CN110417379B - 一种用于脉冲功率源的角向传输装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种用于脉冲功率源的角向传输装置，大幅简化触发装置与模块主体之间的连接，解决现有FLTD模块结构设计存在的整体结构复杂、触发脉冲幅值受限、同步控制效果不佳、系统可靠性低、模块性能不稳定等问题。该用于脉冲功率源的角向传输装置包括由上至下依次设置的一级线、两段二级线和三级线；一级线和二级线均为圆弧带状结构，三级线为圆环结构；一级线中间部位与触发信号源连接，用于输入触发信号，一级线的两端分别通过第一连接线连接至两段二级线的中间部位；每段二级线的两端分别通过第二连接线与三级线连接；三级线与脉冲功率装置连接，用于输出触发信号。

Description

一种用于脉冲功率源的角向传输装置

技术领域

本发明涉及脉冲信号传输装置，具体涉及一种用于脉冲功率源的角向传输装置，应用于脉冲功率技术中紧凑型前级驱动源。

背景技术

快直线型变压器驱动源(FLTD)是一种能够产生高电压、大电流的新型驱动源，其特点是将传统的脉冲产生、压缩和成形环节集成在高20cm至35cm、直径小于3.0m的圆盘形腔体中，直接产生上升沿约100ns的电功率脉冲。理论上，单个FLTD模块的输出电流峰值可达2.0MA，较之传统的Marx结合多级水介质脉冲压缩成形技术，其体现出众多优势，已成为下一代大型驱动源研制极具竞争性技术之一。

FLTD模块结构如图1和图2所示，初级由多个放电支路并联，每个放电支路由两支正负充电的电容器22和一支电触发气体开关21组成，各放电支路的放电回路均包绕磁芯24一圈，次级为一金属圆柱筒。整个模块在电路上相当于初级由多个单匝线圈并联，次级为一单匝线圈。各放电支路同步工作时，次级匹配负载上可近似获得与初级充电电压一致的峰值电压，而电流为单个放电支路电流的N倍(N为模块放电支路并联数)。FLTD模块工作过程主要分为两步：第一步给各电容器22直流充电；第二步外电路提供电触发信号，控制各电触发气体开关21同步导通。

目前，FLTD模块的触发单元与模块主体呈分立状态，二者之间通过4至6根高压触发电缆25连接，触发电压介于100kV至140kV之间。从驱动源工程实践角度分析，基于该FLTD模块结构的驱动源建设，其触发单元规模将异常庞大，其规模和造价甚至可能超越驱动源本身。因此，优化FLTD模块整体结构对于建设高可靠、低造价的大型驱动源具有重要的工程应用价值。针对FLTD模块整体结构设计，国际上主要提出两种拓扑结构，但在工程实践中均存在着一定程度的不足。

在M.G.Mazarakis，A.A.Kim，R.M.Gilgenbach等学者的《High current lineartransformer driver(LTD)experiments》(6th IEEE International Pulsed PowerConference，Albuquerque，New Mexico，2007，pp:222-225)和A.A.Kim，M.G.Mazarakis，V.A.Sinebryukhov等学者的《Development and tests of fast 1-MA lineartransformer driver stages》(Physical Review Special Topic-Accelerator andBeams，2009，12，pp.050402)中提出一种40个放电支路并联的FLTD模块结构(100kV/1.0MA)，其触发单元置于模块外部，触发电压峰值约-100kV、上升时间约30ns，触发脉冲通过4根65Ω高压触发电缆25输出至FLTD模块，高压触发电缆25沿模块圆环对称分布，输出端均连接至一根4mm线径的圆环形触发线23上，圆环形触发线23位于电容器组之间的绝缘隔板中。此种结构设计的特点是触发单元与FLTD模块相对独立，降低了触发单元结构尺寸的设计要求，但对于工程实践，其存在以下四方面的不足：1)整体结构复杂；该结构设计中，增加了模块主体与触发单元之间的连接部件(即高压触发电缆)，并且考虑高压触发电缆输出端在FLTD馈入端的对称分布要求，其长度通常大于5.0m，导致整体结构较为复杂、布局松散；2)触发脉冲幅值受限；考虑整体布局中高压触发电缆弯曲度需求，工程实践中对高压触发电缆直径有一定的要求，进而导致其绝缘强度受限，一般不大于200kV；3)同步控制效果不佳；FLTD模块中，气体开关的触发工作特性严重依赖于触发脉冲波形。此结构设计中，触发器产生的触发脉冲经高压触发电缆耦合至开关触发电极，触发脉冲存在明显的脉冲畸变，脉冲前沿被拉缓，幅值降低，导致气体开关抖动明显增加，进而影响FLTD模块整体工作性能；4)系统可靠性低；高压触发电缆作为绝缘部件，在脉冲作用下存在明显的绝缘劣化现象，而对于大型驱动源建设，所需高压触发电缆达数万至数十万根，电缆击穿概率明显增加，其成为影响驱动源可靠性的一个重要因素。此外，触发单元前端控制信号通常为数伏的电脉冲信号，在高功率脉冲环境下易受强空间电磁场的干扰，进而导致触发单元的误动作，特别是在大量触发单元存在的条件下，该问题会进一步凸显。

