CN115050560A - 一种多级串联共用腔体的fltd模块结构及其触发方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及快放电直线型变压器，具体涉及一种多级串联共用腔体的FLTD模块结构及其触发方法，用于解决现有多个串联共用腔体的FLTD模块组结构各触发支路产生的高电压脉冲需要从接地腔体引出再引入到下游模块组，容易导致绝缘故障的不足之处。该多级串联共用腔体的FLTD模块结构包括位于外腔体内的M个串联的FLTD模块组，每个FLTD模块组包括N个串联的FLTD模块单元，每个FLTD模块单元初级激磁回路和充电回路采用多个分立导体柱构成，M个串联的FLTD模块组只需要外部引入1路触发脉冲，即可实现M个串联的FLTD模块组按一定时序触发闭合。同时，本发明公开一种多级串联共用腔体的FLTD模块结构的触发方法。
Description
技术领域
本发明涉及快放电直线型变压器，具体涉及一种多级串联共用腔体的FLTD模块结构及其触发方法。
背景技术
快放电直线型变压器(简称FLTD)被国内外公认为是下一代最有前景的驱动源新技术，FLTD不需要脉冲压缩，低电感电容器从直流充电经过一级开关放电直接获得前沿60ns～300ns的高功率脉冲，在Z箍缩惯性约束聚变(ICF)/聚变能源(IFE)、闪光照相、材料等熵压缩(ICE)、强激光等领域具有广泛应用前景。要实现Z箍缩ICF/IFE要求的数十MA电流和PW级峰值功率，需要电压数兆伏的数十至上百路TW级FLTD并联，每路FLTD由数十级输出电流约1MA的FLTD模块串联。FLTD将传统电容储能多级压缩路线的单路高达数TW的超高功率开关与脉冲形成单元，化整为零为数千个GW级支路并联同步、串联按时序放电，利用电磁感应，次级实现功率传输叠加，显著降低了单个开关功率要求，但随之而来的问题是输出数十MA电流的大型FLTD含有数十万个GW级放电支路，每个支路都需要按时序触发。
基于FLTD技术，现有多个输出电流数十MA的驱动源的概念设计方案，如2015年美国圣地亚国家实验室(SNL)Stygar提出的用于高产额ICF的电流65MA、前沿113ns的FLTD型Z箍缩驱动源概念设计Z-800，共90路并联，每路60级串联，次级采用水线，每级30支路并联(支路峰值功率5GW)。每个FLTD模块需4路前沿约25ns、幅值100kV触发脉冲，共需21600路快前沿触发脉冲，并且要求按时序到达各级模块，这对触发系统提出严峻挑战，其触发系统甚至比FLTD脉冲源还复杂，成为FLTD技术工程应用的瓶颈和国际性难题。
针对常规独立腔体多级串联大型LTD触发难题，中国专利CN105187031A公开了一种多级串联共用腔体的新LTD模块结构及其触发方法，多级串联模块共用腔体，仅需引入一组充电电缆和一路外触发脉冲，每级模块由一个触发支路和多个主放电支路组成；基于触发支路与角向线实现同级模块所有支路同步放电，外部引入的一路电脉冲引入共用腔体，经高压延时传输线依次触发上游数级触发支路，下游级需要的一路触发脉冲从上游相应位置的触发支路引出，但上述发明单路数十级串联FLTD仍由多个共用腔体模块组串联，下游模块组需要的一路触发脉冲由上游相应位置串联模块的触发支路引出并穿过外腔体。由于多个串联共用腔体的模块组外腔体为地电位，触发支路产生的高电压脉冲(约200kV)从接地腔体引出再引入到下游模块组，容易发生绝缘故障。
发明内容
本发明的目的是解决现有多个串联共用腔体的FLTD模块组结构各触发支路产生的高电压脉冲需要从接地腔体引出再引入到下游模块组，容易导致绝缘故障的不足之处，而提供一种多级串联共用腔体的FLTD模块结构及其触发方法。
为了解决上述现有技术所存在的不足之处，本发明提供了如下技术解决方案：
一种多级串联共用腔体的FLTD模块结构，其特殊之处在于：包括一个共用的外腔体，以及位于外腔体内的M个串联的FLTD模块组；
