多級(jí)串聯(lián)的ltd驅(qū)動(dòng)源及其同步觸發(fā)方法
【專利摘要】本發(fā)明提供一種多級(jí)串聯(lián)的LTD驅(qū)動(dòng)源及其同步觸發(fā)方法，LTD脈沖源前n級(jí)模塊每級(jí)引入一路外觸發(fā)脈沖，利用模塊內(nèi)一個(gè)支路和角向傳輸線實(shí)現(xiàn)n級(jí)模塊其他支路開關(guān)的同步觸發(fā)，同時(shí)從n級(jí)模塊每級(jí)觸發(fā)支路高壓端引出一路觸發(fā)脈沖，依次引入到后續(xù)相對(duì)應(yīng)位置串聯(lián)模塊觸發(fā)脈沖輸入端，觸發(fā)后續(xù)模塊內(nèi)觸發(fā)支路的開關(guān)，依次類推，實(shí)現(xiàn)LTD所有串聯(lián)模塊的同步觸發(fā)。本發(fā)明可顯著簡(jiǎn)化多級(jí)串聯(lián)LTD型脈沖源對(duì)觸發(fā)系統(tǒng)和觸發(fā)時(shí)序的要求，提高模塊觸發(fā)可靠性。
【專利說(shuō)明】多級(jí)串聯(lián)的LTD驅(qū)動(dòng)源及其同步觸發(fā)方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明為多級(jí)串聯(lián)次級(jí)采用水介質(zhì)的直線變壓器驅(qū)動(dòng)源(Linear TransformerDriver,簡(jiǎn)稱LTD)提供一種新型模塊結(jié)構(gòu)及觸發(fā)方法，該觸發(fā)方法對(duì)推廣LTD在Z箍縮慣性約束聚變/聚變能源等領(lǐng)域的應(yīng)用具有重要價(jià)值。

【背景技術(shù)】
[0002]LTD脈沖源通過(guò)徑向均勻排列的多個(gè)低電感支路并聯(lián)，利用電磁耦合，實(shí)現(xiàn)單級(jí)多個(gè)支路電流疊加和多級(jí)串聯(lián)模塊的電壓疊加，可直接獲得前沿70 - 200ns的高功率脈沖，它在Z箍縮慣性約束聚變(ICF)/聚變能源(IFE)、閃光照相、強(qiáng)激光等領(lǐng)域具有重要應(yīng)用。要實(shí)現(xiàn)Z箍縮ICF/IFE，需要數(shù)十至幾百路輸出電壓達(dá)數(shù)兆伏的LTD并聯(lián)，每路LTD需要數(shù)十級(jí)電流MA級(jí)LTD模塊串聯(lián)。美國(guó)圣地亞國(guó)家實(shí)驗(yàn)室(SNL)提出的用于Z箍縮ICF的電流60MA LTD型驅(qū)動(dòng)源概念設(shè)計(jì)，共210路并聯(lián)，每路60 — 70級(jí)串聯(lián)，次級(jí)采用水介質(zhì)傳輸線，可以避免長(zhǎng)真空磁絕緣傳輸線(MITL)的電子發(fā)射與電流損失，并使次級(jí)阻抗與LTD初級(jí)匹配，有利于每級(jí)模塊按IVA理想時(shí)序?qū)崿F(xiàn)脈沖的高效疊加與傳輸，避免次級(jí)抽真空帶來(lái)的一系列工程問(wèn)題。水介質(zhì)傳輸線與圓錐狀MITL分界面處的高壓絕緣堆技術(shù)在ZR裝置上已經(jīng)得到考核，因此，大型Z箍縮LTD驅(qū)動(dòng)源次級(jí)采用水介質(zhì)傳輸線的技術(shù)優(yōu)勢(shì)和技術(shù)成熟度逐漸得到國(guó)際上認(rèn)可，2011、2013國(guó)際脈沖功率會(huì)議上介紹了美國(guó)SNL正在研宄次級(jí)采用去離子水介質(zhì)的多級(jí)IMA模塊串聯(lián)技術(shù)研宄實(shí)驗(yàn)臺(tái)。俄羅斯大電流所和美國(guó)SNL研制的IMA LTD模塊是大型Z箍縮ICF/IFE的LTD脈沖驅(qū)動(dòng)源概念設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)單元，目前每級(jí)IMA LTD模塊至少需要提供4路前沿約25ns幅值120kV的觸發(fā)脈沖，則210路并聯(lián)、每路60級(jí)串聯(lián)、電流60MA LTD型脈沖源共需提供50400路上述參數(shù)的觸發(fā)脈沖，而且要求觸發(fā)脈沖按一定時(shí)序使串聯(lián)模塊開關(guān)觸發(fā)閉合，以達(dá)到觸發(fā)脈沖高效疊加與傳輸，這對(duì)觸發(fā)系統(tǒng)提出了嚴(yán)峻挑戰(zhàn)，觸發(fā)系統(tǒng)龐大復(fù)雜，造價(jià)高，制約了用于Z箍縮ICF/IFE LTD大型脈沖源的發(fā)展。
