CN110417381A - 一种集成触发的快直线型变压器驱动源 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种集成触发的快直线型变压器驱动源，一是解决现有FLTD模块整体结构复杂、高压触发电缆故障率高、触发脉冲幅值受限、触发脉冲畸变严重不足的问题；二是解决现有初级脉冲源中水电阻存在的阻值稳定性差、易发生击穿、损坏后果严重、机械固定困难、热膨胀系数大的问题。该快直线型变压器驱动源包括脉冲输出装置、充电触发装置和多路放电支路，脉冲输出装置包括触发单元和角向传输单元；触发单元用于产生触发脉冲信号，角向传输单元用于将触发脉冲信号传输给被触发气体开关；充电触发装置包括充电电阻和触发电阻；充电电阻的两端分别与相邻气体开关的充电电极连接；触发电阻的一端与气体开关的触发电极连接，另一端与脉冲输出装置连接。

Description

一种集成触发的快直线型变压器驱动源

技术领域

本发明涉及高功率脉冲驱动源，具体涉及一种集成触发的快直线型变压器驱动源。

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35和一支电触发气体开关32组成，各放电支路的放电回路均包绕磁芯38一圈，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，次级负载可以近似获得与初级充电电压一致的峰值电压，而电流则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35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32同步导通。

充电过程：模块内电容器35设置为两层，每个放电支路的两支电容器35分别连接至电触发气体开关32的主电极两端，而各电触发气体开关32之间通过高压充电电阻31连接，外部有两根极性相反的(即正负极性)高压充电电缆34分别连接至模块内部任意一电触发气体开关32的两端。充电过程中，外部高压电源通过高压充电电缆34分别向两层电容器35充电，每条高压充电电缆34输出的充电电流均通过各层串联在一起的高压充电电阻31分配至各支路电容器35。

触发过程：模块内电容器中间绝缘盘36上设置有一圆环型触发线37，外部触发器通过一高压触发电缆39连接至圆环型触发线37，而各电触发气体开关32的触发电极通过一高压触发电阻33连接至圆环型触发线37。待模块充电完成后，外部触发器产生触发信号，触发信号通过高压触发电缆39传输至圆环型触发线37，圆环型触发线37再将触发信号沿角向进行分配，并通过高压触发电阻33施加至电触发气体开关32触发电极，进而控制各开关的近似同步闭合。

由以上过程可知，目前FLTD模块与触发器呈分立状态，二者之间通过高压触发电缆39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，基于该触发方式的FLTD驱动源建设，触发器规模将异常庞大，其规模甚至可能超越驱动源本身。因此，如何简化FLTD模块触发器、提高其可靠性具有重要的工程应用价值，已成为FLTD技术研究的一大热点问题。

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，提出了一种基于角向传输单元分配的触发方式。整个触发器由四部分构成：外部触发单元、高压触发电缆、高压放大单元和角向传输单元。外部触发单元采用三级脉冲放大将700V脉冲电压放大至140kV输出，触发脉冲经高压电缆传输至模块内部的高压放大单元，高压放大单元由两支20nF/100kV电容器和一支±100kV气体开关组成，该单元经触发放电后最高可产生200kV脉冲电压，高压放大单元输出脉冲再经过角向传输单元分配模块内部各放电支路开关。该触发器的特点是：将FLTD模块传统触发器所需的4至6根高压触发电缆缩减至1根，大大简化了触发器整体规模，但工程实践中仍然存在以下四方面的不足：1)整体结构复杂；该触发器从外部触发单元到模块内部的高压放大单元先后经过4级放大，实现了最高为200kV的输出电压峰值，放大电压等级分别为33kV、100kV、140kV和200kV，所需单元部件包括氢闸流管、储能电容、脉冲变压器、峰化电容、峰化开关、充电电阻、电源等数十个甚至上百个单元部件，结构异常复杂。此外，外部触发单元的初级控制信号为700V电脉冲，在强电磁环境下亦容易导致干扰而误动作；2)高压触发电缆故障率高；外部触发单元输出电压峰值为140kV、前沿时间约25ns，电缆绝缘材料在高频脉冲作用下存在着明显的绝缘劣化现象，而对于大型驱动源建设，所需触发电缆达数万至数十万根，电缆击穿概率明显增加，严重影响驱动源的可靠性；3)触发脉冲幅值受限；该触发器角向传输单元沿用了传统的布线位置，即位于模块放电支路电容器组之间的绝缘隔板中，受限于支路放电回路电感参数的要求，该隔板厚度一般小于15mm，而上下电容器电压分别为正负100kV直流电压，触发脉冲幅值过高会直接导致隔板的电击穿，进而损坏整个FLTD模块，因此该种角向线布线位置下，触发电压最高上限不大于200kV，考虑到长期可靠运行其阈值会更低；4)触发脉冲畸变严重；该触发器中角向传输单元由线径为数毫米的导线弯折而成，周围主要以电容器为主，在触发器等效电路中体现为集中的电感参数，未能真正的形成具有特定几何阻抗的平板传输线特性，因此，触发脉冲在该型角向传输单元中传输时会产生严重的脉冲畸变，导致前沿变缓、幅值降低，进而影响模块的触发效果。

