兆安级直线变压器驱动源中气体开关闭合分散性的实验研究

姜晓峰，孙凤举，王志国，降宏瑜，魏 浩，邱爱慈

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

直线型变压器驱动源(linear transformer driver，LTD)是国际上正在发展的一种新型脉冲功率源技术[1-3]，具有模块化设计的理念，能直接产生前沿约为百纳秒的脉冲大电流，已成为大型脉冲功率装置的优选技术路线。许多国家相继提出了大量基于LTD的高功率驱动装置，如T800[4]，M50[5]，CZ34[6]等。模块作为LTD型大型驱动源的基本单元，一般包含十个到数十个由电容器和气体开关组成的放电单元，称为支路。支路中气体开关需按照预先设置的时序闭合导通，模块所储存的能量迅速释放到负载以实现功率的瞬时叠加。一般，LTD模块内所有气体开关需同时闭合，使负载获得最大的电流幅值和最快的上升时间。在某些特殊应用中，需使部分开关按先后顺序闭合，以产生所需的脉冲波形。由于气体放电具有一定的随机性，触发闭合转换时间具有分散性。因此，模块中开关状态及转换时间的分散性对模块输出波形的品质和输出性能有重要的影响。

已有相关研究通过建立开关击穿时延分散性模型,开展了开关抖动对模块输出特性影响的模拟工作[7-10]。而由于LTD模块设计紧凑，腔体密封，工作电压高，且轴向空间狭小(<300 mm)，气体开关状态转换的时间快(<100 ns)，开关状态及闭合时间的判断需快响应、体积小的探测器。气体开关在模块中触发击穿分散性的实验研究较少。中国工程物理研究院陈林等[11]利用CCD相机来记录开关是否导通。美国Michigan大学Campbell等[12]利用PMT采集到的波形与开关放电相对应，该方法光电隔离，引出模块方便，但受到开关电弧位置变化和光电探测器的响应等因素的影响，不能反映开关实际导通的电流。西北核技术研究所孙铁平等[13]利用B-dot采集到放电的起始时刻，给出12个支路的LTD模块开关放电的分散性呈高斯分布。美国加州大学圣地亚哥分校的Conti等[14]采用时间积分的D-dot，测试开关触发电极电位翻转来判断开关闭合时刻，得到典型同步放电情况下20只开关闭合的时间分散性为3.6 ns。触发方式和触发位置等对开关击穿分散性的影响、各个支路放电电流波形等问题仍需深入研究。

西北核技术研究所和西安交通大学联合研制了一套用于Z箍缩研究的气体绝缘兆安级LTD模块[15]，采用一种内置触发支路的新触发方法[16]，只需引入一路外部触发脉冲使触发支路击穿，触发支路产生的脉冲通过角向传输线使其他23个放电支路的开关击穿。基于该模块，本文设计了B-dot和D-dot 2种探头对模块中开关击穿状态及闭合的时间分散性进行了研究。

1 兆安级LTD模块

模块直径为2 290 mm，高度为346 mm。24个放电支路沿圆周轮辐状布置，其中，23个支路为高功率主放电支路，1个支路为触发支路。图1为LTD模块内部放电支路布局图。模块初级腔体采用SF6气体绝缘，由上下盖板、圆柱筒和上盖法兰连接实现密封。各个支路可沿上下绝缘子的定位槽进行插拔，便于检修。

图1 LTD模块内部放电支路布局图Fig.1 Layout of discharge brick inside the module

主放电支路由一个±100 kV气体开关和2只100 nF的塑壳电容器组成。气体开关直径为98 mm，高度为54 mm，为三电极场畸变型气体开关，包含2个间隙，每个间隙距离为10 mm。主放电支路开关编号为1～23，如图1所示。触发支路由一个低阈值触发开关和2只50 nF电容器组成,与主放电支路共用充电，单独充放气，单独触发。触发支路开关编号为24。触发支路上侧电容输出端通过置地电阻接地，置地电阻约为1 kΩ，下侧电容输出直接接地。触发支路开关被触发闭合后，产生触发脉冲通过角向传输线，由4个等距节点馈入到外侧触发环。外侧触发环由24个等分节点经过隔离电阻与23个主放电支路开关触发电极相连。23个开关的触发脉冲中有8个开关同时到达，编号分别为2，5，8，11，14，17，20，23；有8个开关提前2.2 ns到达，编号分别为3，4，9，10，15，16，21，22；有7个开关滞后2.2 ns到达，编号分别为1，6，7，12，13，18，19。

