CN110098760B - 一种便于维护的fltd装置及其装配方法、维护方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种便于维护的FLTD装置及其装配方法、维护方法，解决现有独立腔体FLTD难以发现故障位置、维护不便以及可维护性极差的问题。该装置包括上盖板、下底板、上绝缘板、下绝缘板、次级外筒电极组件、多个磁芯、分立导体、多路放电支路组件；次级外筒电极组件包括上电极、下电极和中间绝缘板；中间绝缘板绝缘设置在下电极、上电极之间；放电支路组件安装在下底板、上盖板之间，与上盖板通过上绝缘板绝缘，与下底板通过下绝缘板绝缘；多路放电支路组件围绕次级外筒电极组件沿周向设置，且脉冲电容器的输出电极分别与上电极、下电极电连接；分立导体设置在下底板、上盖板之间，且围绕次级外筒电极组件周向设置。

Description

一种便于维护的FLTD装置及其装配方法、维护方法

技术领域

本发明涉及高功率脉冲驱动源领域，具体涉及一种便于维护的FLTD装置及其装配方法、维护方法。

背景技术

FLTD(快直线型变压器)被国内外公认为是下一代最有发展应用前景的驱动源新技术，在Z箍缩、闪光照相等方面具有重要应用价值，其核心是将放电回路“化整为零”为多个电感电容(LC)值很小的快放电支路，快放电支路对称布置在感应腔内，通过电磁感应，多支路并联获得脉冲大电流，多级串联获得高电压，可输出MA级电流、百GW级电脉冲，多路FLTD并联产生前沿100-200ns、电流数十MA的百太瓦级超高功率电脉冲，其典型拓扑结构为：快放电支路并联构成百GW单级模块、数十级模块串联形成TW级单路、数十路TW级单路并联汇聚产生百TW级数十MA的超高功率电脉冲，从而驱动不同类型的负载，产生多种极端条件。FLTD驱动源避免了传统技术路线中工作寿命短的超高功率气体开关及复杂的水线转换结构，且阻抗近似匹配传输，能量传输效率高。

目前国内外现有FLTD模块均采用独立封闭腔体结构，初级并联支路一般对称布置于圆柱形封闭腔体内，支路输出电极通过数个螺钉与次级水线外筒连接。

目前国内外提出的大型Z箍缩FLTD驱动源概念设计一般为独立封闭腔体的大量FLTD模块串并联，充电、触发、气路不能共享，一旦初级部件出现故障，难以诊断发现故障位置，替换发生故障部件需要抽出次级内筒，拆下多级串联模块密封压接结构，拆下故障模块，打开初级腔体盖板和绝缘子，才能发现、更换故障支路部件。FLTD初级存在数十万只电容、开关、充电电阻、触发电阻等元器件，特别是开关不同步和开关发生自放电等异常工况下，器件可能损坏，此类大型FLTD驱动源可维护性极差，成为制约其推广应用的国际性瓶颈。

发明内容

本发明的目的是解决现有独立腔体FLTD难以发现故障位置、维护不便以及可维护性极差的问题，提供一种便于维护的FLTD装置及其装配方法、维护方法。本发明装置采用多根对称分布的分立导体激磁回流的开放式结构代替常规模块的封闭圆柱腔体，插拔式支路代替常规螺钉连接支路，实现FLTD的便于安装、检修与维护。

本发明的技术解决方案如下：

一种便于维护的FLTD装置，包括上盖板、下底板、上绝缘板、下绝缘板、次级外筒电极组件、多个磁芯、多个分立导体、多路放电支路组件；所述次级外筒电极组件包括上电极、下电极和中间绝缘板；所述中间绝缘板设置在下电极、上电极之间；所述放电支路组件包括气体开关和两只脉冲电容器；所述两只脉冲电容器叠加设置，且通过中间绝缘板绝缘，所述气体开关设置在两只脉冲电容器的一侧，且与两只脉冲电容器电连接；所述放电支路组件安装在下底板、上盖板之间，与上盖板通过上绝缘板绝缘，与下底板通过下绝缘板绝缘；多路放电支路组件围绕次级外筒电极组件沿周向设置，且脉冲电容器的输出电极分别与上电极、下电极电连接；所述上盖板、上电极、上层脉冲电容器组成的腔体为第一腔体，所述下底板、下电极、下层脉冲电容器组成的腔体中为第二腔体，所述磁芯分别设置在第一腔体、第二腔体中；所述分立导体设置在下底板、上盖板之间，且围绕次级外筒电极组件周向设置。