每个所述FLTD模块组包括N个串联的FLTD模块单元，每个所述FLTD模块单元包括上板、下板，以及位于在上板与下板之间且由内向外沿径向依次设置的中部磁芯、环状绝缘子、P个支路和P个分立导体柱；所述P个支路和P个分立导体柱分别同轴均布在上板与下板之间的不同圆周上，P个支路包括1个触发支路和P-1个主放电支路；所述触发支路依次通过角向传输线、金属触发环、隔离电感或隔离电阻与P-1个主放电支路相连；所述角向传输线位于环状绝缘子中，所述金属触发环位于环状绝缘子外侧凹槽内；M、N、P均为大于等于2的整数；
所述FLTD模块组的组内高压延时传输线从首端到末端依次均匀设置有N个连接点，N个连接点分别通过隔离电阻与各触发支路的气体开关相连；第一个FLTD模块组的组内高压延时传输线首端用于与外部触发电源连接；
第L个FLTD模块组第一个触发支路的输出端通过组间高压延时传输线与第L+1个FLTD模块组的组内高压延时传输线连接，1≤L≤M-1。
进一步地，所有FLTD模块组的组内高压延时传输线末端连接有与该组内高压延时传输线阻抗相等的电阻到地，防止触发脉冲反射，使引入到组内各触发支路的气体开关的触发电脉冲近似相同。
进一步地，相邻两个所述FLTD模块单元之间的组内高压延时传输线的电气长度与其中上游FLTD模块单元的次级电脉冲传输电气长度相同。
进一步地，还包括用于调节每个触发支路开关内部气压的气压调节系统。
同时，本发明提供一种多级串联共用腔体的FLTD模块结构的触发方法，其特殊之处在于，采用上述多级串联共用腔体的FLTD模块结构，包括如下步骤：
步骤1、由触发电源产生的触发脉冲输入通过组内高压延时传输线依次输入第一个FLTD模块组各触发支路；同时，第L个FLTD模块组第一个触发支路的触发脉冲依次通过组间高压延时传输线和组内高压延时传输线输入第L+1个FLTD模块组各触发支路；
步骤2、每个FLTD模块单元触发支路的触发脉冲输入该FLTD模块单元的P-1个主放电支路，实现每个FLTD模块单元所有支路同步触发，M个串联的FLTD模块组按一定时序触发闭合。
进一步地，所述步骤2还包括：通过调节所有FLTD模块组各触发支路的气体开关气压改变触发支路开关工作系数，从而调节串联FLTD模块组之间的触发时序系数，实现输出电流脉冲前沿和幅值的调控整形；所述触发时序系数为各FLTD模块单元的触发支路的气体开关从施加触发脉冲到开关闭合之间的延时除以电脉冲在该FLTD模块单元次级和初级传输时间差；
进一步地，所述触发时序系数为0.6～1.6。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
(1)本发明一种多级串联共用腔体的FLTD模块结构，包括位于外腔体内的M个串联的FLTD模块组，每个FLTD模块组包括N个串联的FLTD模块单元，每个FLTD模块单元初级激磁回路和充电回路采用多个分立导体柱构成，避免了高压充电电缆和触发电缆多次穿过接地腔体的高电压绝缘问题，M个串联的FLTD模块组只需要外部引入1路触发脉冲，即可实现M个串联的FLTD模块组按一定时序触发闭合，解决单路TW级FLTD数千只GW级气体开关时序触发难题。
(2)本发明一种多级串联共用腔体的FLTD模块结构，采用多个分立导体柱代替常规多级串联LTD模块整体圆柱筒，实现了单路所有串联级共用同一腔体，相较于数级串联模块共用外腔体，避免了需要从上游触发支路产生的电脉冲需要从接地腔体引出再引入到下游模块组而导致的绝缘故障。
(3)本发明一种多级串联共用腔体的FLTD模块结构的触发方法，通过调节触发支路开关气压改变触发支路的气体开关工作系数，从而实现调控整形输出的电流脉冲前沿和幅值的目的。
附图说明
图1为本发明一种多级串联共用腔体的FLTD模块结构一个实施例的结构示意图；
图2为图1实施例中每个FLTD模块单元的结构示意图；
图3为图1实施例中每个FLTD模块单元内触发支路和多个主放电支路的连接结构示意图。
附图标记说明如下：1-外腔体；2-FLTD模块组；3-FLTD模块单元，31-上板，32-下板，33-中部磁芯，34-环状绝缘子，35-触发支路，36-主放电支路,37-分立导体柱，38-角向传输线，39-金属触发环；41-组内高压延时传输线，42-组间高压延时传输线。
