上端相连，波形形成电阻的下端与放电开关的上电极相连，放电开关的下电极通过第二绝缘套管引出脉冲电流高压输出端；所述储能电容由多组低压电容单元组串联组成，多组电容并联并呈环形方式布置，波形形成电阻和放电开关的串联支路安装在环形布置的储能电容的中心轴线上，且距储能电容尽可能近的安装，在脉冲电流放电时，相邻两组电容单元组中流经的脉冲电流大小相等方向相同，储能电容中的脉冲电流的方向与波形形成电阻和放电开关支路中流经的电流大小相等、方向相反。

进一步，所述波形形成电阻由多片电阻片和绝缘板间隔层叠而成，电阻片和绝缘板通过绝缘拉杆固定安装在波形形成电阻上电极和波形形成电阻下电极之间，波形形成电阻通过波形形成电阻上导流杆、波形形成电阻下导流杆分别与高压储能电容的高压端、放电开关的上电极相连接；波形形成电阻上导流杆与波形形成电阻上电极、波形形成电阻下导流杆与波形形成电阻下电极之间分别用上螺母、下螺母与高压储能电容的高压端、放电开关6的上电极相连接。

进一步，所述波形形成电阻相邻电阻片之间绝缘板的厚度为0.2-0.5mm，或者绝缘板采用100μm厚的绝缘纸。

进一步，所述放电开关采用平板电极，包括上电极、下电极和触发电极，触发电极同轴安装在下电极中、且通过绝缘隔离介质电气隔离，放电开关通过放电开关上导流杆、放电开关下导流杆分别与波形形成电阻的波形形成电阻下导流杆、脉冲电流高压输出端相连。

进一步，所述放电开关平板电极边缘为具有一定曲率半径的圆角。

进一步，所述气体密闭腔体气压为1×10⁵Pa至5×10⁵Pa。

本发明的基于气体密闭环境具有低等效电感的强脉冲电流发生装置，包括上绝缘法兰、下绝缘法兰、绝缘管组成的气压高于或等于标准大气压的气体密闭腔体，将储能电容、波形形成电阻、放电开关安装在具有密闭气体环境中，一方面使得各元件具有良好的绝缘耐压特性，另一方面，可以进一步减少放电开关的间隙距离，使得放电开关的电感进一步减少；同时，由于放电在同一个密闭气体环境中，波形形成电容、电阻和放电开关可以紧凑安装，放电开关的间隙距离以及储能电容、波形形成电阻、放电开关间的连线距离，可以使得回路连线电感减少，高效产生纳秒上升时间的强脉冲电流波。

进一步，储能电容是采用多个电容单元串接而成的具有高耐受电压的储能电容，且储能电容采用环形布局方式，在脉冲电流放电时，相邻两组电容单元中流经的脉冲电流方向相同，使得储能电容具有极强的脉冲电流通流能力；波形形成电阻和放电开关串联支路安装在储能电容环形布局的中心轴线上，且距环形储能电容支路尽可能近，这样的安装方式使得在脉冲电流放电时，储能电容支路中脉冲电流的方向与波形形成电阻和放电开关支路中的脉冲电流大小相等、方向相反，储能电容支路与波形形成电阻、放电开关支路的互感作用增强，可以几乎抵消两支路自身的电感，因而使得由脉冲放电回路具有最低的剩余电感量，从而产生纳秒高效的强脉冲电流波。

进一步，波形形成电阻通过减少相邻电阻片之间绝缘板的厚度至0.2-0.5mm或者用100μm厚的绝缘纸，使得强脉冲电流流经时，通过相邻量电阻片的电流大小相等、方向相反且距离极近，相邻电阻片之间的互感可以抵消电阻片自身的自感，使得波形形成电阻具有极低的电感量；同时加大绝缘板的凹槽深度，增加绝缘板的宽度使电阻片与绝缘板边缘的距离等方法，可以大大提高波形形成电阻的耐受电压能力，形成具有低剩余电感且极高波形形成电阻。

进一步，放电开关采用平板电极且边缘皆为具有一定曲率半径的圆角，使得放电开关两端具有均匀的电场，由于电极纵向尺寸小使得脉冲电流流经放电开关电极的路径最短，从而使放电开关的等效电感量尽可能减小。

附图说明

图1是飞机雷电环境雷电流H分量波形图

图2是本发明纳秒脉冲电流的RLC发生回路原理图

图3是本发明纳秒脉冲电流放电电路结构示意图

图4是本发明低感储能电容的结构示意图

图5是本发明波形形成电阻的结构示意图

图6是本发明放电开关的结构示意图

图中：1-上绝缘法兰、2-下绝缘法兰、3-绝缘管、4-储能电容、5-波形形成电阻、6-放电开关，7-第一绝缘套管、8-第二绝缘套管、9-第三绝缘套管、10-直流高压充电端、11-脉冲电流高压输出端、12-脉冲电流低压输出端、E1-上电极、E2-下电极、TE-触发电极、ID-绝缘隔离介质、S1-放电开关上导流杆、S2-放电开关下导流杆、R1-波形形成电阻上电极、R2-波形形成电阻上导流杆、R3-上螺母、R4-绝缘拉杆、R5-电阻片、R6-绝缘板、R7-波形形成电阻下电极、R8-波形形成电阻下导流杆、R9-下螺母。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细描述，但不作为对本发明的限定。

