电爆炸脉冲电源续流支路振荡过电流分析

郇恒强　田海　刘泰成　李贞晓

摘要：研究了金属丝电爆炸脉冲电源性能测试过程中续流支路的过电流现象。通过理论分析、电路参数测试和仿真计算，得出了续流支路出现过电流的原因。过电流现象是由触发真空开关特性不理想和电容支路的杂散参数满足了二阶系统的欠阻尼振荡条件共同造成的。通过在续流支路安装缓冲电阻，增大二阶系统的阻尼比，进而降低了过电流幅值，防止了续流硅堆的损坏。实验表明，缓冲电阻方案行之有效。

关键词：电爆炸;过电流;脉冲电源;缓冲电阻

中图分类号：TM89

文献标识码：A

DOI： 10.15913/j.cnki.kjycx.2019.11.007

電爆炸是采用合适的高功率脉冲电源向电爆炸负载脉冲放电，使负载在极短的时间内聚集起极高的能量密度[1-2]。当前研究最多的电爆炸负载是金属丝，在脉冲电流作用下，金属丝会发生剧烈的相变过程，从固态经液态、汽态向等离子体态迅速转化。自20世纪50年代以来，金属丝电爆炸一直是电爆炸研究的热点之一，对军事、工农业、医疗等方面均有重要意义[3-7]。

为开展金属丝电爆炸研究，研制了一套脉冲电源，在该电源的性能测试过程中，出现了会导致续流硅堆损坏的过电流现象。本文通过理论分析、电路参数测试和电路仿真，弄清了过电流的发生原因，采用缓冲电阻增大二阶系统阻尼比的方法降低了过电流幅值，保护了续流硅堆。

1 脉冲电源及其放电过程简析

用于金属丝电爆炸研究的脉冲电源额定储能118 kJ、额定电压13 kV，由高压充电电源、安全泄放电路、脉冲成形单元和金属丝电爆炸装置等部分组成，脉冲电源的电路结构如图1所示。图1中，虚线框I为高压充电电源;UCH为直流电源;KCH为充电开关;DCH为充电隔离二极管;Ⅱ为安全泄放电路;KdiS为安全泄放开关;Rdi。为安全泄放电阻;in为脉冲成形单元;C为脉冲电容器;S为脉冲开关;L为脉冲电感器;D为续流硅堆;Pb+、Pb-依次表示输出端子的正极和负极;Ⅳ为金属丝电爆炸装置;R为其放电等效电阻。

脉冲成形单元是脉冲电源的核心部件，用于产生脉冲电流。脉冲成形单元中，脉冲电容器采用金属化膜电容器，脉冲电感器采用环氧浇注箔式空心电感器，脉冲开关采用触发真空开关，续流硅堆采用大功率整流管串联组件，它们的主要技术参数如表1所示。

基于具有理想开关特性的触发真空开关（触发导通、电流过零关断）和整流管（正向电压开通、反向电压关断）建立脉冲成形单元的放电电路模型，分析脉冲放电过程。如果

令Rz为脉冲成形单元的特征电阻，Rz=2√L/C。

由图1可知，通过Rz与负载放电等效电阻R的比较，可将脉冲放电分成如下情况：当R>Rz时，为过阻尼放电;当R=Rz时，为临界阻尼放电;当R

2 续流支路的过电流现象

脉冲电源组建完成后，首先采用模拟负载进行脉冲放电测试，考察其性能。性能测试过程中，脉冲电源的工作电压由低逐渐升高，测试发现，续流支路电流峰值和其他两个支路电流峰值不同，续流支路存在过电流的情况，这与前述基于理想开关特性分析的结论存在明显不同。脉冲电源在工作电压11kV时经实验测得的放电电流波形如图2所示，电感支路电流iL峰值约49.77 kA，电容支路电流ic峰值与iL峰值相同，而续流支路电流iD峰值约为81.85 kA。

根据前述理想开关特性下的脉冲放电过程分析结论，从图2可以看出如下3个非理想现象：①3个支路电流不仅峰值相差很大，而且还不同时出现，另外iD表现出了一个明显的过电流现象，iD峰值81.85 kA，明显高出iL和iC的峰值49.77 kA;②ic出现了一个幅值较大的反向电流，峰值为32.09 kA，且这个反向电流近似于正弦半波;③iD上升初期高出iL的那部分电流，在数值上近似于ic出现的反向电流，且二者沿此时刻电源输出电流iL的中值水平线近似对称。