进一步地，所述脉冲电容器的输出电极为弧形刀口电极，所述下电极和上电极上设置有与弧形刀口电极相匹配的凹槽，所述弧形刀口电极分别插入上电极和下电极的凹槽内，实现电连接。

进一步地，还包括设置在脉冲电容器外侧的绝缘压板，所述绝缘压板在周向压紧脉冲电容器，使得弧形刀口电极与下电极、上电极实现电连接。

进一步地，所述绝缘压板与脉冲电容器之间设置有橡胶缓冲垫。

进一步地，所述气体开关设置在两只脉冲电容器高压端输出一侧，所述弧形刀口电极安装在脉冲电容器接地端输出一侧。

进一步地，还包括外筒体，所述上盖板、下底板、上绝缘板、下绝缘板、次级外筒电极组件、多个磁芯、多个分立导体、多路放电支路组件均设置在外筒体中，所述外筒体充入绝缘介质。

进一步地，所述分立导体数量与放电支路组件数量相同，且分立导体位于相邻放电支路组件对称的中间位置。

同时，本发明还提供一种基于上述便于维护的FLTD装置的装配方法，包括以下步骤：

步骤1、将两只脉冲电容器、气体开关、弧形刀口电极装配为独立的放电支路组件，开关位于两只脉冲电容器高压端输出一侧，弧形刀口电极安装在脉冲电容器接地端输出一侧；

步骤2、将下电极、中间绝缘板和上电极安装为次级外筒电极组件，并保证三者之间接触面的气密性；

步骤3、按顺序依次安装下底板、下层磁芯、下绝缘板、次级外筒电极组件、上层磁芯、上绝缘板、上盖板、分立导体柱组成安装框架；

步骤4、将步骤1中的放电支路组件依次插入步骤3安装的安装框架内，并用绝缘压板将上、下两只脉冲电容器固定压紧，使弧形刀口电极与下电极、上电极可靠牢固接触。

此外，本发明还提供一种基于上述便于维护的FLTD装置的维护方法，放电支路组件的替换方法包括以下步骤：

步骤1、判断某一放电支路组件工作不良；

步骤2、拆掉不良或者器件损坏放电支路组件的绝缘压板，从分立导体、上绝缘板、下绝缘板构成的窗口抽出放电支路组件，更换备用放电支路组件，完成设备维护。

进一步地，步骤1中，判断某一放电支路组件工作不良的具体要求为：脉冲电容器损坏、气体开关损坏或工作异常。

本发明与现有技术相比，有益效果是：

本发明便于维护的FLTD装置采用分立导体回流激磁的开放式结构代替常规独立腔体FLTD封闭结构、采用可插拔式支路结构代替输出电极螺钉连接支路结构，外腔体仅起密封初级绝缘介质作用。支路从分立导体之间的窗口安装(抽出和插入)，开放式结构便于发现故障，故障部件可现场原位维修替换，不必抽出内筒和拆装模块，提高FLTD脉冲功率源可维护性。

附图说明

图1是本发明便于维护的FLTD装置实施例的局部结构图；

图2是本发明便于维护的FLTD装置实施例省略分立导体的剖面图；

图3是本发明便于维护的FLTD装置实施例省略上盖板、分立导体和上绝缘板的结构图；

图4是本发明便于维护的FLTD装置实施例省略外筒体的轴测图；

图5是本发明便于维护的FLTD装置实施例中支路组件压紧图；

图6是本发明便于维护的FLTD装置实施例中支路组件结构图；

图7是本发明便于维护的FLTD装置实施例中次级外筒电极组件结构图；

图8是单级FLTD输出电流波形示意图；

图9是单级FLTD输出电压波形示意图；

图10是分立导体与整体圆柱筒回流负载电流示意图。

附图标记：1-放电支路组件，2-下绝缘板，3-上绝缘板，4-下底板，5-上盖板，6-中间绝缘板，7-绝缘压板，8-磁芯，9-分立导体，10-下电极，11-上电极，12-水电阻，13-橡胶缓冲垫，14-外筒体，111-脉冲电容器，112-气体开关，113-弧形刀口电极。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明的内容作进一步详细描述：