具体实施方式
下面结合附图和示例性实施例对本发明作进一步地说明。
参照图1至图3，一种多级串联共用腔体的FLTD模块结构，包括一个共用的外腔体1，以及位于外腔体1内的M个串联的FLTD模块组2，外腔体1用于密封初级介质和屏蔽电磁。
每个FLTD模块组2包括N个串联的FLTD模块单元3，每个FLTD模块单元3包括上板31、下板32，以及位于在上板31与下板32之间且由内向外沿径向依次设置的中部磁芯33、环状绝缘子34、P个支路和P个分立导体柱37；所述P个支路和P个分立导体柱37分别同轴均布在上板31与下板32之间的不同圆周上，P个支路包括1个触发支路35和P-1个主放电支路36；所述触发支路35依次通过角向传输线38、金属触发环39、隔离电感或隔离电阻与P-1个主放电支路36相连；所述角向传输线38位于环状绝缘子34中，所述金属触发环39位于环状绝缘子34外侧凹槽内。中部磁芯33用于初次级耦合，分立导体柱37构成每个FLTD模块单元3的初级激磁回路和充电回路。
所述FLTD模块组2的组内高压延时传输线41从首端到末端依次均匀设置有N个连接点，N个连接点分别通过隔离电阻与各触发支路35的气体开关相连；第一个FLTD模块组2的组内高压延时传输线41首端用于与外部触发电源连接；第L个FLTD模块组2第一个触发支路35的输出端通过组间高压延时传输线42与第L+1个FLTD模块组的组内高压延时传输线41连接，实现M个串联的FLTD模块组2按一定时序触发闭合，1≤L≤M-1。
所有FLTD模块组2的组内高压延时传输线41首端与通过对应FLTD模块组2的第一个FLTD模块单元3下板32接地，末端连接有与该高压延时传输线阻抗相等的电阻，且通过第N个FLTD模块单元3上板31接地，防止触发脉冲反射，使引入到组内各触发支路35的气体开关的触发电脉冲近似相同。
当触发脉冲输入至每个FLTD模块组2各触发支路35的气体开关，气体开关闭合，触发支路35输出的触发脉冲通过角向传输线38同步传输到金属触发环39，再通过隔离电阻输入P-1个主放电支路36，实现每个FLTD模块单元3所有支路同步触发。
相邻FLTD模块组2之间的触发时序受触发支路35的气体开关在不同电压下的从施加触发脉冲到开关闭合之间延时的影响。在触发支路35开关与主支路开关充电电压相同情况下，通过改变触发支路35开关工作系数，即通过调节触发支路35的气体开关气压，可以对输出的电流脉冲前沿和幅值实现调控整形。
本实施例中，M取值为2，N取值为4，P取值为24。
采用上述多级串联共用腔体的FLTD模块结构，本发明公开一种多级串联共用腔体的FLTD模块结构的触发方法，包括如下步骤：
步骤1、由触发电源产生的触发脉冲通过隔离电阻输入通过组内高压延时传输线41依次输入第一个FLTD模块组2各触发支路35；同时，第L个FLTD模块组2第一个触发支路35的触发脉冲依次通过组间高压延时传输线42和组内高压延时传输线41输入第L+1个FLTD模块组2各触发支路35；
步骤2、通过调节所有FLTD模块组2各触发支路35开关气压改变触发支路35开关工作系数，从而使串联FLTD模块组2之间的触发时序系数在0.6-1.6范围变化，实现输出电流脉冲前沿和幅值的调控整形；所述触发时序系数为各FLTD模块单元3的触发支路35的气体开关从施加触发脉冲到开关闭合之间的延时除以电脉冲在该FLTD模块单元3次级和初级传输时间差；
次级电脉冲在水介质中传播，速度为30ns/m，初级电脉冲在电缆中传播，速度为5ns/m；
每个的FLTD模块单元3触发支路35的触发脉冲依次通过角向传输线38、金属触发环39、隔离电感或隔离电阻输入该FLTD模块单元3的多个主放电支路36，实现每个FLTD模块单元所有支路同步触发，M个串联的FLTD模块组2按一定时序触发闭合。
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制，对于本领域的普通专业技术人员来说，可以对前述各实施例所记载的具体技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换，而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明所保护技术方案的范围。
