孙凤举，邱爱慈，，姜晓峰，，王志国，，降宏瑜，，李鹏辉，何 旭，魏 浩，丁卫东，吴 坚，李兴文，杨 莉，万臻博

(1. 强脉冲辐射环境模拟与效应国家重点实验室, 西安 710024;2. 西安交通大学 电力设备与电气绝缘国家重点实验室，西安 710049)

21世纪初，俄罗斯科学院大电流所首创了快脉冲直线型变压器驱动源(fast linear transformer driver, LTD)技术，不需要脉冲压缩可直接产生100 ns电脉冲[1]，被公认为是下一代数十兆安电流、数兆伏电压、百太瓦量级Z箍缩驱动源最有前景的技术路线。经过近20年的发展，LTD在单元支路、单级模块、多级模块串联及百太瓦量级Z箍缩装置的概念设计等多方面取得显著进展[2-16]，但目前国内外还没有建成一台多路并联、输出峰值电流达数兆安的LTD型脉冲功率装置[17-18]。之前，国内外提出的Z箍缩LTD驱动源概念设计方案，普遍采用电流约1 MA的独立腔体LTD模块数，十级串联为单路、再数十路并联的拓扑结构。每级模块需外部引入4路电压约为140 kV的快前沿电触发脉冲和一组±100 kV充电电缆。如，美国针对Z箍缩聚变提出的Z-300、Z-800装置[8]。其中，Z-800装置共有5 400个1 MA的独立腔体LTD模块，外部引入触发脉冲数27 000路，±100 kV充电电缆各5 400组。为实现多级串联LTD脉冲功率高效传输叠加，要求触发脉冲按精确时序达到每级模块，对触发系统要求极高。装置触发电缆和高压充电电缆数目众多，并需穿过接地的模块腔体，在支路放电时承受脉冲过电压，易导致电缆击穿，降低了装置可靠性。数十级串联LTD次级金属筒穿过独立封闭腔体的拓扑结构，难以诊断发生故障的元器件，故障定位与器件维修替换困难，这是LTD技术发展20余年至今为止还没有建成多路并联装置的主要原因之一，国外一直在开展单级1 MA 独立腔体LTD模块可靠性研究[19-24]，但难以达到1×104次免维护的目标。

针对上述难题，项目组提出多级串联共用腔体、分立柱回流激磁、插拔式支路新型拓扑结构和大规模气体开关内置同步触发新方法[25-27]，在成功研制单级内置触发的1 MA LTD模块[28-29]和4级共用腔体内置触发LTD[30-31]的基础上，研制了采用共用腔体与内置触发的12级串联单路太瓦级LTD脉冲源。本文给出了12级LTD脉冲源的结构、内置同步触发方法和实验调试结果，验证了共用腔体与内置时序触发方法的技术可行性，为解决大型LTD脉冲源大规模气体开关按时序可靠同步触发的难题提供了一种全新方案。

为验证共用腔体新型拓扑结构和内置时序触发方法，研制了12级串联LTD脉冲源，3组12级串联LTD初级结构如图1所示。

图1 3组12级串联LTD初级结构Fig.1 Three sets of 12-stage series LTD primary structure

设计指标：连接近似匹配负载时，输出电流峰值为1 MA，电压峰值为1 MV，脉冲前沿小于150 ns，峰值功率为1 TW。12级串联LTD分为3组，每组4级串联，每级由1个低阈值内置触发支路和23个5 GW高功率主支路组成[32-33]。图2为分立柱回流插拔支路单级模块。

(a) Vertical view

(b) Side view1- 100 kV/100 nF capacitors；

2- gas switch；

3- magnetic core；
4- upper insulation plate；

5- lower insulation plate；
6- medium insulation plate；

7- capacitor-compressing plate；
8- metal columns；

9- metal plate；
10- high voltage output electrodes图2 分立柱回流插拔支路单级模块Fig.2 Splitting column reflow plugging bricks single-stage module

LTD次级采用逐级匹配的水介质传输线，每组长度约为1.2 m，组之间有长度约为0.4 m的水线，用于组之间的连接以及布放监测每组输出电压的电容分压器。3组串联后从导轨上滑动进入(或拉出)共用腔体，共用腔体直径约为2.5 m，组装后长度为4.8 m。引入共用腔体的3组±100 kV高压充电电缆、1根触发电缆及监测12级内置触发支路开关闭合电流的测量电缆，监测每组输出电压的3个电容分压器电缆、气路和每级次级轴线上端排汽泡的气管等，从共用腔体接地端的椭圆型盖板引入(出)，方便LTD机芯进入和拉出共用腔体。