参见图2，是本发明的纳秒上升时间的脉冲电流发生回路的原理图。其中包括储能电容单元C、波形调整电感L、波形调整电阻R，放电用开关S。下面以雷电流H分量为例，来说明回路参数的选取方法。

雷电流H分量的满足以下表达式为：

i(t)＝I₀(e^-αt-e^-βt)，其中：I₀＝10，572A，α＝187，191s^-1，β＝19，105，100s^-1

由此计算得到雷电流H分量的波前时间T₁和半峰值时间T₂分别为：

T₁＝138ns T₂＝4μs

纳秒上升时间RLC电路可以产生雷电流H分量波形，其回路参数选择按照如下步骤：

依据下面的公式(1)：

公式(1)中，C为储能电容容量，L为波形调整电感量，R为波形调整电阻；U₀为储能电容两端的充电电压或者是放电电压，T₁为雷电流H分量的波前时间，i_m为回路输出电流的峰值，ξ为图2脉冲电流发生电路的阻尼系数；T₁ ^*为波前时间的归一化系数，i_m ^*为归一化的峰值系数。

从公式(1)可以看出，在3个方程中含有4个未知数，因此，方程组(1)有无穷多组解。

在假定储能电容容量的条件下，在10kA脉冲电流输出的情况下，脉冲电流发生回路的参数以及所需的充电电压的大小见表1所示。

表1：雷电流H分量回路参数的选择

序号	电容C/μF	电感L/μH	电阻R/Ω	充电电压U<sub>0</sub>/kV
					1	1	0.35	5.25	52
2	0.5	0.70	10.5	104
					3	0.25	1.40	21.0	208
……	……	……	……	……

由表1可以，随着回路电感量的增加，回路输出的效率明显提高，因此，如何减少脉冲电流发生回路的剩余电感量，是纳秒上升时间的强脉冲电流的关键。

参见图3，为本发明纳秒脉冲电流放电电路结构，本发明的强脉冲电流发生装置包括：上绝缘法兰1、下绝缘法兰2、绝缘管3组成的气压为1×10⁵Pa至5×10⁵Pa的气体密闭腔体，在气体密闭腔体内安装有储能电容4、波形形成电阻5和放电开关6，储能电容4由多个低压的电容单元串联组成，储能电容4的高压端HC1通过第一绝缘套管7与直流高压充电端10电气连接，直流电源的低压端与脉冲电流低压输出端12相连并接参考地；储能电容4的低压端LC1通过第三绝缘套管9与脉冲电流低压输出端12相连；储能电容4的高压端HC1与波形形成电阻5的上端相连，波形形成电阻5的下端与放电开关6的上电极相连，放电开关6的下电极通过第二绝缘套管8引出脉冲电流高压输出端11。

参见图4，本发明的储能电容4采用多个电容单元组并联形成具有高耐受电压、高通流容量的储能电容，每个电容器单元组根据放电电压的需求可以由多个电容单元串联而成，串联的数量可以从几个到上百个，并联电容单元的组数也可以由几个到几十个或上百个，多个电容单元组全部并联连接并形成环状结构，并联后形成储能电容高压端HC1和储能电容低压端LC1。

参见图5，本发明的波形形成电阻5由多片电阻片R5和绝缘板R6间隔层叠而成，电阻片R5和绝缘板R6通过绝缘拉杆R4固定安装在波形形成电阻上电极R1和波形形成电阻下电极R7之间，波形形成电阻5通过波形形成电阻上导流杆R2、波形形成电阻下导流杆R8分别与高压储能电容的高压端HC1、放电开关6的上电极相连接；波形形成电阻上导流杆R2与波形形成电阻上电极R1、波形形成电阻下导流杆R8与波形形成电阻下电极R7之间分别用上螺母R3、下螺母R9与高压储能电容的高压端HC1、放电开关6的上电极相连接；相邻电阻片R5之间绝缘板R6的厚度D1为0.2-0.5mm或者用100μm厚的绝缘纸，加大绝缘板的凹槽深度D2，增加绝缘板的宽度使电阻片R5与绝缘板R6边缘的距离等方法，大大提高波形形成电阻的耐受电压能力。由于绝缘板R6很薄，使得强脉冲电流流经时，通过相邻量电阻片R5的电流大小相等、方向相反且距离极近，相邻电阻片之间的互感可以抵消电阻片自身的自感，从而使得波形形成电阻具有极低的电感量。

