CN110429924B - 一种用于放电支路的充电触发装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种用于放电支路的充电触发装置，解决现有充电触发装置存在阻值稳定性差、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。该充电触发装置包括充电电阻和触发隔离电阻；充电电阻两端分别与相邻电触发气体开关的充电电极连接；触发隔离电阻的一端与电触发气体开关的触发电极连接，另一端与触发控制信号源连接；触发隔离电阻包括电阻基体、触指弹簧和屏蔽端帽；屏蔽端帽的一端设置有轴向凹槽，轴向凹槽的槽壁与屏蔽端帽的径向端面通过圆弧面连接；电阻基体的两端分别插入屏蔽端帽的轴向凹槽内，轴向凹槽的槽壁上设置有径向环形凹槽，触指弹簧安装在径向环形凹槽；充电电阻包括金属电阻丝、绝缘支架和金属端帽。

Description

一种用于放电支路的充电触发装置

技术领域

本发明涉及脉冲功率装置，具体涉及一种用于放电支路的充电触发装置，应用于大型脉冲功率装置中初级脉冲源的可靠充电和触发隔离。

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。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模块的结构如图1所示，初级脉冲源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布局分为两层，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。

触发过程：模块内中间绝缘盘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的触发电极，进而控制各开关的近似同步闭合。

由以上充电过程和触发过程可知，每个放电支路在直流高压充电过程中(恒压或者恒流)均需2～4支高压充电电阻31，而多级放电单元的同步放电由外部触发脉冲通过高压触发电阻33控制其单元内部的电触发气体开关32实现，每级放电单元至少需1支高压触发电阻33。综合分析，单个初级脉冲源所需高压电阻(包括充电电阻和触发电阻)数量达数十支甚至上百支，其工作稳定性直接决定初级脉冲源的整体性能，同时也是限制脉冲功率装置可靠性提升的关键因素之一。因此，开展高可靠新型高压电阻探索具有重要的工程应用价值。

针对初级脉冲源大功率高压电阻的设计，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 810 kA linear transformer drivercavity》(Physical Review Special Topic-Accelerator and 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，高压充电电阻和高压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五方面的问题：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。

综上所述，高压电阻是大型脉冲功率装置初级脉冲源关键单元部件，虽然众多初级脉冲源中均采用水电阻作为充电和触发电阻，但其存在着明显的不足，严重制约着初级脉冲源可靠性的提升，因此有必要就其充电和触发电阻的配合进行深入研究。

发明内容

本发明提供一种用于放电支路的充电触发装置，解决现有充电触发装置为水电阻，其存在阻值稳定性差、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。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隔离的设备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：

一种用于放电支路的充电触发装置，包括充电电阻和触发隔离电阻；所述充电电阻设置在相邻两路放电支路之间，两端分别与相邻电触发气体开关的充电电极连接；所述触发隔离电阻的一端与电触发气体开关的触发电极连接，另一端与触发控制信号源连接；所述触发隔离电阻包括电阻基体、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径向环形凹槽，所述触指弹簧安装在径向环形凹槽内，实现屏蔽端帽与电阻基体的电连接；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，所述电阻基体插入屏蔽端帽的部分设置有金属镀膜层。

进一步地，所述径向环形凹槽的截面形状为梯形，所述触指弹簧的截面形状为椭圆形。

进一步地，所述电阻基体为绝缘材料掺杂导电材料压制而成。

进一步地，所述电阻基体为陶瓷掺杂石墨、陶瓷掺杂铝粉压制而成，所述触指弹簧为铍铜材料制成的弹簧。

进一步地，所述金属镀膜层为铜镀膜层、银镀膜层或金镀膜层。

进一步地，所述绝缘支架上沿轴向均匀设置有多个有绝缘凸台，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。

进一步地，所述绝缘支架为空心结构，由绝缘材料陶瓷、有机玻璃或聚碳酸脂制作而成。

同时，本发明还提供另一种用于放电支路的充电触发装置，包括充电电阻和触发隔离电阻，所述充电电阻与触发隔离电阻结构相同；所述充电电阻设置在相邻两路放电支路之间，两端分别与相邻电触发气体开关的充电电极连接；所述触发隔离电阻的一端与电触发气体开关的触发电极连接，另一端与触发控制信号源连接；所述触发隔离电阻包括电阻基体、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径向环形凹槽，所述触指弹簧安装在径向环形凹槽内，实现屏蔽端帽与电阻基体的电连接。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

本发明提供的用于放电支路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)两类电阻自身特点，提出初级脉冲源中大功率高压电阻设计中的系统解决方案；即充电电阻采用丝绕电阻，触发隔离电阻采用实体电阻，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。同时该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为本发明用于放电支路的充电触发装置安装示意图；

