一种基于双向自适应放电开关的脉冲源的研制
时间：2023-06-27 21:45:02 来源：雅意学习网 本文已影响 人 
张世杰ZHANG Shi-jie；
陈炜峰CHEN Wei-feng；
陈城CHEN Cheng
（南京信息工程大学，南京 210000）
电磁脉冲是瞬间产生的物理现象，通常陡前沿、窄宽度、宽频带和高瞬间能量。[1]电磁脉冲可以通过线路耦合的方式将电磁脉冲产生的巨大能量传至电子设备，瞬间产生的高能量会破坏电路结构，例如会引起晶体二极管、电阻和电容器、继电器等电子元器件烧毁等。所以，电磁脉冲相关技术（电磁脉冲产生及电磁脉冲产生时电器元件的保护等）成为各国研究热点之一。[2]
随着现代电磁脉冲、新型强激光、新型武器研究和可控热核融合研究等新领域的出现，脉冲能量技术发展迅速，其应用领域越来越广泛，特别是在医学、能源领域。[3]然而，由于高压脉冲源装置一般体积过大，运输过程中极易损坏部件，因此，研究一种运输便捷的高压脉冲装置是十分有必要的。而放电开关影响着脉冲源的各项技术参数，是脉冲源研制中的重点对象。
脉冲源的工作原理是：高压直流能源经过充电电阻对储能设备充电，形成充电电路；
储能装置按规定电压充电后，放电开关由断开状态变为接通或控制状态，使储能装置通过放电开关放电，形成放电电路和高压端输出所需的脉冲。[4]经过示波器及其它测量设备，得到波形和参数。[5]脉冲源结构原理图如图1 所示，脉冲源等效电路原理图如图2 所示。
图1 脉冲源结构原理图
图2 脉冲源等效电路原理图
放电开关很大程度上决定着脉冲的参数，所以对开关的设计极为重要。通常要确保开关传输功率尽可能大、灵敏度尽可能大、波动尽可能小时，还要求开关电容、电感、电阻等参数要小。[6]
2.1 电极选型
由于开关属于机械运动部件、工作时易产生较高热量继而更容易氧化、结构较为特殊以及材料性质特别等因素，普通开关的性能相对较差且使用寿命相对较短。[7]电极作为开关通断时电流发生载体，需要防止频繁接触电流以避免开关触点部分熔焊，因此合适的电极材料至关重要。
电极材料作为对照实验中的变量，选择银、铜、钼三重金属，经过放电实验，探究在同种材料、不同规格和不同材料、同种规格条件下，电极材料触点的性能，并将两组数据综合，以得到最适合的材料规格。[8]在整个实验中，开关浸至变压器油中以模拟实际使用时的情景。实验结果显示：金属钼在2.5kV 的多次实验中，表面基本完好，而铜和银均出现不同程度的磨损甚至溶焊现象。根据上述实验，可以得出结论：金属钼相较于金和银，对于作为2.5kV 脉冲放电开关触点更具有优势，实验显示，在模拟使用环境下，钼的硬度更大、熔点更高，在大电流、高温环境下，形变或熔焊的出现概率更低，并且其阻抗较为稳定。
2.2 开关总体设计
研制的放电开关结构如图3 所示，实物图如图4 所示。放电开关设置在油箱内，放电开关包括推拉式电磁铁1、弹簧2、绝缘杆3、摆球4、两个第一电极5、两个第二电极6，放电开关整体泡在装有变压器油的油中，起绝缘作用，减少抖动。
图3 放电开关结构图
图4 放电开关
放电开关采用双向自适应的电控结构，推拉式电磁铁固定在油箱内底端，推拉式电磁铁通过连接杆与弹簧的一端连接，绝缘杆的两端固定有摆球，其中一个摆球的一侧设置有两个第一电极，两个第一电极与油箱之间固定连接，其中另一个摆球的一侧设置有两个第二电极，两个第二电极与油箱之间固定连接，当按下开关按钮，电流经过推拉式电磁铁，推拉式电磁铁的推拉杆收缩，带动加长杆移动，弹簧伸长，连接杆摆动，摆球与两个第一电极触碰，松开开关按钮，弹簧回缩带动摆球右侧回到原先位置。
由前文可知，脉冲源由高压电源、充电电阻、储能电容、放电开关和负载电阻组成。脉冲源整体结构示意图如图5 所示。
图5 脉冲源整体结构示意图
3.1 脉冲源选型
常用的高压电源有两种：高压恒流源和高压恒压源。[9]通过对比两者的区别选择更便宜且使用方便的恒压源来作为脉冲源的初级电源。选择的直流高压电源含有一个显示界面和转换开关，可以轻松的观察参数和调节正负极性。
充电电阻选用玻璃釉膜电阻，经调查研究得出，这种电阻电性能稳定，耐电压高，温度系数低，耐短期过载强，功率大，适用于高压、大功率电路中，且无感效果好。[10]
储能电容选择薄膜式电容器。这种电容器虽然体积稍显过大，但它有着消耗小、能自愈的特性，适合作为脉冲源的储能装置。
选择10 支额定阻值100Ω、额定功率100W 的绕线电阻并联得到负载电阻。根据检测观察得出，这种设计负载电感仅有60nH 左右，对微秒级脉冲源的上升沿影响较小。同时该电阻使用树脂密封外部，具有可降低寄生电感、增强散热功能、减小体积、延长使用寿命、过负荷能力强和热稳定性好的优点。[11]
3.2 脉冲源总成
整体布局设计基本需要考虑到以下因素。首先是布线，要保证线路不交叉，连接线短，线路保证畅通等。[12]如果存在布线不规范的问题，则会在实验过程中产生大量杂散参数，这些参数会极大改变输出结果，造成偏差。其次高压设备中高压部分在设计时必须远离设备壳体，做好绝缘，确保各部件之间连接稳固。
脉冲源整体设计中，油浸开关高压输出端和负载电阻高压端的绝缘通过采用聚四氟乙烯加工件进行处理；
开关内部支架使用有机玻璃作为材料，有机玻璃具有较好的绝缘作用，而且便于安装且其结构具有较好的稳定性。充电电阻与机柜面板隔离通过有机玻璃管实现，来保证高压端与地的隔离。[13]将开关放入变压器油中，确保变压器油整个包裹住开关整体，以防开关电极对外部金属放电。[14]接地时需考虑到合适的接地线及接地可靠性，最终选择3cm宽、0.2mm 铜带作为接地线。整体脉冲源如图6 所示。
图6 脉冲源整体
将开关接入脉冲源油箱中，接入放电回路，通过输出波形检测开关性能如图7 所示，开关参数如表1 所示。
图7 测试波形
表1 开关参数
该高压脉冲源装置结构紧凑，连接稳固，输出脉冲性能稳定，且移动方便，拆卸简单，储能电容通过铜条连接，充电时不易烧毁，绕线电阻通过铜板并联，降低寄生电感，放电开关整体泡在装有变压器油的油箱中，采用双向电控自适应开关结构，双电极结构适用于更多场合，且摆锤半球与电极结合处紧密贴合，提高了触发准确性。高压电源设有紧固组件，提高了移动时的安全系数。高压脉冲源整体装于小车中，便于移动，通过按压按钮通放电，安全有效，结构设计合理，有效降低了移动时出现的部件损坏。
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