针对FLTD模块工作过程中高压电阻(高压充电电阻31和高压触发电阻33)的设计，国内外开展了众多探索与研究，但截至目前，始终未能脱离水电阻的使用(以某种导电液为介质的电阻)。在J.R.Woodworth，W.E.Fowler，B.S.Stoltzfus等学者的《Compact 810kAlinear transformer driver cavity》(Physical Review Special Topic-Acceleratorand Beams，2011，14，pp.040401)中提出了一种20个放电支路并联的快直线型变压器驱动源模块，每个放电支路包含2个高压充电电阻和1个高压触发电阻，充电电阻和触发电阻均由塑料软管内装导电液构成，软管两端插接金属帽密封导电液，同时金属帽作为电气连接件与外部部件连接(电容器或开关)。该型电阻的优点是功率容量大、结构简单、成本低，但在工程实践中存在以下方面的问题：1)阻值不稳定；水电阻由电解质与纯净水配比而成，随着静置时间、环境温度等条件的改变，电解液容易发生凝聚、析出等变化，进而导致水电阻阻值的改变；2)容易发生击穿；水电阻在静置条件下，容易析出微小气泡，而气泡介电常数仅约电解液的1/81，意味着其内部电场强度是电解液的81倍，局部电场被严重畸变，进而导致气泡击穿引发的电阻失效；3)损坏导致后果严重；通常初级脉冲源充满变压器油介质，当水电阻损坏破裂后，电解液会污染整个初级源腔体中的变压器油，造成巨大的经济损失和维护难度；4)机械固定困难；从安装便捷性、增加沿面长度、热胀冷缩效应考虑，水电阻外壁多采用塑料软管，在长时间使用过程中，由于电动力的作用，容易导致软管变形，造成根部断裂甚至正负充电电阻之间的绝缘击穿；5)热胀冷缩明显；电解液热膨胀系数较大，在环境温度变化过程中热胀冷缩幅度大，容易造成软管破裂或者端部金属帽脱离，造成电阻的损坏，特别在低于0℃或者高于100℃环境温度下更是无法使用，直接限制了初级脉冲源的使用环境。

综合以上分析，虽然国内外针对快直线型变压器驱动源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，各型设计方案均存在着一定程度的不足，尚不能完全满足。

发明内容

本发明提供一种集成触发的快直线型变压器驱动源，一是解决现有FLTD模块整体结构复杂、高压触发电缆故障率高、触发脉冲幅值受限、触发脉冲畸变严重不足的问题；二是解决现有初级脉冲源中水电阻存在的阻值稳定性差、易发生击穿、损坏后果严重、机械固定困难、热膨胀系数大的问题。

本发明解决上述问题的技术方案是：

一种集成触发的快直线型变压器驱动源，包括脉冲输出装置、充电触发装置和多路放电支路，所述放电支路包括气体开关和电容器，所述脉冲输出装置包括触发单元和角向传输单元；所述触发单元用于产生触发脉冲信号，所述角向传输单元用于将触发脉冲信号传输给被触发气体开关；所述触发单元和角向传输单元通过金属连接件连接；所述触发单元包括初级触发回路和Marx回路；所述初级触发回路包括初级储能电容、初级放电开关和两个触发隔离电阻；所述初级储能电容的一端接地，另一端分别与外部高压电源、初级放电开关的一端连接，所述初级放电开关的另一端均与两个触发隔离电阻的一端连接，两个触发隔离电阻的另一端与Marx回路连接；所述Marx回路包括结构相同的第一放电回路和第二放电回路，所述第一放电回路包括主放电开关、第一主储能电容、第二主储能电容和高压隔离电阻；所述主放电开关的触发电极与触发隔离电阻连接，所述第一主储能电容的一端与主放电开关的高压电极连接，另一端与高压隔离电阻的一端连接，所述第二主储能电容的一端与主放电开关的低压电极连接，另一端与高压隔离电阻的另一端连接，所述第一放电回路的第二主储能电容的另一端与第二放电回路的第一主储能电容的一端连接；所述第一放电回路的第一主储能电容的另一端与金属连接件连接，作为触发信号的输出，第二放电回路的第二主储能电容的另一端接地；

