一種ltd模塊及其同步觸發的方法
2023-10-04 00:28:19
一種ltd模塊及其同步觸發的方法
【專利摘要】本發明提出一種新結構LTD模塊及觸發方法，LTD每級模塊只需引入一路觸發脈衝，利用置於LTD模塊內部的一個支路和中間絕緣子上的角向傳輸線實現模塊其他支路開關的同步觸發。該觸發方式不受次級耦合過電壓觸發方式存在的「磁芯在超快前沿脈衝下的耦合時間響應特性、支路開關在直流疊加次級耦合電壓下的擊穿閉合時間能否小於電脈衝在LTD次級的傳輸時間，以及感應腔絕緣能否滿足要求」等因素的制約，有更好的技術可行性。
【專利說明】一種LTD模塊及其同步觸發的方法
【技術領域】
[0001]本發明為直線變壓器驅動源(Linear Transformer Driver,簡稱LTD)提供一種新型結構及相應的觸發方法，其核心思想=LTD每級模塊引入一路觸發脈衝，利用置於LTD模塊內部的一個支路和角向傳輸線實現模塊內其他支路開關的同步觸發。該觸發方法對推廣LTD在Z箍縮慣性約束聚變/聚變能源和高能脈衝X射線閃光照相等領域的應用具有重要價值。
【背景技術】
[0002]LTD通過徑向均勻排列的多個低電感支路並聯，利用電磁耦合，實現單級多個支路電流疊加和多級串聯模塊電壓疊加，可直接獲得前沿70 - 200ns的高功率脈衝，LTD在Z箍縮慣性約束聚變(ICF)/聚變能源(IFE)、閃光照相、強雷射等領域具有重要應用。要實現Z箍縮ICF/IFE，脈衝功率源需要數十至幾百路輸出電壓達數兆伏的LTD並聯，每路LTD需要數十級電流MA級LTD模塊串聯。如美國聖地亞國家實驗室(SNL)提出的用於Z箍縮ICF的電流60MA LTD型驅動源概念設計，共210路並聯，每路60級串聯。目前國際上研製的IMALTD模塊以及用於Z箍縮ICF的LTD脈衝驅動源概念設計中，每級IMA LTD模塊需要提供4路前沿約25ns幅值120kV的觸發脈衝，則上述60MA LTD型脈衝源共需提供50400路觸發脈衝，其觸發系統龐大複雜，造價高，制約了 Z箍縮ICF用LTD脈衝源的應用和發展。
[0003]LTD驅動源包含數量龐大的工作電壓±100kV、通流約30kA的氣體開關(多達數萬隻)，要實現電流、電壓的有效疊加，開關必須嚴格按照一定的時序觸發閉合。國內外均在積極探索和研究LTD型驅動源的新型觸發電路拓撲結構和觸發方式，如文
(F.J.Zutavern, S.F.Glover, K.ff.Reed, et al.PCSS triggered pulsed powerswitches[C]// 16th IEEE Int Pulsed Power Conf.2007:231-235.)研究了光導開關角蟲發LTD氣體開關的可行性，由於光導開關工作電壓和通流能力的限制，不能作為LTD支路開關，只能作為LTD觸發系統前級觸發開關；文獻(尹佳輝，魏浩，孫鳳舉等.快脈衝直線變壓器驅動源同步觸發系統[J].強雷射與粒子束，2012，24(4):871-875.(Yin Jiahui1WeiHaoj Sun Fengjujet al.Experimental research of high-power spark gap switch.HighPower Laser and Particle Beams，2012，24(4):871-875 ;雷宇，邱劍，劉克富.直線變壓器驅動源多路開關同步觸發技術[J].