本发明针对现有独立腔体FLTD维护不便的难题，提供一种便于维护的FLTD装置及其装配方法、维护方法。该装置采用分立导体回流激磁的开放式结构代替常规独立腔体FLTD封闭结构、采用可插拔式支路结构代替输出电极螺钉连接支路结构。支路从分立导体之间的窗口安装(抽出和插入)，开放式结构便于发现故障，故障部件可现场原位维修替换，不必抽出内筒和拆装模块，提高FLTD脉冲功率源可维护性。整个FLTD装置可置于密闭的圆柱形外筒体之中，外筒体可充入绝缘介质，以提高FLTD的耐压强度。

本发明提供的便于维护的FLTD装置用分立导体替代常规FLTD初级腔体圆柱筒回流激磁，放电支路组件采用插拔式结构，支路输出电极为弧形刀口形状，分别插入次级传输线外筒下电极和上电极槽内，并被支路外侧的绝缘压板压紧。

如图1至图7所示，一种便于维护的FLTD装置，包括上盖板5、下底板4、上绝缘板3、下绝缘板2、次级外筒电极组件、绝缘压板7、多个磁芯8、多个分立导体9、多路放电支路组件1；次级外筒电极组件包括上电极11、下电极10和中间绝缘板6；中间绝缘板6绝缘设置在下电极10、上电极11之间(中间绝缘板6对上、下电极10之间绝缘)；放电支路组件1包括气体开关112和两只脉冲电容器111；两只脉冲电容器111叠加设置，且通过中间绝缘板6绝缘置，气体开关112设置在两只脉冲电容器111的一侧，且与两只脉冲电容器111电连接；气体开关112设置在两只脉冲电容器111高压端输出一侧，弧形刀口电极113安装在脉冲电容器111接地端输出一侧。

放电支路组件1安装在下底板4、上盖板5之间，与上盖板5通过上绝缘板3绝缘，与下底板4通过下绝缘板2绝缘；多路放电支路组件1围绕次级外筒电极组件沿周向设置，且脉冲电容器111的输出电极分别与上电极11、下电极10电连接；脉冲电容器111的输出电极为弧形刀口电极113，下电极10和上电极11上设置有与弧形刀口电极113相匹配的凹槽，弧形刀口电极113分别插入上电极11和下电极10的凹槽内，实现电连接。上盖板5、上电极11、脉冲电容器111组成的腔体为第一腔体，下底板4、下电极10、脉冲电容器111组成的腔体中为第二腔体，磁芯8分别设置在第一腔体、第二腔体中；分立导体9设置在下底板4、上盖板5之间，且围绕次级外筒电极组件沿周向设置。绝缘压板7设置在脉冲电容器111外侧，绝缘压板7在周向压紧脉冲电容器111，使得弧形刀口电极113与下电极10、上电极11实现电连接，绝缘压板7与脉冲电容器111之间设置有橡胶缓冲垫13。上盖板5、下底板4、上绝缘板3、下绝缘板2、次级外筒电极组件、多个磁芯8、多个分立导体9、多路放电支路组件1均设置在外筒体14中，外筒体14充入绝缘介质。

初级回流激磁采用分立导体9代替常规独立腔体FLTD模块的封闭腔体，分立导体9数量与放电支路组件1的并联支路数相同，围绕下电极10和上电极11圆周对称均布，分立导体9位于相邻放电支路组件1对称的中间位置，与开关高压电极距离应大于50mm以满足绝缘要求，与下底板4、上盖板5构成窗口大于支路宽度与高度，放电支路可以从窗口抽出和推入。

放电支路组件1整体插拔，下电极10和上电极11外侧设计环形槽口，与支路输出弧形刀口电极113弧度吻合，支路组件1压板通过橡胶缓冲垫13压紧电容器，使支路输出弧形刀口电极113与圆柱形下电极10和上电极11外侧环形槽良好电气连接。绝缘压板7与支路组件1电容器弹性压接，另一端突出部分与下绝缘板2或者上绝缘板3通过高强度绝缘螺钉连接压紧，提供足够压力给支路电容器，使支路输出弧形刀口电极113与下电极10，上电极11可靠电气连接。