每组LTD包含92个主放电支路和4个低阈值触发支路。主放电支路由2只100 nF/100 kV电容器和1只5 GW气体开关串联组成。主放电支路要求具有低阻抗、低自放概率及高峰值功率。图3为主放电支路及触发支路。主放电支路开关高度为151 mm，直径为107 mm，电容器待电容为100 nF，标称工作电压为100 kV，长宽高分别为254，154，105 mm，双端引出电极。低阈值触发支路由2只50 nF/100 kV电容器和1只低触发阈值气体开关组成，低阈值触发支路在触发电脉冲作用下产生高幅值电脉冲，实现同级主支路开关同步放电,电容器标称工作电压为100 kV，长宽高分别为160，154，105 mm。

(a) Main discharging brick

(b) Triggering brick图3 主放电支路及触发支路Fig.3 Main discharging brick and triggering brick

LTD主支路电容、等效串联电阻、电感和电容器充电电压分别为：Cb=50 nF；
Rb=0.3 Ω;Lb=220 nH;Vb=140～170 kV。

为使LTD输出功率最大，LTD次级水线优化阻抗Zopt可表示为[8]

(1)

其中：nb为单模块内主放电支路数量，nb=23；
ns为LTD模块串联数量，ns=12 。

LTD磁芯采用SiO2涂层非晶带材，厚度为25 μm，绕制后整体进行热磁处理，外径Φo为1 184 mm，内径Φi为984 mm，高度为20 mm，每个环氧树脂盒封装2只，共有4个环氧盒，8只磁芯，整体热磁处理后，串联磁感应强度Bs为1.56 T，径向磁感应强度Br为0.9 T，ΔB约为2.3 T，磁芯叠片系数为0.9。单级磁芯充分复位后可提供的伏秒数为34 mV·s，磁芯等效损耗电阻Rcore可表示为

(2)

其中：ρ为磁芯材料电阻率，2605SA1非晶带材的ρ为1.23×10-6Ω·m；
δ为磁芯带材厚度，25 μm；
k为无量纲系数，一般取8～12，计算时取10。计算得到单级磁芯等效损耗电阻为42 Ω。

由于磁芯存在损耗电阻，每路LTD次级水线最佳阻抗为

(3)

LTD次级设计为逐级匹配的水介质传输线，根据24个并联支路圆周对称布置及磁芯的尺寸，设计LTD次级外筒内直径为90 cm，12级串联每级增加阻抗为0.106 Ω，次级内筒首端直径为84 cm，末端直径为74.4 cm，匹配输出阻抗为1.2 Ω，LTD从第3级到第12级的次级阻抗与内筒外半径ra如表1所列。

表1 次级水线阻抗及内筒外半径Tab.1 Secondary waterline impedance and inner cylinder size

对含有大面积导体水线介质的击穿安全电场强度要求满足[8]

Ewτw0.33≤1.13×105

(4)

LTD次级水线的Ewτw0.33≈1.007×105，满足绝缘安全要求。

为监测12级LTD的工作状态和输出特性，布置了系列电压、电流探头，主要包括：LTD每组次级水线输出电压探头，采用圆周均布的3个内置积分电路的D-dot，共9个；
LTD输出电流测量，采用3个Rogowski自积分电流线圈；
LTD每级触发支路开关闭合时序测量，通过12个与触发支路开关集成的B-dot测量；
主支路开关闭合电流由与开关集成的B-dot测量；
次级内筒的每级输出位置均布安装3个自积分B-dot和3个内置积分电路D-dot，共36个B-dot、36个D-dot，监测每级输出电压和电流；
每组LTD两端接地盖板安装4个磁芯泄漏电流测量线圈，共12个。图4为12级LTD剖面结构图

图4 12级LTD剖面结构图Fig.4 Cross-sectional configuration of 12-stage LTD

本文提出的LTD内置时序触发的原理如图5所示。LTD每级模块采用1个内置触发支路，产生的电脉冲经角向线传输脉冲到本级所有主支路开关，实现本级所有开关同步触发放电，如图5(a)所示；
每组LTD只需1路外触发脉冲，经级间高压延时线触发各级模块的触发支路，高压延时线电长度与电脉冲在次级传输时间相同，实现LTD按理想IVA时序触发，如图5(b)所示；
第一组触发支路需要的1路触发脉冲从外部引入，组之间采用级联触发，下游组需要的1路触发脉冲由紧邻的上游组第一级模块的触发支路引出。每组加过渡段的长度约为1.4 m，电脉冲在次级水线的传输时间约为42 ns，与高压延时线延时(7 ns)加触发支路开关延时(约为35 ns)之和基本相同，实现了组之间触发支路按理想IVA时序触发。常规12级独立腔体串联LTD需引入48路触发脉冲，采用内置触发新方法，单路LTD外部引入触发脉冲数量减少为1路，显著降低了LTD触发系统的规模和复杂度。