图3为本发明用于放电支路的充电触发装置中触发隔离电阻结构示意图；

图4为本发明用于放电支路的充电触发装置中充电电阻结构示意图。

附图标记：1-触发隔离电阻，2-充电电阻，11-电阻基体，12-触指弹簧，13-屏蔽端帽，14-轴向凹槽，15-径向环形凹槽15，16-金属镀膜层，21-金属电阻丝，22-绝缘支架，23-金属端帽，24-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-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。

本发明提供一种用于放电支路的充电触发装置，该装置是一种全固态化大功率高压电阻组合，具体是一种快直线型变压器驱动源模块电容器的充电电阻和电触发气体开关的触发隔离电阻的组合。在初级脉冲源中，不同功用的高压电阻具有各自的特点：充电电阻要求其大功率容量、高耐压的特点；触发隔离电阻要求其具有低电感、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。

如图2所示，本发明提供的用于放电支路的充电触发装置，包括充电电阻2和触发隔离电阻1；充电电阻2采用丝绕电阻，特点是功率容量大、耐压高，具有一定的电感。触发隔离电阻1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2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2的两端分别与相邻电触发气体开关32的高压电极连接，下排充电电阻2的两端分别与相邻电触发气体开关32的低压电极连接；触发隔离电阻1的一端与电触发气体开关32的触发电极连接，另一端与触发控制信号源连接。

触发隔离电阻1沿长度方向的剖视结构如图3所示，其包括电阻基体11、两个触指弹簧12和两个屏蔽端帽13；电阻基体11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11两端表面以及端部柱面上均镀有金属镀膜层16(电阻基体插入屏蔽端帽的部分设置有金属镀膜层)，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13的一端设置有轴向凹槽14，轴向凹槽14的槽壁与屏蔽端帽13的端面拐角设置为圆弧面(轴向凹槽的槽壁与屏蔽端帽的径向端面通过圆弧面连接)；电阻基体11插入屏蔽端帽13的轴向凹槽14内，轴向凹槽14的槽壁上设置有径向环形凹槽15，触指弹簧12安装在径向环形凹槽15内，用于实现屏蔽端帽13与电阻基体11的电连接。具体的，径向环形凹槽15的截面可为梯形截面，触指弹簧12的截面为椭圆形，目的是确保屏蔽端帽13与电阻基体11插接条件下的良好电接触。在实际加工时，屏蔽端帽13加工出与电阻基体11界面一致的凹槽，其深度略大于电阻基体11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13根部结合点的电场。

充电电阻2采用丝绕电阻，丝绕电阻沿长度方向的剖视结构如图4所示，包括金属电阻丝21、绝缘支架22和金属端帽23；金属电阻丝21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22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22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22上涂覆绝缘漆(液态)，在未固化条件下将金属电阻丝21密绕至绝缘支架22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22两端设置有螺纹结构，待绝缘漆完全固化后，金属端帽23与绝缘支架22通过螺纹连接，并将金属电阻丝21端部去除绝缘漆层后焊接至金属端帽23突出边缘内侧，突出边缘具有弧形倒角，并对金属电阻丝21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22外表面每隔一小段距离设置有一个绝缘凸台24，金属电阻丝21在此位置绕制方向反转一次。

本发明充电电阻2(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12连接、端部屏蔽等措施，确保了电阻整体耐压水平。

在其他实施例中，若初级脉冲源功率水平较低，触发隔离电阻1亦可作为充电电阻2使用，但充电电阻由于电感的影响，始终无法作为触发隔离电阻1使用。

下面以快直线型变压器驱动源模块(初级脉冲源的一种)为例，详细介绍本发明各特征之间的关系和功能作用。快直线型变压器驱动源模块二分之一单元结构如图2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35和1支电触发气体开关32，充电电阻2采用丝绕电阻，布置于两支路电触发气体开关32之间，分为上下两排；触发隔离电阻1采用陶瓷实体电阻，从模块环壁上的触发线连接至电触发气体开关32的触发电极上；从模块上端向下看，触发隔离电阻1与充电电阻2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。

触发隔离电阻1结构如图3所示，主要由电阻基体11、触指弹簧12和屏蔽端帽13三部分组成。电阻基体11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11两端面以及端部柱面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11与触指弹簧12之间的电接触特性。屏蔽端帽13长度为15mm、外直径30mm、内直径15.5mm、深度12mm，距离屏蔽端帽13环形边缘4mm位置处设置有一环形凹槽，其截面呈梯形结构，梯形结构的上底长度为4mm、下底长度为6mm、高度为3mm，用于布放有触指弹簧12。触指弹簧12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12装配至屏蔽端帽13后突出高度约介于0.8mm至1.0mm之间(触指弹簧12的内径小于屏蔽端帽13的轴向凹槽14半径0.8mm～1.0mm)，以确保插接条件下屏蔽端帽136与电阻基体114的良好电接触。