強雷射與粒子束，2012，24 (4):765-770.(Lei yu，QiuJianj Liu kefu，et al.Mult1-output synchronization trigger for linear transformerdriver.High Power Laser and Particle Beams，2012，24(4):765-770))探討了多級串聯LTD觸發電路的拓撲結構和多路快前沿、電壓140kV觸發脈衝的產生方式，但每級IMA LTD模塊仍需要施加4路快前沿幅值140kV的觸發脈衝，觸發電路拓撲結構和觸發脈衝產生系統仍龐大複雜。文獻(劉鵬，開關閉合特性對多級串聯LTD性能影響研究[D].西安交通大學博士學位論文，西安:2012)提出了一種基於次級感應過電壓觸發LTD的方式，該觸發方式僅需為上遊幾級(例如前五級)模塊提供外觸發脈衝，下遊模塊內氣體開關通過磁芯耦合沿次級傳輸線傳播的過電壓脈衝，實現支路開關擊穿閉合，該觸發方法(已申請專利，申請號:201110008747.8，發明人:孫鳳舉等)可大幅度降低LTD型驅動源對觸發系統的要求，其電路原理上可行，而其技術可行性取決於磁芯在超快前沿脈衝下的時間響應特性、支路開關在直流疊加次級耦合電壓下的擊穿閉合時間能否小於電脈衝在LTD次級的傳輸時間等。即使多級串聯LTD驅動源採用次級耦合過電壓觸發，其上遊幾級(至少5級)IMA模塊每級仍需要引入4路觸發脈衝。
[0004]本發明提出一種新型結構LTD模塊及觸發方法:
【發明內容】
[0005]本發明提出一種新結構LTD模塊及觸發方法，LTD每級模塊只需引入一路觸發脈衝，利用置於LTD模塊內部的一個支路和中間絕緣子上的角向傳輸線實現模塊其他支路開關的同步觸發。該觸發方式不受次級耦合過電壓觸發方式存在的「磁芯在超快前沿脈衝下的耦合時間響應特性、支路開關在直流疊加次級耦合電壓下的擊穿閉合時間能否小於電脈衝在LTD次級的傳輸時間，以及感應腔絕緣能否滿足要求」等因素的制約，有更好的技術可行性。
[0006]本發明的技術解決方案如下:
[0007]—種LTD模塊,包括殼體、設置在殼體內且圓周均布的2N個支路,N大於等於2,其特殊之處在於:
[0008]還包括置於LTD模塊中間的環形絕緣子、設置在絕緣子上圓環槽內的角向傳輸線、與絕緣子同心設置的觸發環；
[0009]所述2N個支路中的其中一個支路作為觸發支路，其餘支路作為被觸發支路；
[0010]所述觸發支路的開 關觸發電極與外部脈衝觸發電路連接；
[0011]所述角向傳輸線從觸發支路的輸出端出發，分成兩路角向傳輸線分別沿圓環槽的圓周方向反向傳輸1/4圓周，每路角向傳輸線再分成兩路角向傳輸線分別沿圓環槽的圓周方向反向傳輸1/8圓周，最後分別連接到觸發環；
[0012]所述觸發環通過隔離電感與所有被觸發支路的開關觸發電極相連。
[0013]上述隔離電感由螺旋狀電阻絲構成。
[0014]一種LTD模塊的同步觸發方法，其特殊之處在於:包括以下步驟:
[0015]I】將LTD模塊中的其中一個支路作為觸發支路，引入一路陡前沿觸發脈衝，觸發氣體開關；
[0016]2】氣體開關閉合後，觸發支路輸出端產生的高電壓脈衝沿角向傳輸線按以下路徑傳輸:
[0017]角向傳輸線的一端從觸發支路的輸出端出發，分成兩路分別沿圓周方向反向傳輸1/4圓周，每路角向傳輸線再分成兩路分別沿圓周方向反向傳輸1/8圓周，最後通過四路角向傳輸線分別連接到觸發環；