上下电极10和两个同轴环形绝缘管构成负载水电阻12的水溶液腔体，往该腔体注入盐溶液，通过调节盐溶液的电导率可以使水电阻12的阻值与FLTD源的阻抗相匹配。

本发明提供的便于维护的FLTD装置装配方法包括以下步骤：

步骤1：将两只低电感脉冲电容器111、低电感气体开关112、弧形刀口电极113按顺序装配为独立的放电支路组件1，气体开关112位于两只脉冲电容器111高压端输出一侧，弧形刀口电极113安装在脉冲电容器111接地端输出一侧；

步骤2：将下电极10、中间绝缘板6和上电极11依次安装固定成为一体构成次级外筒电极组件，三件零件之间压接密封圈；

步骤3：按顺序依次安装下底板4、下层磁芯8、下绝缘板2、次级外筒电极组件、上层磁芯8、上绝缘板3、上盖板5、分立导体9柱组成安装框架；

步骤4：将步骤1中的放电支路组件1依次插入步骤3安装的安装框架内，并用绝缘压板7将上、下两只电容器固定压紧，使弧形刀口电极113与下电极10、上电极11可靠牢固接触。

本发明便于维护的FLTD装置维护替换方法包括以下步骤：

步骤1：判断某一支路工作不良，如电容器损坏、开关损坏或工作异常(自放电或与其他支路开关不能同步放电)；

步骤2：拆掉不良或者器件损坏放电支路组件1的绝缘压板7，从分立导体9、上绝缘板3、下绝缘板2构成的窗口抽出放电支路组件1，更换备用放电支路组件1，完成设备维护。

本发明利用分立导体9替代圆柱筒回流激磁，支路组件1可从分立导体9与腔体上下盖板构成的窗口整体插拔，支路输出到次级外筒采用弧形刀口电极113压接连接形式，有效降低了FLTD接触电阻，采用本发明显著提高了FLTD维护便利性。

分立柱激磁回流的可行性分析：为验证分立导体9回流激磁FLTD原理和技术可行性，可建立24支路并联的MA级模块的电磁模型，单级FLTD同轴外筒体14、24根分立导体9回流结构轴视图和剖面图分别如图2～3所示。

在本实施例中，24支路并联分立导体9回流插拔式支路的MA级FLTD模块如图1所示，实施例共24个支路，其中主放电为23个，主支路由两只100nF/100kV双端引出电极的塑壳电容器和1只工作电压±100kV的三电极场畸变气体开关112组成，如图4所示，支路方便在分立柱之间的窗口插拔；其中一个为触发支路，其产生的电脉冲经角向传输线传输分配后，经300Ω电阻引入到主支路开关触发电极。

支路电容充电电压±80kV、负载电阻0.1Ω时，单级FLTD采用同轴外筒体14/分立导体(24根)回流结构的负载电流及电压波形，分别如图8和图9所示。

两种激磁回流结构FLTD输出电流和电压波形相同：同轴外筒回流时，电流峰值958.6kA、前沿时间149.3ns，电压峰值101.3kV、峰值前沿时间145.0ns；分立导体9回流时，电流峰值960.3kA、峰值前沿时间151.0ns，电压峰值101.0kV、前沿时间145.6ns，电磁模型计算结果说明采用分立导体回流激磁原理是可行。

实施效果：采用分立导体，充电±25kV，峰值电流212kA，峰值时刻180ns；采用整体圆柱筒，充电±40kV，峰值电流415kA，峰值时刻178ns(开关同步比充电25kV时好,前沿略小)。采用整体圆柱筒回流和分立导体回流时，23个主支路放电输出电流波形基本相同，如图10所示，电磁模型与实施例实验验证了分立导体回流激磁、插拔式支路的可行性，实施例效果支路插拔、更换非常方便。

Claims (9)

1.一种便于维护的FLTD装置，其特征在于：包括上盖板(5)、下底板(4)、上绝缘板(3)、下绝缘板(2)、次级外筒电极组件、多个磁芯(8)、多个分立导体(9)、多路放电支路组件(1)；