由表1可知，本文中续流硅堆的最大耐受脉冲电流不大于90 kA，而根据图2所示的放电波形可知，当工作电压为13 kV时，续流支路电流iD的峰值必然会高出90 kA，这就超出了续流硅堆的电流承受能力，将会损坏器件。因此，必须查清过电流发生的原因，并采取合适的应对措施。

3 过电流成因分析

研究表明，续流支路的过电流现象与触发真空开关的实际关断特性、脉冲放电电路杂散参数等有关。

3.1 触发真空开关的实际关断特性

由图2可知，在续流硅堆开通后，触发真空开关并没有发生电流过零关断，而是流通了半个正弦波的反向电流后才关断。这表明，触发真空开关表现出的实际关断特性为“导通后正向电流过零不关断，反向电流过零关断”，其实际开关特性并不理想。

3.2 实际电路元件的杂散参数

实际电路元件的杂散参数主要包括：①脉冲电容器的杂散参数，主要有固有电阻、电极的欧姆电阻、局部放电等所消耗的能量;②脉冲电感器的杂散参数，主要包括固有电阻、匝间互感、匝间电容和对地电容等，其中固有电阻用于表征线圈的欧姆电阻损耗和磁通在元件的金属配件中引起的损耗;③触发真空开关的杂散参数，主要包括通态电阻和极间电容等，其中通态电阻用于表征开关损耗;④续流硅堆的杂散参数，主要包括通态电阻和结电容等，其中通态电阻用于表征器件损耗;⑤传输线的杂散参数，主要包括分布电阻、分布电感和分布电容等。

3.3 换路过渡阶段与过电流成因分析

根据触发真空开关实际关断特性可知，脉冲成形单元的放电过程在RLC放电阶段向RL放电阶段转换时出现了一个换路过渡阶段。忽略触发真空开关和续流硅堆的通态电压以及杂散电容的影响，计入各支路的杂散电阻和电感参数后，换路过渡阶段的脉冲放电电路可表示为一个包含多个动态元件和两个独立回路的等效电路，如图3所示。

使用LCR测试仪测量了脉冲成形单元的相关元件和线缆，得到了其电容支路和电感支路的等效电路，参数如表2所示。表2中等效电路参数与图3所示等效电路的元件相对应。需要说明的是，脉冲电源中续流硅堆的阴极端子被用作电容支路和电感支路的结点，阳极端子直接连着电容支路和输出端子负极板线路的结点，由于续流硅堆的通态电阻和接线电感在量级上远远小于其他支路杂散电阻和杂散电感，因此对应于图3所示电路，LD和RD均可以忽略不计。

由图3可知，续流支路电流是电容支路电流和电感支路电流之和满足：

iD （t） =iL （t） -iC （t） （t≥td）

（l）

为了更清晰地解释续流支路的过电流现象，不妨先假定触发真空开关换路后不关断，然后进行换路过渡阶段的放电分析。忽略LD和RD的影响，图3所示电路中A点与0点电位相等，因此可直接将续流支路视为短路。于是，由式（l）可知，iD为2个等效回路的电流分量iDl（图3中等效回路I的电流，即- ic）、iD2（图3中等效回路II的电流，即iL）之和，因此分析这2个电流分量的变化规律就可以明确iD的变化情况。

将表2参数代入式（3），并按最大电流工况计算，得到τL=22.65 ms。

由电流iDl和iD2的变化规律可知，换路过渡阶段开始后，具有周期衰减振荡性质的iDl就叠加到iD2上，若满足Tc/2<τt，则在iDl的振荡正半周内（也就是ic的振荡负半周内）的任意时刻，iD都会高于iD2（iL），即续流支路会出现振荡过电流现象，且iDl越大，Tc越小，振荡过电流现象越明显。将触发真空开关的实际关断特性考虑在内，则续流支路会出现时长近似等于回路I半个振荡周期（Tc/2）的正弦半波过电流（即换路过渡阶段的时长也等于Tc/2）。

3.4 仿真验证

根据表2所示的等效参数，在假定续流支路无续流缓冲电阻的条件下，建立脉冲成形单元的两种放电电路模型，计算验证前文过电流成因分析结果是否合理。电路模型包括：①基于闭合不关断脉冲开关建立的脉冲放电电路模型;②基于触发真空开关实际关断特性建立的脉冲放电电路模型。