(a) In-situ triggering brick and azimuthal line

(b) High voltage spiral delay line triggering in sequence

(c) Stage-connected high voltage line triggering between adjacent groups图5 LTD内置时序触发原理Fig.5 Principle of internal in-situ triggering method for LTD

高可靠的触发器和触发支路开关是实现LTD内置同步触发的关键。目前研制的低阈值触发支路开关自放电概率低至10-5。引入LTD的触发脉冲采用脉冲变压器升压、谐振充电和尖板开关峰化，脉冲变压器初级开关采用的真空开关工作在工作系数α较低(α=0.5)时，百千伏触发器的自放电及不触发概率小于数十万分之一。

以4级串联LTD组件为单元，在专用翻转平台上进行安装，经初级、次级腔体气密性测试合格后轴线翻转为水平，放置在导轨上，完成3组过渡段之间的连接。

在安装过程中完成了所有电压电流探头的标定，解决了12级串联LTD内芯轴线水平放置形变导致的初次级漏气和次级气泡排除等难题。12级LTD次级腔体经过气密性检查后，首先安装了12级触发支路，对触发支路击穿特性进行测试。然后安装所有主放电支路、气路、充电隔离电阻、触发电阻以及测试电缆。安装完成后的12级LTD脉冲源及内部机芯如图6所示。

(a) 12-stage LTD

(b) Internal movement

(c) The LTD group图6 12级串联LTD脉冲源及内部机芯Fig.6 12-stage LTD and internal movement

3.1 12级内置触发支路开关级联触发实验

为获取不同充电电压和气压下触发支路开关闭合时间与分散性数据，先安装12级触发支路及每组第一级的主支路电容器，利用触发支路开关集成的B-dot，测量了12个触发支路开关闭合时序及工作参数，实验布置如图7所示。实验时触发支路充电电压为±(65～80 kV)，间隔为5 kV，每个电压工作系数选择5个点：0.6,0.65,0.70,0.75,0.80，每个工作点重复20次。实验累积工作550发，触发支路开关没有发生自放电。12级触发支路开关闭合的典型波形如图8所示，通过每级触发支路上的B-dot测量。级间触发支路开关闭合延时约7.5 ns，组件之间延时约35 ns，基本按理想IVA时序提供主支路触发脉冲。

图7 触发支路开关闭合特性实验布置Fig.7 Experimental arrangement of closing characteristics of triggering bricks

图8 12级触发支路开关闭合的典型波形Fig.8 Typical waveform of 12-stage LTD triggering bricks

充电电压为±(65～80 kV)时，触发支路闭合时序与分散性如图9所示。由图9可见，通过调节触发支路开关气压(即工作系数)，可调节12级LTD每级主支路开关触发闭合时序，实现调控输出脉冲前沿。实验表明：触发支路低阈值开关在充电电压为±(65～80 kV)、工作系数为0.5～0.8时，触发支路开关抖动小于2 ns；
工作系数为0.6时，主支路开关触发时序基本为理想IVA时序。

(a) ±65 kV

(b) ±70 kV

(c) ±75 kV

(d) ±80 kV图9 充电电压为±(65～80 kV)时，触发支路闭合时序与分散性Fig.9 Closing time sequences & dispersions of 12 stage triggering bricks at ±(65～80 kV)

获得了触发支路开关在不同充电电压和工作系数的合适气压，如表2所列，为装置整体加电联调和输出波形调控提供了工作参数。

表2 不同充电电压和工作系数的合适气压Tab.2 Working pressures of triggering bricks at different charging voltages and operating coefficients Unit: 105 Pa

3.2 LTD脉冲源的整体调试实验

整体加电联调的工作条件：共用腔体抽真空到-0.08 MPa，充SF6至0.07 MPa，满足初级充电绝缘要求。腔体SF6气压充至表压为0时，LTD次级真空注去离子水，并抽真空排除每级次级气泡。联调时采用假负载，次级水线与负载电阻溶液之间采用60 mm厚的聚乙烯隔板分隔，包括支撑隔板的负载区域的电感约40 nH，NH4CL溶液电阻(第一轮实验配置为1.2 Ω；
第二轮实验配置为0.7 Ω)。LTD开关工作介质采用零级干燥空气，每发换气，主支路开关工作系数选取为0.65，0.60，0.55。LTD充电电源采用高压恒流电源(±100 kV/100 mA)，设置充电电流为90 mA；
去磁单极性脉冲电流源充电电压为10 kV，从负载端口注入去磁脉冲，70 kV以下每2发去磁，75 kV以上每发去磁。外部引入1路触发脉冲(120 kV/25 ns)，触发支路开关工作系数设置为0.6。实验间歇时LTD所有开关置换为高纯N2气，防止开关电极氧化影响开关性能。