[0003]IMA LTD單級(jí)模塊包含40只工作電壓±100kV、通流約30kA的氣體開關(guān)，目前模塊常用氣體開關(guān)從施加觸發(fā)脈沖到擊穿閉合的延時(shí)約30-40ns，要實(shí)現(xiàn)多級(jí)串聯(lián)LTD電流、電壓的有效疊加，開關(guān)要求按照IVA時(shí)序觸發(fā)閉合，必須考慮氣體開關(guān)觸發(fā)延時(shí)時(shí)間。國(guó)內(nèi)外均在探索和研宄LTD型驅(qū)動(dòng)源的新型觸發(fā)電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和觸發(fā)方法，如文獻(xiàn)(F.J.Zutavern, S.F.Glover, K.W.Reed, et al.PCSS triggered pulsed powerswitches[C]// 16th IEEE Int Pulsed Power Conf.2007:231-235.)研宄了光導(dǎo)開關(guān)觸發(fā)LTD氣體開關(guān)的可行性，由于光導(dǎo)開關(guān)工作電壓和通流能力的限制，不能作為L(zhǎng)TD支路開關(guān)；文獻(xiàn)(尹佳輝，魏浩，孫鳳舉等.快脈沖直線變壓器驅(qū)動(dòng)源同步觸發(fā)系統(tǒng)[J].強(qiáng)激光與粒子束，2012，24 (4): 871-875.(Yin Jiahui, Wei Hao, Sun Fengju, et al.Experimentalresearch of high-power spark gap switch.High Power Laser and ParticleBeams，2012，24(4):871-875;雷宇，邱劍，劉克富.直線變壓器驅(qū)動(dòng)源多路開關(guān)同步觸發(fā)技術(shù)[J].強(qiáng)激光與粒子束，2012，24(4):765-770.(Lei yu，Qiu Jian, Liu kefu, etal.Mult1-output synchronizat1n trigger for linear transformer driver.HighPower Laser and Particle Beams，2012，24(4):765-770))探討了多級(jí)串聯(lián) LTD 觸發(fā)電路的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和多路快前沿、電壓140kV觸發(fā)脈沖的產(chǎn)生方式，但每級(jí)IMA LTD模塊仍需要施加4路快前沿幅值約120kV的觸發(fā)脈沖，觸發(fā)電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和觸發(fā)脈沖產(chǎn)生系統(tǒng)龐大復(fù)雜。文獻(xiàn)(劉鵬，開關(guān)閉合特性對(duì)多級(jí)串聯(lián)LTD性能影響研宄[D].西安交通大學(xué)博士學(xué)位論文，西安:2012)提出了一種基于次級(jí)感應(yīng)過(guò)電壓觸發(fā)LTD設(shè)想，僅需為上游幾級(jí)(例如前五級(jí))模塊提供外觸發(fā)脈沖，下游模塊內(nèi)氣體開關(guān)通過(guò)磁芯耦合沿次級(jí)傳輸線傳播的過(guò)電壓脈沖，實(shí)現(xiàn)支路開關(guān)擊穿閉合，該觸發(fā)方法(申請(qǐng)?zhí)?201110008747.8，發(fā)明人:孫鳳舉等)可大幅降低LTD型驅(qū)動(dòng)源對(duì)觸發(fā)系統(tǒng)的要求，其電路原理上可行，而其工程技術(shù)上的可行性取決于磁芯在超快前沿脈沖下的時(shí)間響應(yīng)特性、支路開關(guān)在直流疊加次級(jí)耦合電壓的擊穿閉合時(shí)間能否小于電脈沖在LTD次級(jí)的傳輸時(shí)間等，即使多級(jí)串聯(lián)LTD驅(qū)動(dòng)源采用次級(jí)耦合過(guò)電壓觸發(fā)，其上游幾級(jí)IMA模塊每級(jí)仍需要引入4路觸發(fā)脈沖。文獻(xiàn)(涂卓麟，邱劍，余瀾明，王永剛，劉克富.大規(guī)模LTD自觸發(fā)驅(qū)動(dòng)技術(shù).第三屆全國(guó)脈沖功率會(huì)議論文集，2013.08，長(zhǎng)沙)提出在LTD模塊磁環(huán)加繞副繞組，在該級(jí)被觸發(fā)導(dǎo)通之時(shí)能夠同步產(chǎn)生高壓快脈沖信號(hào)，該信號(hào)通過(guò)傳輸線引入后面多級(jí)LTD模塊，以實(shí)現(xiàn)整個(gè)LTD裝置同步自觸發(fā)。該設(shè)想存在的主要問(wèn)題:沒(méi)有考慮氣體開關(guān)從施加觸發(fā)脈沖到閉合的延時(shí)時(shí)間，以及磁環(huán)加繞副繞組產(chǎn)生的電壓脈沖與磁芯磁化特性和次級(jí)阻抗密切相關(guān)，阻抗匹配時(shí)，電壓脈沖前沿約100ns，因此，利用模塊磁芯副繞組感應(yīng)電壓脈沖觸發(fā)后續(xù)模塊時(shí)間上來(lái)不及，因?yàn)榇渭?jí)電脈沖早已傳輸?shù)?，而開關(guān)還沒(méi)有閉合，而且副繞組感應(yīng)的電脈沖前沿過(guò)緩(約100ns)。因此，該設(shè)想實(shí)際上是不可行的。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明為多級(jí)串聯(lián)次級(jí)采用水介質(zhì)的直線變壓器驅(qū)動(dòng)源(Linear TransformerDriver，簡(jiǎn)稱LTD)提供一種新型模塊結(jié)構(gòu)及觸發(fā)方法。