当模块充电±27 kV时，不同开关位置处的触发脉冲波形如图2所示。采用两层交联聚丙烯环中间填充NH4Cl溶液构成模块负载。图3为LTD模块典型输出电压Uload和电流Iload随时间t的变化关系。

图2 不同开关位置处的触发脉冲波形Fig.2 Trigger pulse waveform in different position

图3 LTD模块典型输出电压和电流随时间的变化关系Fig.3 Uload and Iloadof the LTD cavity vs. t

由图2可见，触发脉冲幅值约为触发支路充电电压的2.5倍，触发脉冲前沿约为46 ns。由图3可见，当模块充电电压为±100 kV时，在0.08 Ω的负载可获得前沿为115 ns，幅值约为1 MA的脉冲电流。

2 开关闭合分散性诊断

本文采用B-dot探头和D-dot探头分别测试开关放电电流和电极转换电压，优选其中一种探头作为测试所有支路开关闭合分散性的主要依据。2种测试探头能获得很高的测量精度和兆赫量级的带宽[17]。由于具有较小的体积，该诊断方法在LTD支路放电测量中具有优势。利用6台PICO示波器测试所有开关放电信号，每台示波器含有4个测试通道，单通道的采样率为500 MSa·s-1，示波器采用外触发模式，且6台示波器的外触发信号来自于同一个信号源，以保证所有示波器同时触发。因B-dot探头和D-dot探头主要判断开关状态及闭合时刻，所以未对所有探头进行标定。

2.1 B-dot 探头设计

为减少B-dot探头制作过程产生的偏差，采用基于印制电路板的B-dot探头设计，如图4所示。B-dot探头为2匝的空心线圈，印制在1 mm厚电路板的两面，输出末端为SMA连接器。每一面由一个直径为6 mm的线圈组成，线圈绕向相同。电路板长为20 mm，宽为16 mm。开关外壳靠近气管位置留有直径为20 mm的平面，由一个塑料套将电路板卡住，并通过螺钉固定在平面上。图5为安装在气体开关上的B-dot探头。测量电缆从SMA连接器连接到模块底板的密封电缆接头引出到模块外。电路板与开关中轴线及模块的中轴线尽量在一个平面上，以保证支路放电电流产生的磁场与线圈垂直及各个线圈的磁场分布基本相同。

图4 基于印制电路板的B-dot探头设计Fig.4 Design of B-dot probe based on printed circuit board

图5 安装在气体开关上的B-dot探头Fig.5 B-dot probe mounted on gas switch

B-dot探头可表示为MLR的串联电路[18]。参数包括：放电回路与探测器线圈之间的互感M，约为10 nH；线圈的自感L，约为4 nH；探头末端直接接电缆，输出阻抗Z为50 Ω。此时L/Z为0.2 ns，线圈工作在微分模式。因此，B-dot探头所测得的信号为放电回路电流磁场的变化量，表示为

(1)

其中：I为被测电流；VB为B-dot探头输出电压。本文在B-dot探头末端连接无源积分电路，积分时间常数为5 μs，远大于支路放电的持续时间(400 ns)，因此，积分电容上电压可反映电流波形。

由于放电支路在模块内沿轴线呈圆周分布，各支路放电均能在B-dot探头中产生感应电压。假设开关放电电弧集中在轴线上，且仅考虑沿开关轴向流经的电流在B-dot探头产生的感应磁场。电流通道与B-dot探头距离R约为50 mm，远大于线圈半径r=3 mm。因此，支路上电流与B-dot探头线圈的互感可表示为