两种放电电路模型在最大电流工况下的脉冲电流仿真波形如图4所示，从图4可以看出：iD较ic和iD高很多（iD峰值为96.67 kA），续流支路过电流现象比较明显;iD自0升至峰值的过程与ic自正向峰值跌落至反向峰值的过程同步发生;采用闭合不关断开关时，ic的欠阻尼振荡现象和iD的叠加振荡现象更为明显，更容易认清续流支路出现过电流的原因;因负载电流就是iL，仅监测负载电流不能观察到脉冲成形单元内部发生的过电流现象。

上述结果表明，本文对过电流成因的分析是合理的。

4 过电流抑制与缓冲电阻设计

4.1 过电流抑制措施

根据图4可知，最大电流工况下续流支路电流iD峰值会高达96.67 kA，显然该值超出了续流硅堆的电流能力，因此，需要采取措施，将该电流抑制在续流硅堆能力范围内。由于续流支路过电流与触发真空开关的关断特性和图3中等效回路I的杂散参数密切相关，因此提出了如下解決思路：使脉冲开关的关断特性理想化，即使其具有零电流关断和特性;改变等效回路I的杂散参数，增大该二阶电路的阻尼比，将续流支路过电流控制在合理范围。

改变脉冲开关的关断特性可以彻底消除续流支路过电流，一个可行方法是为触发真空开关串联一组整流管，但该方法的效费比不高。因此首选改变等效回路I的杂散参数的方法，通过增加一个缓冲电阻来增大等效回路I的阻尼比，抑制电流振荡的幅度，从而降低过电流峰值。

4.2 缓冲电阻设计

缓冲电阻能抑制振荡，降低超调量。分析认为，安装在续流支路较为合理，这是因为在续流硅堆导通前（即RLC放电阶段），缓冲电阻不参与脉冲放电过程，该电阻不会影响输出电流的波前和峰值。由于其仅在续流硅堆导通后参与脉冲放电，其消耗电能较小，对系统工作效率和输出电流波形的影响较小。相比之下，若安装在电容支路，该电阻全程参与脉冲放电，不仅会使输出电流波前变长、峰值降低，而且消耗电能也比较大。

在满足过电流抑制要求条件下，缓冲电阻值应尽量小，以减小其对脉冲放电的影响。在脉冲放电电路计算模型中，当缓冲电阻分别取2 mΩ、4mΩ、8 mQ时，续流支路电流仿真波形如图5所示。计算表明，缓冲电阻均能达到预期效果，阻值为2 mΩ时，过电流iDl的峰值为90.07 kA;为4mΩ时，过电流iD2的峰值为85.32 kA;为8mΩ时，过电流iD3的峰值为75.53 kA。综合考虑，本文缓冲电阻设计值取4 mΩ。

缓冲电阻的制作材料除了能承受脉冲电流作用下的电动力和焦耳热以外，还应尽可能便于电阻小型化和无感设计。经分析和实验，发现采用某型铁镍钼合金材料制作缓冲电阻较为合适，设计的缓冲电阻（阻值约4.2 mΩ，测量频率3 kHz）有效长度为80 mm，被安装在续流硅堆阴极端子一侧。安装缓冲电阻以后的脉冲放电测试表明，缓冲电阻对过电流抑制效果良好，可保证续流硅堆安全工作。脉冲电源在额定电压和采用短路模拟装置的工况下放电获得的电流实测波形如图6所示，iD峰值约为82.68 kA。

4.3 缓冲电阻对放电效率的影响分析

研究表明，在脉冲成形单元的RLC放电阶段缓冲电阻不参与放电，且通常情况下金属丝电爆炸等效负载阻值比缓冲电阻阻值大很多，因此缓冲电阻对脉冲放电的影响并不大。这里借助仿真举例观察，某金属丝电爆炸装置的固态负载值为80 mΩ -4 μH，脉冲放电的仿真结果如图7所示，iPl为无缓冲电阻时的负载电流，iP2为有缓冲电阻时的负载电流，由图7可知，iPI与iP2波前和峰值均相同，在2ms左右两个电流的差值最大，最大差值不足0.90 kA。

5 结论

本文研究了电爆炸脉冲电源中续流支路的过电流现象，并提出了过电流的抑制措施。续流支路发生过电流是由触发真空开关特性不理想和电容支路的杂散参数满足了二阶系统的欠阻尼振荡条件共同造成，通过在续流支路增加安装缓冲电阻，增大二阶系统的阻尼比，可降低过电流幅值，防止续流硅堆的损坏，提高电爆炸脉冲电源的运行可靠性。

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