所述充电触发装置包括充电电阻和触发电阻；所述充电电阻设置在相邻两路放电支路之间，两端分别与相邻气体开关的充电电极连接；所述触发电阻的一端与气体开关的触发电极连接，另一端与脉冲输出装置连接；所述触发电阻包括电阻基体、两个触指弹簧和两个屏蔽端帽；所述屏蔽端帽的一端设置有轴向凹槽，所述轴向凹槽的槽壁与屏蔽端帽的径向端面通过圆弧面连接；所述电阻基体的两端分别插入屏蔽端帽的轴向凹槽内，所述轴向凹槽的槽壁上设置有环形径向凹槽，所述触指弹簧安装在环形径向凹槽内，用于实现屏蔽端帽与电阻基体的电连接。

进一步地，所述角向传输单元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；所述一级线的中间部位与金属连接件连接，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；每段二级线的两端通过第二连接线与三级线连接；所述三级线与触发电阻连接，用于输出触发信号。

进一步地，所述一级线阻抗为触发单元内阻的5～10倍，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，所述一级线的弧度大于二级线的弧度，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，所述初级放电开关采用光导开关或者激光触发型气体开关，所述初级放电开关通过光纤与外部脉冲激光器连接。

进一步地，所述触发单元集成于FLTD模块环壁的外侧，所述角向传输单元设置在FLTD模块环壁的内侧，所述角向传输单元与FLTD模块环壁之间设置有绝缘支撑，所述一级线、二级线和三级线之间设置有绝缘栅格，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，所述电阻基体插入屏蔽端帽的部分设置有金属镀膜层，所述环形径向凹槽的截面为梯形截面，所述触指弹簧的截面为椭圆形。

进一步地，所述充电电阻包括金属电阻丝、绝缘支架和金属端帽，所述金属电阻丝绕制在绝缘支架上，所述金属端帽固定设置在绝缘支架的两端，且与金属电阻丝电连接。

进一步地，所述绝缘支架上沿轴向均布多个有绝缘凸台，所述金属电阻丝在绝缘凸台两边的缠绕方向相反。

进一步地，所述金属电阻丝与绝缘支架之间涂覆液体绝缘漆，用于固定金属电阻丝与绝缘支架之间的相对位置。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

1.本发明集成触发的快直线型变压器驱动源的脉冲输出装置采用两级脉冲放大、触发单元与角向传输单元一体化设计思路，有效避免了高压触发电缆的使用；将角向传输单元的位置调整至FLTD模块环壁内侧，大幅提高了触发脉冲工作阈值，同时角向传输单元采用阻抗匹配设计，确保了触发脉冲的高保真性能。上述措施有效解决了现有快直线型变压器驱动源整体结构复杂、高压触发电缆故障率高、触发脉冲幅值受限、触发脉冲畸变严重等不足，为大型驱动源建设用FLTD模块研制提供了重要参考。

2.本发明集成触发的快直线型变压器驱动源的充电触发装置充分利用了丝绕电阻(功率容量大、耐压水平高)和实体电阻(电感低，功率容量较大、耐压水平较高)自身特点，实现了初级脉冲源大功率高压电阻的全固态化设计，解决了传统水电阻存在的阻值稳定性差、易发生击穿、损坏后果严重、机械固定困难、热膨胀系数大等问题，且所述高压电阻易于工业化批量生产，有效提高了该型电阻的可靠性，为初级脉冲源高压电阻的工程实践提供了重要参考。

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为本发明集成触发的快直线型变压器驱动源的结构示意图；

图4为本发明脉冲输出装置的结构示意图；

图5为本发明脉冲输出装置中触发单元的电路图；

图6为本发明脉冲输出装置中角向传输单元的等效拓扑结构示意图；

图7为本发明角向传输单元的剖视图；

图8为本发明角向传输单元的结构示意图；

图9为本发明充电触发装置中触发电阻的结构示意图；

图10为本发明充电触发装置中充电电阻的结构示意图。

附图标记：1-触发单元，2-角向传输单元，3-FLTD模块环壁，4-金属连接件，5-初级触发回路，6-Marx回路，7-初级储能电容，8-初级放电开关，9-触发隔离电阻，10-主放电开关，11-第一主储能电容，12-第二主储能电容，13-高压隔离电阻，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，110-外部高压电源，111-绝缘栅格，21-触发电阻，22-充电电阻，211-电阻基体，212-触指弹簧，213-屏蔽端帽，214-轴向凹槽，215-环形径向凹槽，216-金属镀膜层，221-金属电阻丝，222-绝缘支架，223-金属端帽，224-绝缘凸台，31-高压充电电阻，32-电触发气体开关，33-高压触发电阻，34-高压充电电缆，35-电容器，36-电容器中间绝缘盘，37-触发线，38-磁芯，39-高压触发电缆。

