高压脉冲功率源与冲击片雷管发火能量匹配关系特性试验方法

韩克华，王丽萍，任 西，褚恩义

（陕西应用物理化学研究所 应用物理化学国家级重点实验室，陕西 西安，710061）

高压脉冲功率源是爆炸箔电起爆器(EFI)系统中的关键部件，是冲击片雷管（Slapper）起爆的能量源。高压脉冲功率源中的关键元器件包括高压脉冲电容器、脉冲变压器、高压开关[1-2]。在冲击片雷管起爆及传爆序列试验中，由于爆炸能量输出较大，高压脉冲功率源器件经常被损坏，耗费较大。为了保护起爆装置、节约试验成本，同时保证冲击片雷管可靠起爆，根据试验装置要求，可以在高压脉冲功率源输出端与冲击片雷管之间增加引出电缆，从而对起爆装置进行保护。然而，由于高压脉冲功率源的输出特性与放电回路系统的等效电阻及等效电感有很大关系，在起爆回路中增加引出电缆将使起爆回路的总电感和总电阻大幅度增加，降低脉冲功率源的输出能量，从而影响了冲击片雷管的发火感度。为此，本文提出高压脉冲功率源与冲击片雷管发火能量的匹配关系特性试验方法。

1 试验

1.1 试验装置

试验装置如图1所示，包括采样速率不低于1GS·s-1的数字存储示波器(DSO)、高压电源、高压数字表、脉冲功率源、电流测量线圈、分压器、金属桥箔、短路线负载等。

图1 试验装置测试原理框图Fig.1 Diagram of test principle

图1中，利用高压直流电源给冲击片雷管发火装置中高压储能电容器充电，用高压数字表检测充电电压；当高压开关经过高压直流电源的脉冲信号触发时，高压开关导通，高压储能电容器上的高电压经过高压开关对负载短路线或者金属桥箔进行放电，放电回路中的短路电流曲线或爆发电流曲线和爆发电压曲线分别用电流测量线圈以及分压器进行测量，数据用数字示波器进行检测并记录。为保护起爆装置，可以在高压脉冲功率源输出端与负载短路线或金属桥箔间接入引出电缆。

1.2 试验方法

在接入引出电缆和没有接入的两种情况下，首先，利用冲击片雷管发火装置对同一个短路线负载进行放电，通过对比放电回路中的峰值电流，确定引出电缆对峰值电流的影响，以及冲击片雷管的发火电压；其次，利用冲击片雷管发火装置对相同参数的金属桥箔进行放电，通过对比金属桥箔的爆发电流，确定引出电缆对金属桥箔爆发电流的影响，以及冲击片雷管的发火电压；最后，将上述两步得到的冲击片雷管的发火电压进行对比，确定在发火回路中增加一定长度的引出电缆后冲击片雷管的发火电压，分析理由并进行发火试验验证。

根据冲击片雷管发火装置的实际需要，在脉冲功率源输出端接入长度为100mm的引出电缆，再接入负载进行测试。当负载为短路线时，发火装置通过引出电缆对短路线负载进行放电，利用示波器、电流测量线圈对放电回路中的峰值电流、振荡周期进行测试；当负载为金属桥箔时，发火装置通过引出电缆对金属桥箔进行放电，通过爆发电压可以准确地确定爆发电流，相应的参数如爆发电流、爆发电压、爆发时间、峰值电流、峰值时间可以通过示波器、电流测量线圈、分压器进行测量。

2 试验结果

2.1 短路放电数据测试

在加载电压为1.2kV、1.5kV、1.8kV、2.0kV、2.2kV、2.5kV、2.8kV、3.0kV的条件下，对同一大功率短路负载进行放电测试。根据美军标MIL-DTL-23659D的要求，要求脉冲功率源在短路放电时，测量短路放电电流应包含至少5个等间隔减幅振荡波形[3]。在测量频率为1MHz的测量条件下，所测试的短路负载的等效电阻为50mΩ，等效电感为70nH，长度为100mm的引出电缆的电感为30nH，电阻为40mΩ。起爆装置短路放电所测试的放电波形如图2所示，测试数据如表1所示。

图2 短路放电波形及测试参数Fig.2 Curve of the short circuit discharge

表1 冲击片雷管发火装置短路放电性能参数Tab.1 Data of the short circuit discharge

对比表1中的数据，可见在同样发火电压条件下，同样的起爆装置在接入引出电缆时，电流峰值相比未接入电缆有所下降，而周期增长，这是由于接入引出电缆使放电回路总电感和总电阻增大的缘故。通过表1可以看出，1.5kV发火电压下1#起爆装置的第1峰值电流为900A，2#起爆装置的第1峰值电流为820A，根据测试系统的精度和误差要求，认为电流峰值下降幅度在测试误差范围之内（±100A）。对比其他放电电压下的峰值电流，也可见接入引出电缆后的峰值电流变化较小，说明接入引出电缆对冲击片雷管的发火电压影响不明显。

2.2 爆炸桥箔电爆性能参数测试

对相同参数的金属桥箔，分别在1.2kV、1.5kV、1.8kV、2.0kV、2.2kV、2.5kV、2.8kV、3.0kV的条件下放电，对各发火电压下金属桥箔的爆发参数进行测试，测试数据如表2所示。