在Chuan Liang，Lin Zhou，Fengju Sun等学者的《A repetitive 800kA lineartransformer drivers stage for Z-pinch driven fusion-fission hybrid reactor》(Laser and Particle Beams，2015，33，pp.535-540)中将触发单元高压放大部分集成于模块主体之中，其输出脉冲通过角向线近似等时地分配至各气体开关。触发单元高压放大部分为模块主体中的一个放电支路，由两支20nF/100kV电容器和一支±100kV气体开关组成，只是放电回路并未包绕磁芯，输出触发脉冲峰值电压为140kV、上升时间25ns。该结构设计的优点是大幅降低了触发电缆数量，由前者的4根减少为1根，但其并未从根本上改变前者模块存在的整体结构复杂、触发脉冲幅值受限和系统可靠性低的不足的问题。同时较之前者，触发单元高压放大部分占用模块放电支路空间，一定程度上降低了模块储能密度，且会对其邻近模块放电支路造成干扰，增大了模块主体中各放电支路误动作概率。

综上所述，虽然国内外对快直线型变压器驱动源模块整体结构提出了多种设计方案，并在工程实践中开展了直接的实验测试。但结果表明，各设计方案均存在着一定程度的不足，尚不能完全满足大型驱动源研制需求。因此，有必要针对FLTD模块结构优化开展更为深入的探索研究工作。

发明内容

本发明提供一种用于脉冲功率源的角向传输装置，大幅简化触发装置与模块主体之间的连接，解决现有FLTD模块结构设计存在的整体结构复杂、触发脉冲幅值受限、同步控制效果不佳、系统可靠性低、模块性能不稳定等问题。

本发明采取一体化设计思路，将角向传输装置集成于FLTD模块主体之中，完全避免了高压触发电缆的使用，外部触发控制采用光纤引入式的脉冲激光触发，整体设计具有结构简单、触发幅值高、控制效果好、可靠性高等特点，对于各类具有触发控制特点的初级脉冲源研制具有重要的参考价值。

本发明解决上述问题的技术方案是：

一种用于脉冲功率源的角向传输装置，包括由上至下依次设置的一级线、两段二级线和三级线；所述一级线和二级线均为圆弧带状结构，所述三级线为圆环结构；所述一级线中间部位与触发信号源连接，用于输入触发信号，所述一级线的两端分别通过第一连接线连接至两段二级线的中间部位；每段二级线的两端分别通过第二连接线与三级线连接；所述三级线与脉冲功率装置连接，用于输出触发信号。

进一步地，每段二级线阻抗为一级线阻抗的两倍，三级线被第二连接线分为四段，每段三级线阻抗为每段二级线阻抗的两倍。

进一步地，所述一级线阻抗为触发装置内阻的5～10倍。

进一步地，所述一级线的弧度大于二级线的弧度。

进一步地，所述一级线为180°圆弧带状结构，所述二级线为90°圆弧带状结构。

进一步地，所述一级线、两段二级线和三级线设置在FLTD模块环壁的内侧。

进一步地，所述一级线、两段二级线和三级线与FLTD模块环壁之间设置有绝缘支撑。

进一步地，所述一级线、二级线和三级线之间设置有绝缘栅格。

进一步地，所述绝缘栅格的下表面为由外向内向下倾斜的斜面。

进一步地，所述一级线、二级线和三级线与FLTD模块环壁之间的绝缘厚度为15mm；所述一级线、二级线和三级线之间的绝缘间隔为15mm。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