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。

如图3所示，本发明提供一种集成触发的快直线型变压器驱动源，包括多路放电支路、充电触发装置和脉冲输出装置，放电支路包括气体开关和电容器，脉冲输出装置用于产生脉冲触发信号，并通过充电触发装置中的触发电阻将该脉冲信号传输给气体开关。

如图4至图8所示，脉冲输出装置包括触发单元1和角向传输单元2。触发单元1用于产生触发脉冲信号，角向传输单元2用于将产生的触发脉冲信号传输给气体开关。触发单元1封装于金属箱体内，并整体集成于FLTD模块环壁3的外侧；角向传输单元2布置于FLTD模块环壁3的内侧。触发单元1与角向传输单元2之间通过金属连接件4(圆柱型的金属杆)直接连接，避免了高压电缆的使用，同时实现一体化设置，金属杆穿过FLTD模块环壁3上的圆孔，二者无电连接。

如图5所示，触发单元1由两级脉冲放大单元组成，能够产生数百千伏高压脉冲。触发单元1包括初级触发回路5和Marx回路6，初级触发回路5用于产生初级触发脉冲信号(70kV至100kV)，包括初级储能电容7、初级放电开关8和两个触发隔离电阻9；初级储能电容7的一端接地，另一端分别与外部高压电源110、初级放电开关8的一端连接，初级放电开关8的另一端均与两个触发隔离电阻9的一端连接，两个触发隔离电阻9的另一端与Marx回路6连接。工作中先对初级储能电容7进行直流充电，充电至预定电压值时控制初级放电开关8导通，并对触发隔离电阻9进行放电，形成近似初级储能电容7充电电压峰值的脉冲电压输出，触发隔离电阻9末端通过高压导线连接至下游的小型Marx回路6中的主放电开关10的触发电极。

Marx回路6包括结构相同的第一放电回路和第二放电回路，第一放电回路包括主放电开关10、第一主储能电容11、第二主储能电容12和高压隔离电阻13；主放电开关10的触发电极与触发隔离电阻9连接，第一主储能电容11的一端与主放电开关10的高压电极连接，另一端与高压隔离电阻13的一端连接，第二主储能电容12的一端与主放电开关10的低压电极连接，另一端与高压隔离电阻13的另一端连接。第二放电回路与第一放电回路的器件设置相同。同时，第一放电回路的第二主储能电容12的另一端与第一放电回路的第一主储能电容11的一端连接。第一放电回路的第一主储能电容11的另一端与金属连接件4连接，作为触发信号的输出，第二放电回路的第二主储能电容12的另一端接地。Marx回路的工作原理与传统的Marx发生器一致，本发明Marx回路6采取两级放电单元，每级由两支主储能电容器和一支主放电开关10构成。实际应用中，依据输出脉冲参数要求可灵活调整其开关工作电压、级数和储能电容容值，针对FLTD模块脉冲输出装置设计，级数一般不大于3级，主储能电容容值介于10nF至20nF之间，主放电开关10工作电压介于±50kV至±100kV之间。此外，考虑触发单元1初级触发控制抗干电磁干扰性能要求，初级放电开关8采用光导开关或者激光触发型气体开关，外部初级触发控制信号(脉冲激光)通过光纤引入至初级放电开关8。

如图6所示，角向传输单元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连接，作为信号的输入点，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的两端通过第二连接线18与三级线16连接；三级线16与支路触发电阻21连接，作为信号的输出点。

角向传输单元2的具体设置如下，其在FLTD模块环壁3内侧呈圆弧状布置，剖视结构如图7所示。一级线14呈180°圆弧，其中间位置连接至金属杆，两端分别连接至两段二级线15的中间部位；二级线15由两段90°圆弧构成，中间部位分别连接至一级线14的端部，每段二级线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电阻21，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，需在角向传输单元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单元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。除上述工作原理和结构设计外，脉冲输出装置整体设计中还需要充分考虑高电压绝缘安全裕度和机械支撑强度配合。此外，FLTD模块中均注满变压器油绝缘介质，结构设计亦需要考虑一定的气泡排放需求。