[0018]3】高電壓脈衝通過觸發環同步觸發LTD模塊中的其餘支路。
[0019]本發明的特色和優點是:
[0020]I)每個LTD模塊僅需引入一路快前沿觸發脈衝，觸發位於模塊內的一個支路(稱為觸發支路);
[0021 ] 2 )觸發支路電容器充電電壓和開關充氣氣壓與模塊內其他支路完全相同，觸發支路一端接地，開關閉合後，另一端產生的高電壓脈衝沿模塊中間絕緣子環形槽內的角向傳輸線傳輸，通過四點連接到模塊中間絕緣子觸發環；
[0022]3)連接到觸發支路高壓輸出端的角向傳輸線先沿圓周方向分別傳輸1/4圓周到A、B兩點，從A、B兩點各自分別沿圓周方向傳輸1/8圓周，到達C、D、E、F四點，連接到中間絕緣子外側的金屬觸發環；
[0023]4)該觸發方式使觸發脈衝達到支路開關的時間分散性與引入4路觸發脈衝相同，優點是:與固定電壓幅值的引入4路觸發脈衝相比，當模塊電容器充電電壓改變時，觸發脈衝電壓幅值相應改變，保持開關觸發過壓倍數固定，有利於開關在不同充電電壓下同步觸發性能穩定；
[0024]5)該方法可簡化多級串聯LTD型脈衝源對觸發系統的要求，提高模塊觸發可靠性。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0025]圖1為LTD模塊剖視圖，圖1a為觸發支路，圖1b代表模塊內其他被觸發支路；
[0026]圖2為觸發支路高壓輸出端連接的置於模塊中間絕緣子圓環槽內的角向傳輸線示意圖；其中:H—觸發支路高壓輸出端，圓弧HA、HB— 1/4圓；圓弧AC、AD、BE、BF— 1/8圓；
[0027]圖3為模塊去掉上蓋板和絕緣子的內部支路示意圖；
[0028]圖4其他工作條件相同，模塊引入4路觸發脈衝和利用模塊內部I個支路和角向傳輸線觸發兩種方式下的500kA LTD模塊輸出短路電流波形；
[0029]其中:1 一 LTD模塊接地蓋板；2 —上下絕緣子；3 —磁芯；4 一開關；5 —電容；6 —中間絕緣子；7 —置於中間絕緣子內角向傳輸線；8 —觸發支路接地連接杆；9 一觸發支路聞壓輸出與次級外筒之間的隔尚電感或電阻；10 —外觸發脈衝引入模塊電纜；11-電阻絲；
【具體實施方式】
[0030]本發明核心思想是:引入一路快前沿觸發脈衝，利用置於LTD模塊內部的一個支路，該支路一端接地，另一端通過螺旋狀電阻絲構成高阻負載連接到耦合磁芯的次級外筒，該高壓輸出端同時連接到置於模塊中間絕緣子的角向傳輸線；角向傳輸線沿圓周方向分別傳輸1/4圓周到A、B兩點，從A、B兩點各自分別沿圓周方向傳輸1/8圓周，到達C、D、E、F四點，連接到中間絕緣子外側的金屬觸發環，從金屬觸發環通過螺旋狀電阻絲構成的隔離電感到其餘支路開關觸發電極，實現支路開關同步觸發。
[0031]下面結合圖1、圖2和圖3，描述LTD模塊及上述觸發方式的具體實施過程。
[0032]圖1和圖3LTD模塊內徑向均布的觸發支路(圖1a支路)和其餘被觸發支路(圖1b支路代表)的兩隻電容器連接到開關4的上下高壓電極，所有支路開關的正高壓電極通過螺旋狀電阻絲11串接，引出到模塊的正極性充電電源，所有支路開關的負高壓電極通過螺旋狀電阻絲11串接，引出到模塊的負極性充電電源。