[0005]本發(fā)明的技術(shù)解決方案是:
[0006]一種多級(jí)串聯(lián)的LTD驅(qū)動(dòng)源，其特殊之處在于:
[0007]所述驅(qū)動(dòng)源包括沿水介質(zhì)傳輸線7依次排布的M級(jí)LTD模塊；
[0008]所述M級(jí)LTD模塊中的各LTD模塊結(jié)構(gòu)相同，各LTD模塊均包括一個(gè)觸發(fā)支路和多個(gè)放電支路，觸發(fā)支路產(chǎn)生的觸發(fā)脈沖通過(guò)角向傳輸線同時(shí)觸發(fā)所在模塊內(nèi)的所有放電支路；所述放電支路向外輸出脈沖；
[0009]所述M級(jí)LTD模塊按照排布的先后順序均分為P組，設(shè)η為M與P的比值，第一組LTD模塊所包括的η級(jí)LTD模塊的觸發(fā)支路分別由外部觸發(fā)電路觸發(fā)，其余各組LTD模塊所包括的η級(jí)LTD模塊的觸發(fā)支路均由上一組LTD模塊所包括的η級(jí)LTD模塊的觸發(fā)支路分別觸發(fā)；
[0010]η 滿足關(guān)系式 n = td/ ( τ water- τ cable)，
[0011]其中:
[0012]td—觸發(fā)開關(guān)從施加觸發(fā)脈沖到開關(guān)閉合的延時(shí)；
[0013]τ water- LTD輸出脈沖在次級(jí)為水介質(zhì)單級(jí)模塊長(zhǎng)度的傳輸時(shí)間；
[0014]τ rable;—觸發(fā)脈沖在單級(jí)模塊長(zhǎng)度電纜中的傳輸時(shí)間。
[0015]上述外部觸發(fā)電路為一個(gè)多路輸出的快前沿脈沖發(fā)生器，所述快前沿脈沖發(fā)生器通過(guò)觸發(fā)電纜分別觸發(fā)第一組LTD模塊中的觸發(fā)支路，每路觸發(fā)電纜長(zhǎng)度根據(jù)觸發(fā)模塊所在位置和次級(jí)傳輸線介質(zhì)而定。
[0016]上述LTD模塊包括2N個(gè)圓周均布的支路、上絕緣子、下絕緣子、中間絕緣子、角向傳輸線組、金屬環(huán)及磁芯，
[0017]所述上絕緣子、下絕緣子位于圓周均布的支路的上下兩側(cè)，所述中間絕緣子為環(huán)狀，位于LTD模塊的中部；所述金屬環(huán)位于中間絕緣子側(cè)面開設(shè)的圓環(huán)形槽內(nèi)，所述磁芯為環(huán)狀，位于中間絕緣子的上下兩側(cè)，
[0018]所述2N個(gè)圓周均布的支路中的一個(gè)支路為觸發(fā)支路，其余各支路為放電支路，所述放電支路包括電容器Cl、電容器C2、氣體開關(guān)S，所述電容器Cl、電容器C2的一端分別與氣體開關(guān)S的正高壓電極、負(fù)高壓電極連接，所述電容器Cl、電容器C2的另一端與中間絕緣子連接，
[0019]所述觸發(fā)支路包括電容器CTl、電容器CT2、氣體開關(guān)ST及電感Zl，所述電容器CTl的一端與氣體開關(guān)ST的負(fù)高壓電極連接，所述電容器CTl的另一端接地，所述電容器CT2的一端與氣體開關(guān)ST的正高壓電極連接，所述電容器CT2的另一端通過(guò)電感Zl與中間絕緣子連接，所述氣體開關(guān)ST的觸發(fā)極通過(guò)電感ZS與外部脈沖發(fā)生器的一脈沖輸出端TrigIn連接；所述觸發(fā)支路中電感Zl與電容CT2之間為高壓端輸出端TrigOut，
[0020]所述角向傳輸線組包括兩個(gè)1/4角向傳輸線和四個(gè)1/8角向傳輸線，所述兩個(gè)1/4角向傳輸線的輸入端與高壓端輸出端TrigOut連接沿相反方向各傳輸1/4圓周后再分別沿兩個(gè)1/8角向傳輸線反向各傳輸1/8圓周后與金屬環(huán)的四個(gè)四分點(diǎn)連接，金屬環(huán)通過(guò)隔離電感或電阻與放電支路的氣體開關(guān)的觸發(fā)電極連接。
[0021 ] 上述觸發(fā)支路的電容器充電電壓和模塊內(nèi)其他放電支路的電容器充電電壓相同，觸發(fā)支路的開關(guān)充氣氣壓與模塊內(nèi)其他放電支路的開關(guān)充氣氣壓相同；所有支路的氣體開關(guān)的正高壓電極通過(guò)電阻或電感串接，引出到LTD模塊的正極性充電電源，所有支路的氣體開關(guān)的負(fù)高壓電極通過(guò)電阻或電感串接，引出到LTD模塊的負(fù)極性充電電源。
[0022]上述觸發(fā)支路中的電容器長(zhǎng)度小于放電支路中的電容器。
[0023]上述的多級(jí)串聯(lián)的LTD驅(qū)動(dòng)源的同步觸方法，其特殊之處在于:包括以下步驟:
[0024]I】模塊內(nèi)觸發(fā)