本发明将角向传输装置与模块主体设置为一体化，有效避免了高压触发电缆的使用，大幅提高模块可靠性；将角向线设置位置从电容器组之间的绝缘隔板中调整至模块环壁内侧，大幅提高了触发脉冲工作阈值。此外，通过上述综合技术措施，有效解决了现有FLTD模块存在的整体结构复杂、触发脉冲幅值受限、同步控制效果不佳、系统可靠性低、模块性能不稳定等不足，为大型驱动源建设用FLTD模块工程化研制提供了重要参考。

附图说明

图1为现有FLTD模块结构示意图；

图2为现有FLTD模块结构剖视图；

图3为本发明角向传输装置安装结构示意图；

图4为本发明角向传输装置的等效拓扑示意图；

图5为本发明角向传输装置的剖视图；

图6为本发明角向传输装置的立体结构示意图。

附图标记：1-触发装置，2-角向传输装置，3-FLTD模块环壁，4-金属杆，14-一级线，15-二级线，16-三级线，17-第一连接线，18-第二连接线，19-绝缘支撑，21-电触发气体开关，22-电容器，23-触发线，24-磁芯，25-高压触发电缆,30-绝缘栅格。

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。

图3所示，高电压脉冲触发器包括触发装置1和角向传输装置2。触发装置1用于产生触发脉冲信号，角向传输装置2用于将产生的触发脉冲信号传输给电触发气体开关；触发装置1封装于金属箱体内，并整体集成于FLTD模块环壁3的外侧，角向传输装置2布置于FLTD模块环壁3的内侧，触发装置1与角向传输装置2之间通过金属杆4直接连接，避免了高压电缆的使用，同时实现一体化设计。有别于现有模块角向线布置于电容器组之间的绝缘隔板中，本发明三级角向线布置于模块主体的环壁内侧，大幅放宽绝缘裕度限制，提高触发电压幅值允许阈值。三级角向线采取阻抗匹配设计，降低脉冲畸变程度，各级传输线阻抗由触发线导体与模块外环壁以及二者之间的有机绝缘电介质决定。

如图4所示，角向传输装置2包括由上至下依次设置的一级线14、两段二级线15和三级线16，各传输线均呈带状结构。其中，一级线14和二级线15均为圆弧带状结构，且一级线14的弧度大于二级线15的弧度，三级线16为圆环结构。一级线14的中间部位与金属杆4连接，作为触发信号的输入点，一级线14的两端分别通过第一连接线17连接至两段二级线15的中间部位；每段二级线15的两端分别通过第二连接线18与三级线16连接；三级线16与脉冲功率装置连接，用于输出触发信号。

角向传输装置的剖视结构如图5所示，其在FLTD模块环壁3内侧呈圆弧状布置，完全集成于FLTD模块环壁3中，实现了与FLTD模块主体的一体化设计。其中，一级线14呈180°圆弧，其中间位置连接至金属杆4，两端分别连接至二级线15的中间部位；二级线15由两段90°圆弧构成，二者中间部位分别连接至一级线14的端部，二级线15的端部又分别连接至三级线16，三级线16为一整圆弧，三级线16等间距连接特定数量的支路触发隔离电阻，用于最终模块各放电支路开关的触发控制。各级传输线与FLTD模块环壁3之间形成带状传输线，通过调节二者之间的距离和传输线宽度，可方便地实现传输线阻抗参数的调整。为确保触发脉冲波形的保真度，本发明角向传输装置2采取阻抗匹配设计，一级线14阻抗为触发装置1内阻的5至10倍，每段二级线15阻抗为一级线14的2倍，每段三级线16(三级线被第二连接线分为四段)阻抗为每段二级线15的2倍。一级线14的输出端连接两段二级线15，两段二级线15在电气连接上呈并联关系，其等效阻抗与一级线14阻抗相等；同理，每段二级线15的输出端连接两段三级线16，相邻两段三级线16在电气连接上呈并联关系，其等效阻抗与二级线15阻抗完全相等。因此，从角向传输装置2入口看整个角向传输线，其等效传输线阻抗与一级线14的阻抗一致，呈现完全匹配状态。此外，考虑绝缘要求，需在角向传输装置2与FLTD模块环壁3之间，以及各级线之间设置绝缘支撑19，绝缘支撑19各方向结构尺寸取决于角向传输装置2中的脉冲电压参数，需满足体绝缘和沿面绝缘安全要求为标准。

下面以100kV/1.0MA级快直线型变压器驱动源模块触发器设计为例，详细介绍本发明各特征之间的关系和功能作用。高电压脉冲触发器主要由触发装置1和角向传输装置2两部分组成。触发装置1封装于一长520mm、宽670mm、高250mm的长方体金属箱体内(以下称该金属箱体为触发箱体)，其中集成有触发器、正负高压充电电阻和换气转接结构，触发箱体直接与FLTD模块环壁3连接。