當所有支路的電容器充電到設定的電壓時，一路前沿約25ns幅值140kV的外觸發脈衝通過電纜引入接孔(圖3中的10)引入模塊，經一電感數微亨和電阻數十歐姆的螺旋狀電阻絲11連接到觸發支路(圖1a)開關4的觸發電極，引起開關4擊穿閉合，使觸發支路兩隻電容器串聯，一端通過接地連接杆8接地，在觸發支路另一端，即觸發支路高壓輸出與次級外筒之間的隔離電感或電阻9的高壓端和角向傳輸線(圖2)的首端H，產生快前沿幅值約2倍電容器充電電壓的觸發脈衝；該觸發脈衝從H端開始分別沿圓周方向傳輸到圖2的A、B兩點，從A、B兩點分別沿圓周順時針和逆時針方向傳輸1/4圓周到C、D和E、F四點(圖2)，再從C、D、E、F四點分別連接到角向傳輸線的金屬圓環。金屬環根據模塊並聯的總支路數N均分為N/2節點，從均分的節點通過螺旋狀電阻絲構成的隔離電感電阻引入到其餘被觸發支路開關的觸發電極，使其餘支路開關被觸發擊穿閉合，實現模塊同步放電。
[0033]在20支路並聯的500kA LTD模塊上，進行了上述觸發方式和常規引入4路外觸發方式下模塊的同步放電實驗比較，實驗結果為:在次級為短路負載，模塊電容器充電±60kV和開關工作係數相同的條件下，引入4路前沿15ns幅值140kV的觸發脈衝，短路電流周期為732ns ;引入I路前沿15ns幅值140kV的觸發脈衝，利用模塊內I個支路產生的觸發脈衝沿角向傳輸線傳輸後再引到其他支路開關，模塊短路電流周期為742ns，兩者基本相同，如圖4。20支路並聯的500kA LTD模塊的原理性實驗表明:引入一路觸發脈衝，觸發置於模塊內部I個支路產生的高壓脈衝經過角向傳輸線到其他支路開關觸發電極，可有效實現模塊的同步放電。該觸發方式減少了模塊引入的觸發電纜路數，降低了對觸發系統的要求，以及觸發系統和電纜的造價，提高了模塊觸發可靠性。
[0034]凡是利用LTD模塊內部支路和角向傳輸線使模塊內其他支路開關實現同步觸發的方法為本專利的保護範圍。
【權利要求】
1.一種LTD模塊，包括殼體、設置在殼體內且圓周均布的2N個支路，N大於等於2，其特徵在於: 還包括置於LTD模塊中間的環形絕緣子、設置在絕緣子上圓環槽內的角向傳輸線、與絕緣子同心設置的觸發環； 所述2N個支路中的其中一個支路作為觸發支路，其餘支路作為被觸發支路； 所述觸發支路的開關觸發電極與外部脈衝觸發電路連接； 所述角向傳輸線從觸發支路的輸出端出發，分成兩路角向傳輸線分別沿圓環槽的圓周方向反向傳輸1/4圓周，每路角向傳輸線再分成兩路角向傳輸線分別沿圓環槽的圓周方向反向傳輸1/8圓周，最後分別連接到觸發環； 所述觸發環通過隔離電感與所有被觸發支路的開關觸發電極相連。
2.根據權利要求1所述的LTD模塊，其特徵在於:所述隔離電感由螺旋狀電阻絲構成。
3.—種LTD模塊的同步觸發方法，其特徵在於:包括以下步驟: 1】將LTD模塊中的其中一個支路作為觸發支路，引入一路陡前沿觸發脈衝，觸發氣體開關; 2】氣體開關閉合後，觸發支路輸出端產生的高電壓脈衝沿角向傳輸線按以下路徑傳輸: 角向傳輸線的一端從觸發支路的輸出端出發，分成兩路分別沿圓周方向反向傳輸1/4圓周，每路角向傳輸線再分成兩路分別沿圓周方向反向傳輸1/8圓周，最後通過四路角向傳輸線分別連接到觸發環； 3】高電壓脈衝通過觸發環同步觸發LTD模塊中的其餘支路。
【文檔編號】H03K17/96GK103501170SQ201310380076
【公開日】2014年1月8日 申請日期:2013年8月27日 優先權日:2013年8月27日
【發明者】孫鳳舉, 曾江濤, 邱愛慈, 梁天學, 姜曉峰, 王志國, 尹佳輝, 魏浩 申請人:西北核技術研究所