本发明触发单元1采用两级脉冲放大，触发单元1完全集成于FLTD模块之中，触发单元1与角向传输单元直接连接，避免了高压电缆的使用。角向传输单元2布置于FLTD模块环壁3内侧，通过带状传输线结构实现了整个传输线的阻抗匹配设计，确保触发脉冲的高保真传输。此外，触发单元1初级触发控制采用光纤引入式的脉冲激光触发，避免了电磁干扰误动作问题。整体设计具有结构简单、触发幅值高、脉冲波形好、可靠性高等特点，对于各类具有触发控制需求的初级脉冲源研制具有重要的参考价值。该充电触发装置采用全固态化设计，具有功率容量高、耐高压、阻值稳定、安装方便、环境适应性好等特点，对于各类具有高电压充电和触发电阻的设备研制具有重要的参考价值。

如图3所示，充电触发装置包括充电电阻22和触发电阻21，该充电触发装置是一种全固态化大功率高压电阻组合。在初级脉冲源中，不同功用的高压电阻具有各自的特点：充电电阻22要求其大功率容量、高耐压的特点；触发电阻21要求其具有低电感、较大功率容量、耐压高的特点。根据以上特点，本发明高压电阻采用全固态化设计，且两种类型电阻组合使用，以满足不同功用高压电阻对电感、功率容量、耐压等参数要求。本发明充电电阻22采用丝绕电阻，特点是功率容量大、耐压高，具有一定的电感，不能满足触发电阻21的需求。触发电阻21采用陶瓷实体电阻，其特点是电感低、耐压高，功率容量虽然不及丝绕电阻，但完全能够耐受触发脉冲能量。充电电阻22设置在相邻两路放电支路之间，分为上下两排，其中，上排充电电阻22的两端分别与相邻气体开关的高压电极连接，下排充电电阻22的两端分别与相邻气体开关的低压电极连接；触发电阻21的一端与气体开关的触发电极连接，另一端与触发控制信号源连接。

触发电阻21沿长度方向的剖视结构如图9所示，触发电阻21包括电阻基体211、两个触指弹簧212和两个屏蔽端帽213；电阻基体211为绝缘材料掺杂导电材料压制而成，如陶瓷掺杂石墨、陶瓷掺杂铝粉等，依据具体使用环境要求，其可制作为多种结构，如圆柱型、长方体等。电阻基体211两端表面以及端部柱面上均镀有金属镀膜层216，用于与外部部件的电接触，为增强导电性，最好选择为铜、银或金材料。屏蔽端帽213的一端设置有轴向凹槽214，轴向凹槽214的槽壁与屏蔽端帽213的径向端面通过圆弧面连接(轴向凹槽214的槽壁与屏蔽端帽213的端面拐角设置为圆弧面)；电阻基体211的两端分别插入屏蔽端帽213的轴向凹槽214内；轴向凹槽214的槽壁上设置有环形径向凹槽215，触指弹簧212安装在环形径向凹槽215内，用于实现屏蔽端帽213与电阻基体211的电连接。具体的，环形径向凹槽215的截面可为梯形截面，触指弹簧212的截面为椭圆形，目的是确保屏蔽端帽213与电阻基体211插接条件下的良好电接触。在实际加工时，屏蔽端帽213加工出与电阻基体211界面一致的凹槽，其深度略大于电阻基体211端部金属镀膜的长度，且边缘进行倒角处理，以屏蔽绝缘基体与屏蔽端帽213根部结合点的电场。

充电电阻22采用丝绕电阻，丝绕电阻沿长度方向的剖视结构如图10所示，包括金属电阻丝221、绝缘支架222和金属端帽223；金属电阻丝221外表面固化有绝缘漆，直流耐压大于1kV，整个线直径从数百微米至数毫米不等，取决于电阻值大小要求。绝缘支架222由绝缘材料构成，如陶瓷、有机玻璃、聚碳酸脂等，针对散热要求，绝缘支架222可制作为空心结构，增大热交换效率；丝绕电阻绕制过程中，预先在绝缘支架222上涂覆绝缘漆(液态)，在未固化条件下将金属电阻丝221密绕至绝缘支架222上，而后将初步绕制完成的丝绕电阻放置于真空腔体内，排除液体绝缘漆中残留的气泡；绝缘支架222两端设置有螺纹结构，待绝缘漆完全固化后，金属端帽223与绝缘支架222通过螺纹连接，并将金属电阻丝221端部去除绝缘漆层后焊接至金属端帽223突出边缘内侧，突出边缘具有弧形倒角，并对金属电阻丝221端部形成良好屏蔽，有利于丝绕电阻整体耐压水平的提升。此外，为降低丝绕电阻回路电感和匝间电动力，绝缘支架222外表面每隔一小段距离设置有一个绝缘凸台224，金属电阻丝221在此位置绕制方向反转一次。