[0025]1.1】外部觸發(fā)電路通過(guò)多個(gè)電纜輸出脈沖觸發(fā)前第一組LTD模塊所包含的η個(gè)沿水介質(zhì)傳輸線依次排布的LTD模塊的觸發(fā)支路，
[0026]1.2】每個(gè)LTD模塊通過(guò)其內(nèi)部的觸發(fā)支路同時(shí)觸發(fā)所在模塊的多個(gè)放電支路放電；在觸發(fā)所在模塊內(nèi)放電支路的同時(shí)，從該觸發(fā)支路的高壓輸出端引出另一路觸發(fā)脈沖，
[0027]2】模塊間觸發(fā)
[0028]所引出的觸發(fā)脈沖通過(guò)電纜觸發(fā)第二組LTD模塊中相應(yīng)的LTD模塊的觸發(fā)支路，該觸發(fā)支路在觸發(fā)所在LTD模塊內(nèi)的放電支路的同時(shí)通過(guò)電纜觸發(fā)下一組LTD模塊中相應(yīng)的LTD模塊的觸發(fā)支路，依次類推，直至觸發(fā)最后一組LTD模塊。
[0029]上述步驟1.2】的具體為:
[0030]觸發(fā)支路引出兩路脈沖，其中I路引出到模塊外部，用于觸發(fā)后續(xù)相對(duì)應(yīng)位置的串聯(lián)模塊，另一路脈沖通過(guò)1/4角向傳輸線ΗΑ、1/4角向傳輸線HC分別傳輸?shù)紸、C兩點(diǎn)，再分別沿1/8角向傳輸線ABl、1/8角向傳輸線AB2，1/8角向傳輸線CDl、1/8角向傳輸線CD2傳輸?shù)紹1、B2、D1、D2四點(diǎn)，再通過(guò)B1、B2、D1、D2四點(diǎn)與模塊中間絕緣子內(nèi)整體觸發(fā)金屬環(huán)連接，觸發(fā)環(huán)根據(jù)模塊并聯(lián)放電支路數(shù)m對(duì)稱分為m/2個(gè)節(jié)點(diǎn)，通過(guò)節(jié)點(diǎn)經(jīng)過(guò)隔離電感或電阻Z2與相鄰支路開關(guān)觸發(fā)電極連接。
[0031]本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，優(yōu)點(diǎn)是:
[0032]1、本發(fā)明可顯著簡(jiǎn)化多級(jí)串聯(lián)LTD型脈沖源對(duì)觸發(fā)系統(tǒng)和觸發(fā)時(shí)序的要求，提高模塊觸發(fā)可靠性。如次級(jí)采用水線的70級(jí)串聯(lián)LTD僅需觸發(fā)前7級(jí)模塊，每級(jí)引入I路觸發(fā)脈沖，后續(xù)模塊的觸發(fā)脈沖由前級(jí)外觸發(fā)7級(jí)模塊內(nèi)觸發(fā)支路引出的I路脈沖依次引入到后續(xù)相對(duì)應(yīng)位置的串聯(lián)模塊。從而僅需要7路外觸發(fā)脈沖實(shí)現(xiàn)70級(jí)串聯(lián)LTD按要求的IVA時(shí)序高效疊加與傳輸。
[0033]2、本發(fā)明的觸發(fā)方式不受次級(jí)耦合過(guò)電壓觸發(fā)方式存在的“磁芯在超快前沿脈沖下的耦合時(shí)間響應(yīng)特性、支路開關(guān)在直流疊加次級(jí)耦合電壓下的擊穿閉合時(shí)間能否小于電脈沖在LTD次級(jí)的傳輸時(shí)間，以及副繞組感應(yīng)電壓脈沖時(shí)間來(lái)不及以及前沿過(guò)緩”等因素的制約，技術(shù)更可行。
[0034]3、本發(fā)明的觸發(fā)方法顯著減少了模塊引入的觸發(fā)電纜路數(shù)(從數(shù)百路降低到7路)和觸發(fā)系統(tǒng)的復(fù)雜性及造價(jià)。

【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0035]圖1為多級(jí)串聯(lián)、次級(jí)為水線的LTD剖視圖；
[0036]圖2為模塊去掉上蓋板和絕緣子的內(nèi)部觸發(fā)支路和主放電支路示意圖；
[0037]圖3為模塊軸向剖視圖；
[0038]圖4為模塊I和模塊2觸發(fā)關(guān)系時(shí)序圖；
[0039]圖5為模塊I和模塊η觸發(fā)關(guān)系時(shí)序圖；
[0040]其中，I 一模塊上絕緣子，2 一模塊下絕緣子，3 -中間絕緣子，4 一磁芯，5 —位于中間絕緣子內(nèi)觸發(fā)金屬環(huán)，6-節(jié)點(diǎn)、7-水介質(zhì)傳輸線。

【具體實(shí)施方式】
[0041]以下從本發(fā)明的核心思想出發(fā)并結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明做詳細(xì)說(shuō)明。
[0042]LTD脈沖源前η級(jí)模塊每級(jí)引入一路外觸發(fā)脈沖，利用模塊內(nèi)一個(gè)支路和角向傳輸線實(shí)現(xiàn)η級(jí)模塊其他支路開關(guān)的同步觸發(fā)，同時(shí)從η級(jí)模塊每級(jí)觸發(fā)支路高壓端引出一路觸發(fā)脈沖，依次引入到后續(xù)相對(duì)應(yīng)位置串聯(lián)模塊觸發(fā)脈沖輸入端，觸發(fā)后續(xù)模塊內(nèi)觸發(fā)支路的開關(guān)，依次類推，實(shí)現(xiàn)LTD所有串聯(lián)模塊的同步觸發(fā)。