充电电阻2结构如图4所示，主要由金属电阻丝21、绝缘支架22和金属端帽23三部分组成。金属电阻丝21直径为0.3mm，外表面涂有绝缘漆，直流耐压约1kV。绝缘支架22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21在绝缘支架22上绕制的紧密贴合；绝缘支架22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24，金属电阻丝21在每个凸台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21与绝缘支架22之间涂覆液体绝缘漆，用于固定金属电阻丝21与绝缘支架22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22两端设置有M10的螺纹结构，金属端帽23与绝缘支架22通过螺纹连接，并将金属电阻丝21端部去除绝缘漆层后焊接至金属端帽23突出边缘内侧，突出边缘导角半径为3mm，对金属电阻丝21端部形成良好屏蔽，有利于丝绕电阻整体耐压水平的提升。

Claims (10)

1.一种用于放电支路的充电触发装置，其特征在于：包括触发隔离电阻(1)和充电电阻(2)；

所述充电电阻(2)设置在相邻两路放电支路之间，两端分别与相邻电触发气体开关(32)的充电电极连接；所述触发隔离电阻(1)的一端与电触发气体开关(32)的触发电极连接，另一端与触发控制信号源连接；

所述触发隔离电阻(1)包括电阻基体(11)、两个触指弹簧(12)和两个屏蔽端帽(13)；所述屏蔽端帽(13)的一端设置有轴向凹槽(14)，所述轴向凹槽(14)的槽壁与屏蔽端帽(13)的径向端面通过圆弧面连接；所述电阻基体(11)的两端分别插入屏蔽端帽(13)的轴向凹槽(14)内，所述轴向凹槽(14)的槽壁上设置有径向环形凹槽(15)，所述触指弹簧(12)安装在径向环形凹槽(15)内，实现屏蔽端帽(13)与电阻基体(11)的电连接；

所述充电电阻(2)包括金属电阻丝(21)、绝缘支架(22)和金属端帽(23)，所述金属电阻丝(21)绕制在绝缘支架(22)上，所述金属端帽(23)固定设置在绝缘支架(22)的两端，且与金属电阻丝(21)电连接。

2.根据权利要求1所述的用于放电支路的充电触发装置，其特征在于：所述电阻基体(11)插入屏蔽端帽(13)的部分设置有金属镀膜层(16)。

3.根据权利要求2所述的用于放电支路的充电触发装置，其特征在于：所述径向环形凹槽(15)的截面形状为梯形，所述触指弹簧(12)的截面形状为椭圆形。

4.根据权利要求3所述的用于放电支路的充电触发装置，其特征在于：所述电阻基体(11)为绝缘材料掺杂导电材料压制而成。

5.根据权利要求4所述的用于放电支路的充电触发装置，其特征在于：所述电阻基体(11)为陶瓷掺杂石墨、陶瓷掺杂铝粉压制而成，所述触指弹簧(12)为铍铜材料制成的弹簧。

6.根据权利要求5所述的用于放电支路的充电触发装置，其特征在于：所述金属镀膜层(16)为铜镀膜层、银镀膜层或金镀膜层。

7.根据权利要求1至6任一所述的用于放电支路的充电触发装置，其特征在于：所述绝缘支架(22)沿轴向均匀设置有多个有绝缘凸台(24)，所述金属电阻丝(21)在绝缘凸台(24)两边的缠绕方向相反。

8.根据权利要求7所述的用于放电支路的充电触发装置，其特征在于：所述金属电阻丝(21)与绝缘支架(22)之间涂覆液体绝缘漆。

9.根据权利要求8所述的用于放电支路的充电触发装置，其特征在于：所述绝缘支架(22)为空心结构，由绝缘材料陶瓷、有机玻璃或聚碳酸脂制作而成。

10.一种用于放电支路的充电触发装置，其特征在于：包括触发隔离电阻(1)和充电电阻(2)，所述充电电阻(2)与触发隔离电阻(1)结构相同；

所述充电电阻(2)设置在相邻两路放电支路之间，两端分别与相邻电触发气体开关(32)的充电电极连接；所述触发隔离电阻(1)的一端与电触发气体开关(32)的触发电极连接，另一端与触发控制信号源连接；

所述触发隔离电阻(1)包括电阻基体(11)、两个触指弹簧(12)和两个屏蔽端帽(13)；所述屏蔽端帽(13)的一端设置有轴向凹槽(14)，所述轴向凹槽(14)的槽壁与屏蔽端帽(13)的径向端面通过圆弧面连接；所述电阻基体(11)的两端分别插入屏蔽端帽(13)的轴向凹槽(14)内，所述轴向凹槽(14)的槽壁上设置有径向环形凹槽(15)，所述触指弹簧(12)安装在径向环形凹槽(15)内，实现屏蔽端帽(13)与电阻基体(11)的电连接。

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