在初级脉冲源功率水平较低条件下，实体电阻亦可作为充电电阻22使用，但丝绕电阻由于电感的影响，始终无法作为触发电阻21使用。本发明丝绕电阻采取绝缘漆粘接、真空排气、隔段反绕、端部屏蔽等措施，有效降低匝间电动力影响、提高电阻耐压水平。实体电阻采取触指弹簧212连接、端部屏蔽等措施，确保了电阻整体耐压水平。

下面详细介绍集成触发的快直线型变压器驱动源各特征之间的关系和功能作用。

集成触发的快直线型变压器驱动源模块二分之一单元结构如图3所示，整个模块由32个放电支路组成，每个放电支路包括两支电容器和1支气体开关，充电电阻22采用丝绕电阻，布置于两支路气体开关之间，分为上下两排；触发电阻21采用陶瓷实体电阻，从模块环壁上的触发线连接至气体开关的触发电极上；从模块上端向下看，触发电阻21与充电电阻22之间呈约90度角，但空间上无交叉，最大限度减小了二者之间的正对面积(二者平行时正对面积大，放电概率最高)，有利于绝缘可靠性的提升。

脉冲输出装置主要由触发单元1和角向传输单元2两部分组成。触发单元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)，触发箱体直接与FLTD模块环壁3连接；FLTD模块环壁3直径2750mm、高315mm，角向传输单元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的圆柱型金属杆穿过该圆孔中心，两端分别与触发单元1的小型Marx回路6的输出端、角向传输单元2的一级线14的中心螺纹连接。整个触发单元1密闭于金属腔体内，触发单元1与模块主体之间仅通过数个管道联通，避免触发单元1放电可能对模块主体中的放电支路造成干扰。

触发单元1由初级触发回路5和小型Marx回路6两部分组成；初级触发回路5主要由初级储能电容7、初级放电开关8和触发隔离电阻9组成。初级储能电容7由4支50kV/4.4nF的圆柱型陶瓷电容器串联组成，总体等效电容容值约为1.1nF，单个陶瓷电容器直径约60mm、高35mm，4支陶瓷电容器之间采用螺杆连接。初级储能电容7器一端接地，另一端与初级放电开关8和外部高压电源110相连，初级放电开关8为一长30mm、宽10mm、高5mm的光导开关，工作电压100kV、通流400kA；光导开关控制信号由外部激光器产生，并通过光纤引入，脉冲激光参数为10μJ、905nm。触发单元1外触发信号采用光纤引入式的微焦耳级脉冲激光，提高模块整体抗干扰性能。光导开关一端连接至初级储能电容7器高压端，另一端连接两支触发隔离电阻9，触发隔离电阻9为1kΩ圆柱型陶瓷实体电阻，长100mm、直径10mm。初级触发回路5工作过程中，外部直流电源先对初级储能电容7进行直流充电，充电至100kV值时控制初级放电开关8导通，并对触发隔离电阻9进行放电，产生前沿时间约20ns、峰值约100kV的初级电压脉冲信号。触发隔离电阻9末端通过高压导线连接至下游的小型Marx回路6中的主放电开关10触发电极。小型Marx回路6主要包括主储能电容、主放电开关10和高压隔离电阻13，主储能电容器为两端引出的100kV/12nF箔膜塑壳电容器(无锡锡脉公司生产)，主放电开关10为西北核技术研究院研制的小型多间隙气体触发开关，直径约80mm、高度约150mm；高压隔离电阻13为200kV/1kΩ金属丝线绕电阻，直径约25mm、长度约150mm。整个小型Marx回路6由两级放电单元构成，每级放电单元由两支主储能电容器和一支主放电开关10构成，主储能电容、主放电开关10和高压隔离电阻13之间的连接与传统的Marx发生器完全一致，小型Marx回路62一端接地，另一端输出高压与金属杆4连接。

角向传输单元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33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，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，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个支路触发电阻21，用于最终模块各放电支路开关的触发控制。角向传输单元2的弧直径均为2700mm、厚度10mm。角向传输单元22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，角向传输单元2各级线之间绝缘间隔为15mm、角向传输单元22与FLTD模块环壁3之间的绝缘厚度为15mm。整个角向传输单元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。触发单元1和角向传输单元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111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。