实验累计调试约100发，充电电压为±(60～83) kV，主支路开关工作系数为0.55～0.65，触发支路开关工作系数为0.60时，12级LTD输出电流如图10所示。主支路开关工作气压如表3所列。

充电电压不同时，LTD输出电流波形如图11所示。由图11可见：充电电压为±80 kV时，12级LTD驱动40 nH电感串联1.2 Ω的负载，输出电流峰值为822 kA，前沿为72 ns；
充电电压为±80 kV时，驱动40 nH电感串联0.7 Ω的负载，输出电流峰值为980 kA，前沿为75 ns；
随着充电电压升高，输出峰值电流按比例增加，说明开关放电同步性较好；
充电电压相同，工作系数不同时，输出电流基本重合，表明开关在低工作系数下仍具有较好同步特性。充电电压为±80 kV时，开关工作系数不同时，输出电流波形如图12所示。

(a) Lb=40 nH，Rb=1.2 Ω

(b) Lb=40 nH，Rb= 0.7 Ω图11 充电电压不同时，LTD输出电流波形Fig.11 Output current on the load at different charging voltages

图12 充电电压为±80 kV，开关工作系数不同时，输出电流波形Fig.12 Output current waveforms at different operating coefficients with charging voltage of ±80 kV

充电电压为±83 kV、负载电感为40 nH、串联电阻为0.7 Ω时，典型输出波形如图13所示。由图13可见，输出电压为1.1 MV，电流为1.0 MA，脉冲电流上升时间(0～1)约为126 ns，电流前沿(0.1～0.9)约为75 ns，电压波形前沿比电流波形陡，脉宽窄。

图13 充电电压为±83 kV、负载电感为40 nH、串联电阻为0.7 Ω时，典型输出波形Fig.13 Output voltage and current on the load of 40 nH and 0.7 Ω in series with charging voltage of ±83 kV

充电电压为±83 kV，开关工作系数为0.6时，去磁后第一发，LTD各级电压波形如图14所示。由图14可见，随着串联级数增加，脉冲宽度和前沿逐渐减小，电压逐级叠加。

图14 充电电压为±83 kV，开关工作系数为0.6时，去磁后第一发，LTD各级电压波形Fig.14 Output voltage waveforms of LTD every stage with charging voltage of ±83 kV and operating coefficient of 0.6 at first short after demagnetizing

本文介绍了原创的共用腔体与内置触发的12级LTD脉冲源的新型拓扑结构、新触发方法和实验调试结果。主要结论：

(1)12级LTD仅需引入1路外触发脉冲(120 kV/25 ns)，在充电电压为±83 kV，驱动电感为40 nH，溶液串联电阻为0.7 Ω时，输出峰值电压为1.1 MV，峰值电流为1 MA，前沿约为75 ns，显著降低了触发系统规模。

(2)获得了触发支路工作电压为±(60～80) kV，开关工作系数为0.5～0.8时的合适气压，12只触发支路开关抖动小于2 ns。触发支路时序系数调节范围为0.9～1.2，验证了多级串联LTD级联时序触发及调控输出波形的技术可行性。

(3)触发支路与主放电支路电压相同，可产生更高幅值的触发脉冲，使5 GW主支路开关工作系数为0.55时也能较好同步放电，有利于降低主开关自放率。

实验结果验证了共用腔体、分立柱回流、插拔式支路拓扑结构及内置触发支路与延时线级联组合的时序触发技术可行性。为建立数十兆安、数百太瓦级大型LTD Z箍缩脉冲驱动源提供了一种全新方案。

猜你喜欢 共用腔体支路 一种新的生成树组随机求取算法西安石油大学学报（自然科学版）(2022年5期)2022-10-08高铁复杂腔体铸造数值仿真及控制技术研究装备制造技术(2020年3期)2020-12-25高铁制动系统复杂腔体铸造成形数值模拟装备制造技术(2020年1期)2020-12-25GSM-R网络新设共用设备入网实施方案研究铁道通信信号(2020年2期)2020-09-21浅谈独立支路法求混联电阻电路的等效电阻江西化工(2018年5期)2018-11-02支路不对称发电机故障下定子电磁力仿真分析电机与控制学报(2018年9期)2018-05-14橡胶挤出装置橡塑技术与装备(2018年5期)2018-03-17抽水蓄能机组定子支路数应用与研究科技与创新(2017年7期)2017-05-13解决因病致贫 大小“处方”共用中国卫生(2016年11期)2016-11-12开孔金属腔体场强增强效应分析中国舰船研究(2015年2期)2015-02-10