表2 爆炸桥箔电爆性能参数Tab.2 Data of the electrical exploding parameters of exploding foil

通过对表2的数据进行对比，发现在进行金属桥箔放电试验中，在同样发火电压条件下，同样的起爆装置在接入引出电缆后，相比未接入引出电缆的峰值电流有所下降、峰值时间和爆发时间增长，这是由于接入引出电缆使放电回路总电感和总电阻增大的缘故。在发火电压为1.5kV时，峰值电流从1 670A下降到1 440A，下降了230A，爆发电流从1 580A下降到1 340A，下降了240A，下降幅度明显。对比其他放电电压点下的峰值电流和爆发电流，也说明接入引出电缆和未接入引出电缆时，数值有明显的变化。两种情况的爆发电流曲线如图3～4所示。

图3 未接入引出电缆时的爆发电流曲线Fig.3 Discharge curves of exploding foil without cable

图4 接入引出电缆的爆发电流曲线Fig.4 Discharge curves of exploding foil with cable

由图3～4两组曲线可以明显地看出，在未接入引出电缆时，爆发曲线较为光滑，爆发点明显，而接入引出电缆后，爆发曲线不光滑，爆发点不明显；并且在相同发火电压下，爆发点靠近峰值电流位置也不相同，接入引出电缆的爆发点远离未接入引出电缆的爆发点位置，这说明接入引出电缆后，能量利用率较低。电流对比曲线如图5所示。

图5 电流曲线Fig.5 Current curves of exploding foil

通过图5可以看出，在接入引出电缆和未接入两种情况下，峰值电流曲线和爆发电流曲线均距离较远，数值有明显的变化；但是，发现同一爆发电流值时，两种情况下的发火电压相差300V，表明爆发电流相同时，接入引出电缆和未接入引出电缆的发火电压相差300V。为了验证这一结论，可以进行冲击片雷管发火验证试验。

2.3 冲击片雷管发火验证试验

使用同批次冲击片雷管进行发火验证试验，分别在接入引出电缆和未接入两种条件下进行发火感度试验，试验数据如表3所示。

表3 发火感度试验数据Tab.3 Data of the firing sensitivity

通过表3的数据可以看出，该批次的冲击片雷50%发火电压为1.35kV，最小全发火电压为1.48kV。接入引出电缆后，50%发火电压增加260V，最小全发火电压增加280V，与根据爆发电流所得到的300V结论较为符合。

3 试验结果分析

高压脉冲功率源电路可以等效成为RLC串联电路，根据RLC串联电路特性可知，高压脉冲功率源的输出特性与起爆系统的等效电阻及等效电感有很大关系[4-6]。起爆回路增加的引出电缆使回路总电感增大，根据美军标MIL-DTL-23659D中对高压脉冲功率源的等效电感要求（20～30nH），可知短路放电峰值电流与加载电压成正比，与总电感的平方根值成反比，所以总电感对短路放电电流峰值有较小的影响，加载电压的影响较大。由测试结果可以看出，同一放电电压下，在未接入引出电缆和接入时，短路放电电流峰值减小幅度不明显，试验结果符合理论分析结论。

冲击片雷管在作用过程中，其内部金属桥箔在高压脉冲功率源瞬间放电时产生的大电流作用下，产生电爆炸带动飞片撞击钝感炸药柱将其引爆，在此过程中，金属桥箔需要在短时间内得到足以使其产生等离子体的能量，这就要求高压脉冲功率源输出的脉冲大电流在幅度和时间特性上都能满足要求[7]，所以金属桥箔的爆发电流的大小是影响冲击片雷管能否发火的直接因素。但是根据脉冲功率源放电特性可知，产生强电流陡脉冲的高压脉冲功率源等效电感越小，爆发电流曲线峰值越大，电流脉冲前沿越陡；等效电感越大，爆发电流曲线峰值越小，电流脉冲前沿越平缓；高压脉冲功率源等效电阻越小，峰值电流越大，到达峰值电流的时间越长；等效电阻越大，电流越小，到达峰值电流的时间越短。由试验结果可以看出，在起爆回路增加引出电缆时，同一发火电压下，峰值电流和爆发电流数据有所减小，这是由于高压脉冲功率源输出的能量有一部分损耗在引出电缆上，导致峰值电流和爆发电流减小，试验结果符合理论分析。

4 结论

本文针对高压脉冲功率源接入引出电缆后与冲击片雷管发火能量的匹配问题，提出了特性试验方法。采用试验装置测试并分析接入引出电缆对发火装置短路放电性能参数的影响，同时进行了理论分析以及冲击片雷管发火验证试验，试验表明在脉冲功率源输出端增加100mm的引出电缆后，冲击片雷管发火电压需提升300V，此时输出能量等价于未接入引出电缆的输出能量。

[1]钱勇.爆炸箔冲击片加载试验装置及优化设计研究[D].西安：中国兵器工业第213研究所.

[2]韩克华，任西，周密，钱勇.高压脉冲电容器优选试验方法研究[J].爆破器材，2011(3)：22-24.

[3]MIL-DTL-23659D.电起爆器通用设计规范[S]，2003.

[4]李巨，邓云华，曹科峰，等.大电流雷管起爆器的放电电路分析[J].高能量密度物理，2007 (2)：68-69.

[5]Nickolin Tom，et al.Highly intergrated firing module [C]//43rd Annual Fuze Conference.Florida：Hyatt Regency Tampa，1999.

[6]司怀吉，崔占忠，冀建平.引信微型高频高压点火电源的研究[J].制导与引信，2005，26(3)：34-37.

[7]褚恩义，任西，等.爆炸箔冲击片起爆设计参数研究[J].火工品，2008 (3)：26-27.