触发电阻21结构如图9所示，主要由电阻基体211、触指弹簧212和屏蔽端帽213三部分组成；电阻基体211为陶瓷掺杂石墨材料压制而成，整体呈圆柱形，直径15mm、轴向长度150mm；电阻基体211两端面以及端部柱面10mm距离内均采取了金属镀膜处理，材料为银、厚度50μm，用以提高电阻基体211与触指弹簧212之间的电接触特性；屏蔽端帽213长度为15mm、外直径30mm、内直径15.5mm、深度12mm，距离屏蔽端帽213环形边缘4mm位置处设置有一环形凹槽，其截面呈梯形结构，上底长度为4mm、下底长度为6mm、高度为3mm，用于布放有触指弹簧212；触指弹簧212为铍铜材料、丝直径1.0mm，截面为椭圆结构，长轴为5mm、短轴为4mm、倾角10°，触指弹簧212装配至屏蔽端帽213后突出高度约介于0.8mm至1.0mm之间(触指弹簧21212的内径比轴向凹槽21414的半径小0.8mm～1.0mm)，以确保插接条件下屏蔽端帽2136与电阻基体2114的良好电接触。

充电电阻22结构如图10所示，主要由金属电阻丝221、绝缘支架222和金属端帽223三部分组成。金属电阻丝221直径为0.3mm，外表面涂有绝缘漆，直流耐压约1kV；绝缘支架222截面近似为椭圆形，长轴长度为100mm，短轴长度为20mm，确保金属电阻丝221在绝缘支架222上绕制的紧密贴合。绝缘支架222长度约150mm，外表面沿长度方向分为三段，每两段之间设置有2mm宽的绝缘凸台224，金属电阻丝221在每个绝缘凸台224位置处调整一次绕制方向，以减小电阻整体的等效电感和电动力。金属电阻丝221与绝缘支架222之间涂覆液体绝缘漆，用于固定金属电阻丝221与绝缘支架222之间的相对位置，绝缘漆固化过程置于真空环境之中，真空度小于10^-3Pa，用于排出其内部微小气泡，提高电阻耐压能力。绝缘支架222两端设置有M10的螺纹结构，金属端帽223与绝缘支架222通过螺纹连接，并将金属电阻丝221端部去除绝缘漆层后焊接至金属端帽223突出边缘内侧，突出边缘导角半径为3mm，对金属电阻丝2211端部形成良好屏蔽，有利于丝绕电阻整体耐压水平的提升。

传统的用于FLTD模块控制的高压脉冲触发器输出电压小于200kV，且需要3至4级进行放大，至少包含3级气体开关，造成输出脉冲时间延时抖动通常大于5ns。本发明中，脉冲输出装置单元由两级放大，第一级的初级放电开关8为光导开关(胡龙.基于砷化镓雪崩光导开关的高重复频率超宽谱脉冲源技术研究[D].西安：西安交通大学电子与信息工程学院，2016)。目前，其最高耐压可达80kV，有望进一步达到100kV，光导开关抖动为百ps量级，基本可以忽略。第二级的主放电开关10为自研的电容分压式多间隙气体开关(HongyuJiang,Fengju Sun,Peitian Cong et al."Optimization of self-breakdown andtriggering characteristics on multigap gas switch by mounting resistors andcapacitors in parallel with switch gaps,"IEEE Transactions on Plasma Science,accepted.)，其耐压可达160kV，触发电压75kV、60％欠压比条件下，抖动低至1.4ns。因此，整个脉冲输出装置最大输出电压幅值可达320kV、抖动为两个主放电开关10的均方平均，60％欠压比条件下低至1.98ns。当欠压比提升至65％、前级触发电压提升至80kV时，整体抖动会进一步降低，确保整个脉冲输出装置抖动小于2ns。

Claims (10)

1.一种集成触发的快直线型变压器驱动源，包括脉冲输出装置、充电触发装置和多路放电支路，所述放电支路包括气体开关和电容器，其特征在于：

所述脉冲输出装置包括触发单元(1)和角向传输单元(2)；所述触发单元(1)用于产生触发脉冲信号，所述角向传输单元(2)用于将触发脉冲信号传输给气体开关；所述触发单元(1)和角向传输单元(2)通过金属连接件(4)连接；