(2)

其中，μ为磁导率。而LTD模块中相邻支路开关的间距约为240 mm。B-dot线圈与相邻开关电流产生的磁场角度为π/12，感应磁场的有效面积减小，相邻支路的互感约为B-dot线圈的6倍。因此，相邻支路在该B-dot产生的感应电压可忽略。

2.2 D-dot 探头设计

图6为设计的D-dot探头。D-dot探头位于开关高压电极的正上方，电缆座固定在模块的上盖板上。取样电极由一根直径为3 mm的铜棒构成，末端与上绝缘子的有效面积约为2 cm2。

图6 设计的D-dot探头Fig.6 Designed D-dot probe

D-dot探头的等效电路如图7所示。其中：Cd为探头与高压电极之间电容；Cstray为探头对地分布电容；Z为D-dot探头输出电缆阻抗。对于10 ns的脉冲，Cstray的等效阻抗比电缆阻抗Z高的多。取样电极所测得的信号直接由电缆连接到示波器上，则所测电压波形为开关高压电极电位的变化。通过该电压信号的变化可判断开关是否击穿。

图7 D-dot探头的等效电路Fig.7 Equivalent circuit of D-dot probe

3 实验结果与分析

3.1 B-dot探头和D-dot探头实验结果对比

图8为2号和5号开关上B-dot探头和D-dot探头测试的典型波形。由图8可见，B-dot探头波形的电流起点很清楚，很好地反映了开关的闭合时间。此时，5号开关的闭合时间比2号开关晚52 ns。D-dot探头反映的是高压电极电压的变化，波形包括预脉冲和主脉冲，预脉冲的起始时间为触发脉冲产生的时间，与触发支路上 D-dot探头测量的信号一致，2号开关的D-dot探头测量波形中主脉冲起始点与2号开关的电流相同，但5号开关的D-dot探头测量波形显示为双主脉冲。FLTD 模块上电容是充负电的，触发脉冲是正极性的，因此，触发脉冲首先会击穿开关的负电隙，即上间隙。5号开关触发间隙(负间隙)被击穿后，过压间隙迅速被击穿，而2号开关触发间隙被击穿后，过压间隙经数十纳秒的时延后才被击穿，因此，D-dot探头波形出现了2个峰，与B-dot探头波形对比可见，第2个峰代表的是开关击穿的时刻。对比表明，B-dot探头能更直观地反映开关的闭合时间。

图8 2号和5号开关上B-dot探头和D-dot探头测试的典型波形Fig.8 Typical waveforms of B-dot and D-dot probe on switch No.2 and No.5

3.2 兆安级模块中开关时延及分散性

气体开关触发延时定义为从触发支路电流起始点到主支路开关电流的起始点的时间差，触发支路和主支路放电典型波形如图9所示。

图9 触发支路和主支路放电典型波形Fig.9 Typical current waveform of trigger brick and main brick

当充电电压为±80 kV，工作系数不同时，LTD模块连续10次放电各开关的平均触发时延和抖动如图10所示。由图10可见：随着工作系数增加，开关触发时延减小，抖动减小；当工作系数为65%～70%时，大部分开关抖动小于5 ns；当工作系数为60%～65%时，1，3，5，6，8，20号开关触发平均时延相对偏大，对应的抖动也较大；2，4，7号开关的平均触发时延分别比临近的1，3，5，6，8号开关要短，表明先击穿的开关可能会抑制临近开关触发闭合。

图10 充电电压为±80 kV，工作系数不同时，LTD模块连续10次放电各开关的平均触发时延和抖动Fig.10 Average trigger delay and jitter of switches in LTD cavity at different worked coefficient after 10 times discharging when charging voltage is ±80 kV