[0043]利用電脈沖在次級(jí)水介質(zhì)和電纜傳輸時(shí)間差實(shí)現(xiàn)多級(jí)串聯(lián)LTD脈沖源按要求IVA理想時(shí)序觸發(fā)閉合，所謂IVA時(shí)序，即電脈沖傳輸?shù)侥且患?jí)，該級(jí)模塊的開關(guān)剛好擊穿閉合。那么本發(fā)明中觸發(fā)時(shí)序的思路應(yīng)該是以下幾點(diǎn):
[0044](I)每個(gè)LTD模塊引入一路觸發(fā)脈沖來(lái)觸發(fā)模塊內(nèi)部的觸發(fā)支路，此時(shí)觸發(fā)支路時(shí)延(即從施加觸發(fā)脈沖時(shí)刻到觸發(fā)支路的開關(guān)閉合的延時(shí)時(shí)間)為τ d ;觸發(fā)支路輸出的脈沖一路引出用于觸發(fā)后續(xù)相對(duì)應(yīng)位置的串聯(lián)模塊，另一路沿角向傳輸線，傳輸?shù)臅r(shí)間為τ 2;通過(guò)隔離電感同時(shí)觸發(fā)模塊內(nèi)其他放電支路，其他放電支路的時(shí)延為τ3。因此從觸發(fā)信號(hào)進(jìn)入模塊到主脈沖產(chǎn)生的時(shí)延為τ = τ?+τ2+τ3ο
[0045](2)第一組被觸發(fā)的LTD串聯(lián)模塊組含有η級(jí)模塊，每級(jí)引入的I路觸發(fā)脈沖來(lái)源于同一個(gè)低阻抗多路輸出快前沿脈沖發(fā)生器，每路電纜的長(zhǎng)度根據(jù)模塊所在位置和次級(jí)傳輸線介質(zhì)依次增加。例如第一個(gè)模塊觸發(fā)電纜電氣傳輸時(shí)間為Tl，第二個(gè)模塊觸發(fā)電纜電氣傳輸時(shí)間為Τ2，假設(shè)單級(jí)模塊軸向長(zhǎng)度約22cm，次級(jí)采用水介質(zhì)時(shí)，單級(jí)模塊次級(jí)傳輸延時(shí)τ _?約6.6ns，如圖4所示，串聯(lián)模塊是按照IVA理想時(shí)序觸發(fā)，對(duì)于第I級(jí)和第2級(jí)模塊應(yīng)該滿足的關(guān)系是
[0046]Tl+ τ d+ τ 2+ τ 3+ τ water= T2+ t d+ τ 2+ τ 3
[0047]Τ2 = Tl+Twater
[0048]推廣之后，前η級(jí)模塊觸發(fā)輸入電纜的電氣長(zhǎng)度依次增加At = 6.6ns，長(zhǎng)度1.32m0
[0049](3)之后每組模塊均由相對(duì)應(yīng)的的前面一組的模塊提供觸發(fā)信號(hào)。以第n+1個(gè)模塊的觸發(fā)為例，其與第I個(gè)模塊觸發(fā)關(guān)系時(shí)序圖如圖5所示。第n+1個(gè)模塊的觸發(fā)信號(hào)是由第I個(gè)模塊的觸發(fā)支路提供。可見(jiàn)按照IVA理想時(shí)序觸發(fā)時(shí)，需要滿足的關(guān)系是:
[0050]τ 2+ τ 3+ τ water*n = η* τ cable+ τ d+ τ 2+ τ 3
[0051]即:η= td/ ( τ water_ τ cable),
[0052]其中Teable—觸發(fā)脈沖在單級(jí)模塊長(zhǎng)度電纜中的傳輸時(shí)間。目前LTD模塊多間隙串聯(lián)氣體開關(guān)的觸發(fā)擊穿閉合延時(shí)約30 — 40ns，單級(jí)模塊軸向長(zhǎng)度約22cm，采用水介質(zhì)的次級(jí)傳輸延時(shí)時(shí)間約6.6ns，相同長(zhǎng)度電纜傳輸延時(shí)約1.1ns，則前級(jí)需要觸發(fā)的模塊數(shù)為:38ns/(6.6-1.l)ns = 6.9，因此，60 — 70級(jí)串聯(lián)LTD脈沖源僅需要觸發(fā)前7級(jí)，并且每級(jí)僅引入I路觸發(fā)脈沖。
[0053]每個(gè)LTD模塊所引入的一路觸發(fā)脈沖觸發(fā)位于模塊內(nèi)的觸發(fā)支路，觸發(fā)支路電容器充電電壓和開關(guān)充氣氣壓與模塊內(nèi)其他支路開關(guān)相同，觸發(fā)支路一端接地，開關(guān)閉合產(chǎn)生的高電壓脈沖I路沿角向傳輸線先沿圓周方向分別傳輸1/4圓周到A、C兩點(diǎn)，從A、C兩點(diǎn)各自分別沿圓周方向傳輸1/8圓周，到達(dá)B1、B2、D1、D2四點(diǎn)，連接到中間絕緣子內(nèi)的360度金屬觸發(fā)環(huán)，金屬觸發(fā)環(huán)按模塊內(nèi)并聯(lián)支路數(shù)m對(duì)稱分成m/2個(gè)節(jié)點(diǎn)，從m/2節(jié)點(diǎn)處，通過(guò)隔離電阻或電感連接到相鄰被觸發(fā)支路開關(guān)觸發(fā)電極；同時(shí)從觸發(fā)支路高壓輸出端引出I路脈沖到模塊外部，用于觸發(fā)后續(xù)相對(duì)應(yīng)位置的串聯(lián)模塊。