所述触发单元(1)包括初级触发回路(5)和Marx回路(6)；所述初级触发回路(5)包括初级储能电容(7)、初级放电开关(8)和两个触发隔离电阻(9)；所述初级储能电容(7)的一端接地，另一端分别与外部高压电源(110)、初级放电开关(8)的一端连接，所述初级放电开关(8)的另一端均与两个触发隔离电阻(9)的一端连接，两个触发隔离电阻(9)的另一端均与Marx回路(6)连接；

所述Marx回路(6)包括结构相同的第一放电回路和第二放电回路，所述第一放电回路包括主放电开关(10)、第一主储能电容(11)、第二主储能电容(12)和高压隔离电阻(13)；所述主放电开关(10)的触发电极与触发隔离电阻(9)连接，所述第一主储能电容(11)的一端与主放电开关(10)的高压电极连接，另一端与高压隔离电阻(13)的一端连接，所述第二主储能电容(12)的一端与主放电开关(10)的低压电极连接，另一端与高压隔离电阻(13)的另一端连接，所述第一放电回路的第二主储能电容(12)的另一端与第二放电回路的第一主储能电容(11)的一端连接；所述第一放电回路的第一主储能电容(11)的另一端与金属连接件(4)连接，作为触发信号的输出，第二放电回路的第二主储能电容(12)的另一端接地；

所述充电触发装置包括充电电阻(22)和触发电阻(21)；所述充电电阻(22)设置在相邻两路放电支路之间，两端分别与相邻气体开关的充电电极连接；所述触发电阻(21)的一端与气体开关的触发电极连接，另一端与脉冲输出装置连接；

所述触发电阻(21)包括电阻基体(211)、两个触指弹簧(212)和两个屏蔽端帽(213)；所述屏蔽端帽(213)的一端设置有轴向凹槽(214)，所述轴向凹槽(214)的槽壁与屏蔽端帽(213)的径向端面通过圆弧面连接；所述电阻基体(211)的两端分别插入屏蔽端帽(213)的轴向凹槽(214)内，所述轴向凹槽(214)的槽壁上设置有环形径向凹槽(215)，所述触指弹簧(212)安装在环形径向凹槽(215)内，用于实现屏蔽端帽(213)与电阻基体(211)的电连接。

2.根据权利要求1所述的集成触发的快直线型变压器驱动源，其特征在于：所述角向传输单元(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)；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)的中间部位与金属连接件(4)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)与触发电阻(21)连接，用于输出触发信号。

3.根据权利要求2所述的集成触发的快直线型变压器驱动源，其特征在于：所述一级线(14)阻抗为触发单元(1)内阻的5～10倍，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。

4.根据权利要求3所述的集成触发的快直线型变压器驱动源，其特征在于：所述一级线(14)的弧度大于二级线(15)的弧度，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。

5.根据权利要求4所述的集成触发的快直线型变压器驱动源，其特征在于：所述初级放电开关(8)采用光导开关或者激光触发型气体开关，所述初级放电开关(8)通过光纤与外部脉冲激光器连接。

6.根据权利要求5所述的集成触发的快直线型变压器驱动源，其特征在于：所述触发单元(1)集成于FLTD模块环壁(3)的外侧，所述角向传输单元(2)设置在FLTD模块环壁(3)的内侧，所述角向传输单元(2)与FLTD模块环壁(3)之间设置有绝缘支撑(19)，所述一级线(14)、二级线(15)和三级线(16)之间设置有绝缘栅格(111)，所述绝缘栅格(111)的下表面为由外向内向下倾斜的斜面。

7.根据权利要求1至6任一所述的集成触发的快直线型变压器驱动源，其特征在于：所述电阻基体(211)插入屏蔽端帽(213)的部分设置有金属镀膜层(216)，所述环形径向凹槽(215)的截面为梯形截面，所述触指弹簧(212)的截面为椭圆形。

8.根据权利要求7所述的集成触发的快直线型变压器驱动源，其特征在于：所述充电电阻(22)包括金属电阻丝(221)、绝缘支架(222)和金属端帽(223)，所述金属电阻丝(221)绕制在绝缘支架(222)上，所述金属端帽(223)固定设置在绝缘支架(222)的两端，且与金属电阻丝(221)电连接。

9.根据权利要求8所述的集成触发的快直线型变压器驱动源，其特征在于：所述绝缘支架(222)上沿轴向均布多个有绝缘凸台(224)，所述金属电阻丝(221)在绝缘凸台(224)两边的缠绕方向相反。

10.根据权利要求9所述的集成触发的快直线型变压器驱动源，其特征在于：所述金属电阻丝(221)与绝缘支架(222)之间涂覆液体绝缘漆。