参见图6，本发明的放电开关6采用平板电极的结构形式，包括上电极E1、下电极E2和触发电极TE，触发电极TE同轴安装在下电极E2中，且通过绝缘隔离介质ID电气隔离，放电开关6通过放电开关上导流杆S1、放电开关下导流杆S2分别与波形形成电阻5的波形形成电阻下导流杆R8、脉冲电流高压输出端11相连；为了减少充电过程中的电晕放电现象，放电开关6的平板电极边缘皆为具有一定曲率半径的圆角结构，使得放电开关两端具有均匀的电场，且由于平板电极的轴向距离较圆球状电极的放电路径短得多，因而使得脉冲电流流经开关电极的路径最短，即放电开关的等效电感量最小。

参见图3、图4、图5、图6，本发明中储能电容器4呈环形方式布局，波形形成电阻5和放电开关6串联支路安装在环形储能电容4的中心轴线上，且距环形储能电容4尽可能近的安装，在脉冲电流放电时，储能电容4中的脉冲电流的方向与波形形成电阻5和放电开关6支路中流经的电流大小相等、方向相反，这样一来储能电容4支路与波形形成电阻5、放电开关6支路的互感作用增强，可以几乎抵消两支路自身的电感，因而使得由储能电容4、波形形成电阻5和放电开关6形成的脉冲放电回路具有最低的剩余电感量。

本发明将储能电容、波形形成电阻、放电开关安装在具有密闭气体环境中，且气体环境压力等于或高于大气环境的气压，这样一方面使得各元件具有良好的绝缘耐压特性，另一方面，可以进一步减少放电开关的间隙距离，可以使得放电开关的电感进一步减少，波形形成电容、电阻和放电开关可以紧凑安装，又可以使放电回路的连线电感进一步减少，可以产生纳秒上升时间的强脉冲电流。

最后应该说明的是：以上实施例仅用于说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本权利要求范围当中。

Claims

1.基于气体密闭环境具有低等效电感的强脉冲电流发生装置，其特征在于：包括上绝缘法兰（1）、下绝缘法兰（2）、绝缘管（3）组成的气压高于或等于标准大气压的气体密闭腔体，在气体密闭腔体内安装有储能电容（4）、波形形成电阻（5）和放电开关（6），储能电容高压端（HC1）穿过第一绝缘套管（7）与直流高压充电端（10）电气连接，直流电源的低压端与脉冲电流低压输出端（12）相连并接参考地；储能电容低压端（LC1）穿过第三绝缘套管（9）与脉冲电流低压输出端（12）相连；储能电容高压端（HC1）与波形形成电阻（5）的上端相连，波形形成电阻（5）的下端与放电开关（6）的上电极相连，放电开关（6）的下电极通过第二绝缘套管（8）引出脉冲电流高压输出端（11）；

所述储能电容（4）由多个电容单元组并联组成，每个电容单元组由多个电容单元串联而成，多个电容单元组并联呈环形方式布置，波形形成电阻（5）和放电开关（6）的串联支路安装在环形布置的储能电容（4）的中心轴线上，且距储能电容（4）尽可能近的安装，在脉冲电流放电时，相邻两组电容单元组中流经的脉冲电流大小相等方向相同，储能电容（4）中的脉冲电流的方向与波形形成电阻（5）和放电开关（6）支路中流经的电流大小相等、方向相反；

所述波形形成电阻（5）由多片电阻片（R5）和绝缘板（R6）间隔层叠而成，电阻片（R5）和绝缘板（R6）通过绝缘拉杆（R4）固定安装在波形形成电阻上电极（R1）和波形形成电阻下电极（R7）之间，波形形成电阻（5）通过波形形成电阻上导流杆（R2）、波形形成电阻下导流杆（R8）分别与储能电容的高压端（HC1）、放电开关（6）的上电极相连接；波形形成电阻上导流杆（R2）与波形形成电阻上电极（R1）、波形形成电阻下导流杆（R8）与波形形成电阻下电极（R7）之间分别用上螺母（R3）、下螺母（R9）与储能电容的高压端（HC1）、放电开关（6）的上电极相连接；

所述波形形成电阻（5）相邻电阻片（R5）之间绝缘板（R6）的厚度为0.2-0.5mm，或者绝缘板（R6）采用100μm厚的绝缘纸。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：所述放电开关（6）采用平板电极，包括上电极（E1）、下电极（E2）和触发电极（TE），触发电极（TE）同轴安装在下电极（E2）中、且通过绝缘隔离介质（ID）电气隔离，放电开关（6）通过放电开关上导流杆（S1）、放电开关下导流杆（S2）分别与波形形成电阻（5）的波形形成电阻下导流杆（R8）、脉冲电流高压输出端（11）相连。

3.根据权利要求2所述的装置，其特征在于：所述放电开关（6）平板电极边缘为具有一定曲率半径的圆角。

4.根据权利要求3所述的装置，其特征在于：所述气体密闭腔体气压为1×10⁵Pa至5×10⁵Pa。