[0054]LTD前級(jí)被觸發(fā)模塊(7 — 8級(jí))每級(jí)引入的I路觸發(fā)脈沖來(lái)源于同一個(gè)低阻抗多路輸出快前沿脈沖發(fā)生器，每路電纜的長(zhǎng)度根據(jù)模塊所在位置和次級(jí)傳輸線介質(zhì)依次增加，如次級(jí)采用去離子水和模塊軸向長(zhǎng)度22cm，則電纜電氣長(zhǎng)度依次增加6.6ns，長(zhǎng)度1.32m，保證外觸發(fā)前級(jí)模塊開關(guān)按IVA時(shí)序擊穿閉合。
[0055]該觸發(fā)方式不受次級(jí)耦合過(guò)電壓觸發(fā)方式存在的“磁芯在超快前沿脈沖下的耦合時(shí)間響應(yīng)特性、支路開關(guān)在直流疊加次級(jí)耦合電壓下的擊穿閉合時(shí)間能否小于電脈沖在LTD次級(jí)的傳輸時(shí)間，以及副繞組感應(yīng)電壓脈沖時(shí)間來(lái)不及以及前沿過(guò)緩”等因素的制約，技術(shù)更可行。
[0056]該方法可顯著簡(jiǎn)化多級(jí)串聯(lián)LTD型脈沖源對(duì)觸發(fā)系統(tǒng)和觸發(fā)時(shí)序的要求，提高模塊觸發(fā)可靠性。如次級(jí)采用水線的70級(jí)串聯(lián)LTD僅需觸發(fā)前7級(jí)模塊，每級(jí)引入I路觸發(fā)脈沖，后續(xù)模塊的觸發(fā)脈沖由前級(jí)外觸發(fā)7級(jí)模塊內(nèi)觸發(fā)支路引出的I路脈沖依次引入到后續(xù)相對(duì)應(yīng)位置的串聯(lián)模塊。從而僅需要7路外觸發(fā)脈沖實(shí)現(xiàn)70級(jí)串聯(lián)LTD按要求的IVA時(shí)序高效疊加與傳輸。
[0057]下面結(jié)合圖1、圖2和圖3，描述具體實(shí)施過(guò)程。
[0058]結(jié)合圖1，來(lái)自同一個(gè)低阻抗快前沿多路輸出脈沖發(fā)生器的η路觸發(fā)脈沖(次級(jí)為去離子水介質(zhì)時(shí)，Pl組外觸發(fā)模塊數(shù)η為7級(jí))，根據(jù)Pl組模塊距離接地端(圖1左端)的位置，觸發(fā)電纜長(zhǎng)度依次增加1.32m，電氣長(zhǎng)度為6.6ns，分別依次引入Pl組每級(jí)模塊的觸發(fā)脈沖輸入端(圖1的Trig.1n)，同時(shí)Pl組的I 一 7級(jí)模塊觸發(fā)支路從H處引出一路觸發(fā)脈沖到P2組的I 一 7級(jí)相對(duì)應(yīng)位置模塊觸發(fā)輸入端(圖1的P2組模塊的Trig.1n)，依次類推，直至LTD負(fù)載端Pn組的每級(jí)模塊。這樣70級(jí)串聯(lián)LTD僅需要前級(jí)Pl組的7級(jí)模塊施加外觸發(fā)脈沖，實(shí)現(xiàn)每級(jí)模塊氣體開關(guān)按要求的IVA理想時(shí)序閉合，實(shí)現(xiàn)模塊輸出電壓的尚效萱加。
[0059]結(jié)合圖2和圖3，LTD模塊初級(jí)由徑向均布的觸發(fā)支路(右側(cè))和主放電支路(左側(cè))構(gòu)成，所有支路的兩只電容器連接到開關(guān)ST、S的上下高壓電極，所有支路開關(guān)的正高壓電極通過(guò)螺旋狀電阻絲串接，引出到模塊的正極性充電電源，所有支路開關(guān)的負(fù)高壓電極通過(guò)螺旋狀電阻絲串接，引出到模塊的負(fù)極性充電電源，螺旋狀電阻絲起隔離作用。當(dāng)所有支路電容器充電到設(shè)定的電壓時(shí)，來(lái)自低阻抗多路輸出快前沿觸發(fā)脈沖發(fā)生器的7路前沿約25ns幅值140kV的外觸發(fā)脈沖通過(guò)電纜引入接孔(圖3中的Trig.1n)引入Pl組7級(jí)相對(duì)應(yīng)位置的模塊，經(jīng)一電感數(shù)微亨和電阻數(shù)十歐姆的螺旋狀電阻絲連接到觸發(fā)支路(圖3右側(cè))開關(guān)ST的觸發(fā)電極，引起開關(guān)ST擊穿閉合，使觸發(fā)支路兩只電容器CT1、CT2串聯(lián)，其中電容器CTl 一端接地，在觸發(fā)支路另一端H，即觸發(fā)支路高壓輸出與次級(jí)外筒之間的隔離電感或電阻Zl的高壓端，角向傳輸線(圖2、圖3)的首端H，產(chǎn)生快前沿幅值約2倍電容器充電電壓的觸發(fā)脈沖；該觸發(fā)脈沖從H端開始分別沿圓周方向傳輸?shù)綀D2的A、C兩點(diǎn)，從A、C兩點(diǎn)分別沿圓周順時(shí)針和逆時(shí)針?lè)较騻鬏?/4圓周到B1、B2和D1、D2四點(diǎn)(圖2)，再?gòu)腂1、B2和Dl、D2四點(diǎn)分別連接到角向傳輸線的金屬圓環(huán)(圖2、圖3中的5)。金屬環(huán)5根據(jù)模塊并聯(lián)的總支路數(shù)m均分為m/2節(jié)點(diǎn)(6為其中I個(gè)節(jié)點(diǎn))，從均分的節(jié)點(diǎn)6通過(guò)螺旋狀電阻絲構(gòu)成的隔離電感電阻引入到本級(jí)模塊其余被觸發(fā)支路開關(guān)的觸發(fā)電極，使其余支路開關(guān)擊穿閉合，實(shí)現(xiàn)本級(jí)模塊主放電支路的同步放電。同時(shí)從高壓端H引出I路觸發(fā)脈沖，通過(guò)高壓電纜引入到緊鄰的下一組P2對(duì)應(yīng)位置模塊的觸發(fā)脈沖輸入端，為后續(xù)串聯(lián)模塊提供滿足IVA時(shí)序要求的觸發(fā)脈沖。