当充电电压为±80 kV时，模块输出电流峰值随开关击穿时延分散性的变化关系如图11所示。由图11可见，开关触发时延分散性从2.2 ns上升到13.3 ns时，模块输出电流值约为(840±4.6) kA，负载电流上升前沿为(126±1) ns。表明，该LTD模块及其触发方式下开关时延分散性小于15 ns，对模块输出电流幅值影响占比小于1%。

图11 LTD模块输出电流峰值随开关击穿时延分散性的变化关系Fig.11 Peak current vs. dispersion of trigger delay of switches in LTD cavity

3.3 支路放电参数分析

一般情况下，模块中的23个主放电支路具有相同的电容和充电电压，每个支路的输出电流波形应相同。相同条件，不同状态下，支路电流波形如图12所示。由图12(a)可见，当各支路的开关同步放电时，各主放电支路电流波形基本相同；由图12(b)可见，当某一个支路开关发生自击穿时，支路放电电流呈现短路振荡；由图12(c)可见，当开关放电不同步时，支路放电电流波形会产生变化。实验结果表明，支路放电波形显著受到开关闭合分散性的影响。

(a) In sync

(b) Self-breakdown

(c) Out sync

将支路等效为RLC电路，电容上电压UC可表示为

(3)

其中：Lbrick为回路等效电感；Ibrick为回路等效电流；Rbrick为回路等效电阻。当电容器充电电压为U0时，Ibrick可表示为

(4)

表1 不同状态下支路参数Tab.1 Brick parameters at different states

由表1可知，支路开关同步放电时，支路回路等效电感为352 nH。由于模块次级区电感为6.68 nH[15]，次级电感折算到初级等效电感为153.6 nH，则扣除次级区电感后支路等效电感Leq为198.4 nH，该电感包含支路自感L0和与其他支路互感∑M，即Leq=L0+∑M=198.4 nH。由于互感导致支路等效电感增加，折算到单个支路的等效电路阻抗与负载阻抗基本匹配，放电电流波形基本呈匹配放电波形。

当某支路开关自放电时，由于放电电流在环形负载的分布不均匀，该放电支路所对应负载的电阻大于模块负载溶液电阻(0.08 Ω)，但与单支路匹配负载相比，仍小得多，因此，电流波形呈短路振荡波形。

如某支路开关放电不同步，其他支路放电是同步的，则其他支路电流过0时，不同步支路得到的互感电压为负值(此时该回路获得的感应磁通变化率反向最大)，与源电压抵消，导致该不同步放电支路等效电感减小，折算到RLC等效电路的回路阻抗变小，因此，不同步放电支路中的电流会发生振荡，振荡频率甚至比某支路自放电时更快，振荡电流峰值也比自放电时高。此时，电流峰值可达模块正常放电时的2倍以上，这对开关和电容器的寿命极其不利，应尽量避免。根据表1中不同步支路的参数，扣除次级电感后支路等效电感Leq为153.3 nH，等效为与其他支路的互感为负，即-∑M，此时Leq=L0-∑M=153.3 nH。因此，由实验结果可推算得到单支路电感L0=175.8 nH，互感∑M约为22.5 nH。互感占支路电感的13%，不可忽略其影响。

4 结论

基于可插拔支路的兆安级LTD模块，设计了B-dot探头和D-dot探头分别测试支路放电电流和开关高压电极电压变化情况，监测模块内所有开关的闭合时间。在±80 kV充电电压下，当开关闭合时间的分散性从2.2 ns变化到13.3 ns，模块输出电流值约(840±4.6) kA，负载电流上升前沿为(126±1) ns。该LTD模块整体输出电流幅值及上升前沿受到开关闭合分散性的影响较小。而对于每个支路来讲，即使支路充电电压相同，由于开关闭合时间具有分散性，各支路输出电流波形是不同的。主要原因是支路之间的互感占到支路电感的13%，不可忽略。开关放电不同步时个别支路电流幅值甚至可达正常电流的2倍，可能显著缩短该支路的预期寿命。