所述次级外筒电极组件包括上电极(11)、下电极(10)和中间绝缘板(6)；所述中间绝缘板(6)设置在下电极(10)、上电极(11)之间；

所述放电支路组件(1)包括气体开关(112)和两只脉冲电容器(111)；所述两只脉冲电容器(111)叠加设置，且通过中间绝缘板(6)绝缘，所述气体开关(112)设置在两只脉冲电容器(111)的一侧，且与两只脉冲电容器(111)电连接；

所述放电支路组件(1)安装在下底板(4)、上盖板(5)之间，与上盖板(5)通过上绝缘板(3)绝缘，与下底板(4)通过下绝缘板(2)绝缘；多路放电支路组件(1)围绕次级外筒电极组件沿周向设置，且脉冲电容器(111)的输出电极分别与上电极(11)、下电极(10)电连接；

所述上盖板(5)、上电极(11)、放电支路组件(1)的上层脉冲电容器(111)组成的腔体为第一腔体，所述下底板(4)、下电极(10)、放电支路组件(1)的下层脉冲电容器(111)组成的腔体为第二腔体，所述磁芯(8)分别设置在第一腔体、第二腔体中；

所述分立导体(9)设置在下底板(4)、上盖板(5)之间，且围绕次级外筒电极组件周向设置；

所述脉冲电容器(111)的输出电极为弧形刀口电极(113)，所述下电极(10)和上电极(11)上设置有与弧形刀口电极(113)相匹配的凹槽，所述弧形刀口电极(113)分别插入上电极(11)和下电极(10)的凹槽内，实现电连接。

2.根据权利要求1所述便于维护的FLTD装置，其特征在于：还包括设置在脉冲电容器(111)外侧的绝缘压板(7)，所述绝缘压板(7)在周向压紧脉冲电容器(111)，使得弧形刀口电极(113)与下电极(10)、上电极(11)实现电连接。

3.根据权利要求2所述便于维护的FLTD装置，其特征在于：所述绝缘压板(7)与脉冲电容器(111)之间设置有橡胶缓冲垫(13)。

4.根据权利要求1至3任一所述便于维护的FLTD装置，其特征在于：所述气体开关(112)设置在脉冲电容器(111)高压端输出一侧，所述弧形刀口电极(113)安装在脉冲电容器(111)接地端输出一侧。

5.根据权利要求4所述便于维护的FLTD装置，其特征在于：还包括外筒体(14)，所述上盖板(5)、下底板(4)、上绝缘板(3)、下绝缘板(2)、次级外筒电极组件、多个磁芯(8)、多个分立导体(9)、多路放电支路组件(1)均设置在外筒体(14)中，所述外筒体(14)充入绝缘介质。

6.根据权利要求5所述便于维护的FLTD装置，其特征在于：所述分立导体(9)数量与放电支路组件(1)数量相同，且分立导体(9)位于相邻放电支路组件(1)对称的中间位置。

7.一种基于权利要求1至6任一所述便于维护的FLTD装置的装配方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1、将两只脉冲电容器、气体开关、弧形刀口电极装配为独立的放电支路组件，气体开关位于两只脉冲电容器高压端输出一侧，弧形刀口电极安装在脉冲电容器接地端输出一侧；

步骤2、将下电极、中间绝缘板和上电极安装为次级外筒电极组件，并保证三者之间接触面的气密性；

步骤3、按顺序依次安装下底板、下层磁芯、下绝缘板、次级外筒电极组件、上层磁芯、上绝缘板、上盖板、分立导体组成安装框架；

步骤4、将步骤1中的放电支路组件依次插入步骤3安装的安装框架内，并用绝缘压板将上、下两只脉冲电容器固定压紧，使弧形刀口电极与下电极、上电极可靠牢固接触。

8.一种基于权利要求1至6任一所述便于维护的FLTD装置的维护方法，其特征在于，放电支路组件的替换方法包括以下步骤：

步骤1、判断某一放电支路组件工作不良；

步骤2、拆掉不良或者器件损坏放电支路组件中的绝缘压板，从分立导体、上绝缘板、下绝缘板构成的窗口抽出放电支路组件，更换备用放电支路组件，完成设备维护。

9.根据权利要求8所述的便于维护的FLTD装置的维护方法，其特征在于：步骤1中，判断某一放电支路组件工作不良的具体要求为：脉冲电容器损坏、气体开关损坏或工作异常。

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