[0060]20支路并聯(lián)的500kA LTD模塊的原理性實(shí)驗(yàn)表明:引入一路觸發(fā)脈沖，觸發(fā)模塊內(nèi)部I個(gè)支路產(chǎn)生的高電壓脈沖經(jīng)過(guò)角向傳輸線傳輸?shù)狡渌烽_關(guān)觸發(fā)電極，可有效實(shí)現(xiàn)本級(jí)模塊的同步放電。從觸發(fā)支路引出另一路觸發(fā)脈沖具有與模塊內(nèi)觸發(fā)脈沖相同的幅值和前沿，因此，利用該觸發(fā)脈沖觸發(fā)其他相同結(jié)構(gòu)的模塊，預(yù)期可以實(shí)現(xiàn)被觸發(fā)模塊按IVA時(shí)序同步放電。
[0061 ] 本發(fā)明提出的模塊結(jié)構(gòu)和觸發(fā)方法尤其適合次級(jí)采用去離子水介質(zhì)的多級(jí)串聯(lián)LTD脈沖源，僅需外觸發(fā)前7級(jí)模塊，后續(xù)模塊需要的I路觸發(fā)脈沖來(lái)自相鄰前一組對(duì)應(yīng)位置模塊的觸發(fā)支路。該觸發(fā)方法顯著減少了模塊引入的觸發(fā)電纜路數(shù)(從數(shù)百路降低到7路)和觸發(fā)系統(tǒng)的復(fù)雜性、造價(jià)，實(shí)現(xiàn)了 LTD模塊按要求的IVA時(shí)序觸發(fā)，降低了對(duì)觸發(fā)脈沖數(shù)和時(shí)序的要求，提高了多級(jí)串聯(lián)LTD觸發(fā)可靠性。
[0062]凡是引入I路外觸發(fā)脈沖，模塊由一個(gè)觸發(fā)支路和多個(gè)主放電支路構(gòu)成，利用LTD模塊內(nèi)部觸發(fā)支路實(shí)現(xiàn)本級(jí)模塊其余支路及后續(xù)相對(duì)應(yīng)位置模塊同步觸發(fā)的方法為本專利的保護(hù)范圍。
【權(quán)利要求】
1.一種多級(jí)串聯(lián)的LTD驅(qū)動(dòng)源，其特征在于: 所述驅(qū)動(dòng)源包括沿水介質(zhì)傳輸線依次排布的Μ級(jí)LTD模塊； 所述Μ級(jí)LTD模塊中的各LTD模塊結(jié)構(gòu)相同，各LTD模塊均包括一個(gè)觸發(fā)支路和多個(gè)放電支路，觸發(fā)支路產(chǎn)生的觸發(fā)脈沖通過(guò)角向傳輸線同時(shí)觸發(fā)所在模塊內(nèi)的所有放電支路；所述放電支路向外輸出脈沖； 所述Μ級(jí)LTD模塊按照排布的先后順序均分為P組，設(shè)η為Μ與P的比值，第一組LTD模塊所包括的η級(jí)LTD模塊的觸發(fā)支路分別由外部觸發(fā)電路觸發(fā)，其余各組LTD模塊所包括的η級(jí)LTD模塊的觸發(fā)支路均由上一組LTD模塊所包括的η級(jí)LTD模塊的觸發(fā)支路分別觸發(fā)； η滿足關(guān)系式n = td/ ( τ


water 丁 cable)， 其中: td—觸發(fā)開關(guān)從施加觸發(fā)脈沖到開關(guān)閉合的延時(shí)； τ water- LTD輸出脈沖在次級(jí)為水介質(zhì)單級(jí)模塊長(zhǎng)度的傳輸時(shí)間； τ —觸發(fā)脈沖在單級(jí)模塊長(zhǎng)度電纜中的傳輸時(shí)間。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的多級(jí)串聯(lián)的LTD驅(qū)動(dòng)源，其特征在于: 所述外部觸發(fā)電路為一個(gè)多路輸出的快前沿脈沖發(fā)生器，所述快前沿脈沖發(fā)生器通過(guò)觸發(fā)電纜分別觸發(fā)第一組LTD模塊中的觸發(fā)支路，每路觸發(fā)電纜長(zhǎng)度根據(jù)觸發(fā)模塊所在位置和次級(jí)傳輸線介質(zhì)而定。