FLTD模块环壁3直径为2750mm，高315mm，主要集成有角向传输装置2、32路放电支路和负载。角向传输装置2沿高度方向布放于FLTD模块环壁3内侧。触发箱体与FLTD模块环壁3连接的矩形面中心位置处开有直径为140mm圆孔，直径为15mm的圆柱型金属杆4穿过该圆孔中心，两端分别与触发装置1的输出端、角向传输装置2的一级线14的中心螺纹连接。

角向传输装置2由一级线14、二级线15和三级线16三部分构成，各传输线均呈带状结构，在FLTD模块环壁3内侧呈圆弧状布置。一级线14宽46mm、呈180°圆弧，其中间位置连接至金属杆4，两端分别连接至二级线15的中间部位；二级线15主要由两段90°圆弧构成，宽度为27mm，二者中间部位通过金属片分别连接至一级线14的两端部，二级线15的端部又分别连接至三级线16，四个连接点对称分布，三级线16为一整圆弧，宽度为10mm，等间距连接32个支路触发隔离电阻，用于最终模块各放电支路开关的触发控制。角向传输装置2的弧直径均为2700mm、厚度10mm，整体嵌于一环形绝缘支撑19中，绝缘支撑19整体呈环状结构，其外边缘直径为2730mm、内边缘直径为2580mm、高度160mm，角向传输装置2各级线之间绝缘间隔为15mm、角向传输装置22与FLTD模块环壁3之间的绝缘厚度为15mm。整个角向传输装置2阻抗采取匹配设计，一级线14等效阻抗约为50Ω、每段二级线15等效阻抗约为100Ω、每段三级线16等效阻抗约为200Ω。触发装置1和角向传输装置2均浸置于变压器油绝缘介质之中，绝缘支撑19各级线之间的绝缘栅格30呈特定斜面，即绝缘栅格的下表面为由外向内向下倾斜的斜面，便于注油过程中气泡的排放。

Claims (9)

1.一种用于脉冲功率源的角向传输装置，其特征在于：包括由上至下依次设置的一级线(14)、两段二级线(15)和三级线(16)；所述一级线(14)和二级线(15)均为圆弧带状结构，所述三级线(16)为圆环结构；

所述一级线(14)、两段二级线(15)和三级线(16)均设置在FLTD模块环壁(3)的内侧；

所述一级线(14)中间部位与触发信号源连接，用于输入触发信号，所述一级线(14)的两端分别通过第一连接线(17)连接至两段二级线(15)的中间部位；每段二级线(15)的两端分别通过第二连接线(18)与三级线(16)连接；所述三级线(16)与脉冲功率装置连接，用于输出触发信号。

2.根据权利要求1所述的用于脉冲功率源的角向传输装置，其特征在于：每段二级线(15)阻抗为一级线(14)阻抗的两倍，三级线被第二连接线分为四段，每段三级线(16)阻抗为每段二级线(15)阻抗的两倍。

3.根据权利要求2所述的用于脉冲功率源的角向传输装置，其特征在于：所述一级线(14)阻抗为触发装置(1)内阻的5～10倍。

4.根据权利要求1或2或3所述的用于脉冲功率源的角向传输装置，其特征在于：所述一级线(14)的弧度大于二级线(15)的弧度。

5.根据权利要求4所述的用于脉冲功率源的角向传输装置，其特征在于：所述一级线(14)为180°圆弧带状结构，所述二级线(15)为90°圆弧带状结构。

6.根据权利要求5所述的用于脉冲功率源的角向传输装置，其特征在于：所述一级线(14)、两段二级线(15)和三级线(16)与FLTD模块环壁(3)之间设置有绝缘支撑(19)。

7.根据权利要求6所述的用于脉冲功率源的角向传输装置，其特征在于：所述一级线(14)、二级线(15)和三级线(16)之间设置有绝缘栅格(30)。

8.根据权利要求7所述的用于脉冲功率源的角向传输装置，其特征在于：所述绝缘栅格(30)的下表面为由外向内向下倾斜的斜面。

9.根据权利要求8所述的用于脉冲功率源的角向传输装置，其特征在于：所述一级线(14)、二级线(15)和三级线(16)与FLTD模块环壁(3)之间的绝缘厚度为15mm；所述一级线(14)、二级线(15)和三级线(16)之间的绝缘间隔为15mm。

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