Claims (7)
1.一种多级串联共用腔体的FLTD模块结构，其特征在于：包括一个共用的外腔体(1)，以及位于外腔体(1)内的M个串联的FLTD模块组(2)；
每个所述FLTD模块组(2)包括N个串联的FLTD模块单元(3)；每个所述FLTD模块单元(3)包括上板(31)、下板(32)，以及位于在上板(31)与下板(32)之间且由内向外沿径向依次设置的中部磁芯(33)、环状绝缘子(34)、P个支路和P个分立导体柱(37)；所述P个支路和P个分立导体柱(37)分别同轴均布在上板(31)与下板(32)之间的不同圆周上，P个支路包括1个触发支路(35)和P-1个主放电支路(36)；所述触发支路(35)依次通过角向传输线(38)、金属触发环(39)、隔离电感或隔离电阻与P-1个主放电支路(36)相连；所述角向传输线(38)位于环状绝缘子(34)中，所述金属触发环(39)位于环状绝缘子(34)外侧凹槽内；M、N、P均为大于等于2的整数；
所述FLTD模块组(2)的组内高压延时传输线(41)从首端到末端依次均匀设置有N个连接点，N个连接点分别通过隔离电阻与各触发支路(35)的气体开关相连；第一个FLTD模块组(2)的组内高压延时传输线(41)首端用于与外部触发电源连接；
第L个FLTD模块组(2)第一个触发支路(35)的输出端通过组间高压延时传输线(42)与第L+1个FLTD模块组的组内高压延时传输线(41)连接，1≤L≤M-1。
2.根据权利要求1所述的一种多级串联共用腔体的FLTD模块结构，其特征在于：所有FLTD模块组(2)的组内高压延时传输线(41)末端连接有与该组内高压延时传输线(41)阻抗相等的电阻到地。
3.根据权利要求2所述的一种多级串联共用腔体的FLTD模块结构，其特征在于：相邻两个所述FLTD模块单元(3)之间的组内高压延时传输线(41)的电气长度与其中上游FLTD模块单元(3)的次级电脉冲传输电气长度相同。
4.根据权利要求3所述的一种多级串联共用腔体的FLTD模块结构，其特征在于：还包括用于调节每个触发支路(35)开关内部气压的气压调节系统。
5.一种多级串联共用腔体的FLTD模块结构的触发方法，其特征在于，采用权利要求1所述的一种多级串联共用腔体的FLTD模块结构，包括如下步骤：
步骤1、由触发电源产生的触发脉冲输入通过组内高压延时传输线(41)依次输入第一个FLTD模块组(2)各触发支路(35)；同时，第L个FLTD模块组(2)第一个触发支路(35)的触发脉冲依次通过组间高压延时传输线(42)和组内高压延时传输线(41)输入第L+1个FLTD模块组(2)各触发支路(35)；
步骤2、每个FLTD模块单元(3)触发支路(35)的触发脉冲输入该FLTD模块单元(3)的P-1个主放电支路(36)，实现每个FLTD模块单元(3)所有支路同步触发，M个串联的FLTD模块组(2)按一定时序触发闭合。
6.根据权利要求5所述的一种多级串联共用腔体的FLTD模块结构的触发方法，其特征在于，所述步骤2还包括：通过调节所有FLTD模块组(2)各触发支路(35)的气体开关气压改变触发支路(35)开关工作系数，从而调节串联FLTD模块组(2)之间的触发时序系数，实现输出电流脉冲前沿和幅值的调控整形；所述触发时序系数为各FLTD模块单元(3)的触发支路(35)的气体开关从施加触发脉冲到开关闭合之间的延时除以电脉冲在该FLTD模块单元(3)次级和初级传输时间差。
7.根据权利要求6所述的一种多级串联共用腔体的FLTD模块结构的触发方法，其特征在于：所述触发时序系数为0.6～1.6。
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| CN115050560B (zh) | 2024-06-21 |
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