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的多級(jí)串聯(lián)的LTD驅(qū)動(dòng)源，其特征在于:所述LTD模塊包括2N個(gè)圓周均布的支路、上絕緣子、下絕緣子、中間絕緣子、角向傳輸線組、金屬環(huán)及磁芯， 所述上絕緣子、下絕緣子位于圓周均布的支路的上下兩側(cè)，所述中間絕緣子為環(huán)狀，位于LTD模塊的中部；所述金屬環(huán)位于中間絕緣子側(cè)面開設(shè)的圓環(huán)形槽內(nèi)，所述磁芯為環(huán)狀，位于中間絕緣子的上下兩側(cè)， 所述2N個(gè)圓周均布的支路中的一個(gè)支路為觸發(fā)支路，其余各支路為放電支路，所述放電支路包括電容器C1、電容器C2、氣體開關(guān)S,所述電容器C1、電容器C2的一端分別與氣體開關(guān)S的正高壓電極、負(fù)高壓電極連接，所述電容器C1、電容器C2的另一端與中間絕緣子連接， 所述觸發(fā)支路包括電容器CT1、電容器CT2、氣體開關(guān)ST及電感Z1，所述電容器CT1的一端與氣體開關(guān)ST的負(fù)高壓電極連接，所述電容器CT1的另一端接地，所述電容器CT2的一端與氣體開關(guān)ST的正高壓電極連接，所述電容器CT2的另一端通過(guò)電感Z1與中間絕緣子連接，所述氣體開關(guān)ST的觸發(fā)極通過(guò)電感ZS與外部脈沖發(fā)生器的一脈沖輸出端Trigin連接；所述觸發(fā)支路中電感Z1與電容CT2之間為高壓端輸出端TrigOut， 所述角向傳輸線組包括兩個(gè)1/4角向傳輸線和四個(gè)1/8角向傳輸線，所述兩個(gè)1/4角向傳輸線的輸入端與高壓端輸出端TrigOut連接沿相反方向各傳輸1/4圓周后再分別沿兩個(gè)1/8角向傳輸線反向各傳輸1/8圓周后與金屬環(huán)的四個(gè)四分點(diǎn)連接，金屬環(huán)通過(guò)隔離電感或電阻與放電支路的氣體開關(guān)的觸發(fā)電極連接。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的多級(jí)串聯(lián)的LTD驅(qū)動(dòng)源，其特征在于:所述觸發(fā)支路的電容器充電電壓和模塊內(nèi)其他放電支路的電容器充電電壓相同，觸發(fā)支路的開關(guān)充氣氣壓與模塊內(nèi)其他放電支路的開關(guān)充氣氣壓相同；所有支路的氣體開關(guān)的正高壓電極通過(guò)電阻或電感串接，引出到LTD模塊的正極性充電電源，所有支路的氣體開關(guān)的負(fù)高壓電極通過(guò)電阻或電感串接，引出到LTD模塊的負(fù)極性充電電源。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的多級(jí)串聯(lián)的LTD驅(qū)動(dòng)源，其特征在于:觸發(fā)支路中的電容器長(zhǎng)度小于放電支路中的電容器。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的多級(jí)串聯(lián)的LTD驅(qū)動(dòng)源的同步觸方法，其特征在于:包括以下步驟: 1】模塊內(nèi)觸發(fā) 1.1】外部觸發(fā)電路通過(guò)多個(gè)電纜輸出脈沖觸發(fā)前第一組LTD模塊所包含的η個(gè)沿水介質(zhì)傳輸線依次排布的LTD模塊的觸發(fā)支路， 1.2】每個(gè)LTD模塊通過(guò)其內(nèi)部的觸發(fā)支路同時(shí)觸發(fā)所在模塊的多個(gè)放電支路放電；在觸發(fā)所在模塊內(nèi)放電支路的同時(shí)，從該觸發(fā)支路的高壓輸出端引出另一路觸發(fā)脈沖， 2】模塊間觸發(fā) 所引出的觸發(fā)脈沖通過(guò)電纜觸發(fā)第二組LTD模塊中相應(yīng)的LTD模塊的觸發(fā)支路，該觸發(fā)支路在觸發(fā)所在LTD模塊內(nèi)的放電支路的同時(shí)通過(guò)電纜觸發(fā)下一組LTD模塊中相應(yīng)的LTD模塊的觸發(fā)支路，依次類推，直至觸發(fā)最后一組LTD模塊。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的多級(jí)串聯(lián)的LTD驅(qū)動(dòng)源的同步觸方法，其特征在于:所述步驟1.2】的具體為: 觸發(fā)支路引出兩路脈沖，其中1路引出到模塊外部，用于觸發(fā)后續(xù)相對(duì)應(yīng)位置的串聯(lián)模塊，另一路脈沖通過(guò)1 /4角向傳輸線HA、1 /4角向傳輸線HC分別傳輸?shù)紸、C兩點(diǎn)，再分別沿1/8角向傳輸線AB1、1/8角向傳輸線AB2，1/8角向傳輸線CD1、1/8角向傳輸線CD2傳輸?shù)紹l、B2、Dl、D2四點(diǎn)，再通過(guò)Bl、B2、Dl、D2四點(diǎn)與模塊中間絕緣子內(nèi)整體觸發(fā)金屬環(huán)連接，觸發(fā)環(huán)根據(jù)模塊并聯(lián)放電支路數(shù)m對(duì)稱分為m/2個(gè)節(jié)點(diǎn)，通過(guò)節(jié)點(diǎn)經(jīng)過(guò)隔離電感或電阻Z2與相鄰支路開關(guān)觸發(fā)電極連接。
【文檔編號(hào)】H03K19/003GK104467795SQ201410577917
【公開日】2015年3月25日 申請(qǐng)日期:2014年10月24日 優(yōu)先權(quán)日:2014年10月24日
【發(fā)明者】孫鳳舉, 曾江濤, 邱愛(ài)慈, 姜曉峰, 王志國(guó), 魏浩, 梁天學(xué), 尹佳輝 申請(qǐng)人:西北核技術(shù)研究所