电缆参数对触发脉冲波形影响的仿真分析

2018-04-26王蕊，胡博，黑蕾，姚琪，张拓

新技术新工艺 2018年4期

王蕊，胡博，黑蕾，姚琪，张拓

(中国航天科技集团公司第四研究院第四十一研究所，陕西西安 710025)

脉冲触发器在电力系统和脉冲功率领域有广泛应用，如冲击电压发生器触发源和直列式点火。冲击电压发生器(Marx发生器)单级采用“电容器+气体开关+电容器”结构，可根据需要按照该构建方式搭建多级倍压回路，实现高压脉冲输出[1-4]。随着电力系统中电压等级的提升，冲击电压发生器的输出电压也在提高，气体开关的同步触发变得更加困难[5-7]。同步性能较差的冲击电压发生器实用性大幅度下降，且降低了实验效率[8-10]。为确保冲击电压发生器能够实现稳定的同步触发，同时具有较宽的输出电压范围，触发电压应满足一定的参数要求，即触发电压峰值和脉冲持续时间应大于一定值。

冲击电压发生器通过触发电缆将触发信号引入开关进行点火触发，由于触发脉冲的脉宽很短，等效频率很高，通过电缆时会在电缆端部产生明显的折反射现象；因此，本文提出了一种百kV纳秒脉冲源，并基于ATP[11-12]仿真技术，研究了触发用电缆长度，以及波阻抗等参数对触发脉冲的影响。

1 纳秒脉冲触发源及回路模型的建立

本文拟采用电容器开关回路放电并经电缆倍压的方案实现百kV纳秒脉冲的输出。触发回路电路图如图1所示。220 V交流电经调压器控制升压变压器T2原边，变压器副边经充电电阻Rc3、Rc4和硅堆D3、D4整流后，对电容器Cc3和Cc4分别充电至+50和-50 kV。Rm3与rm3组成分压器监测正极性充电电压，Rm4与rm4组成分压器监测负极性充电电压，Rm5与rm5组成的分压器监测触发输出电压。低压信号控制触发球隙gtr击穿，gtr击穿瞬间，球隙两端实现等电位，电容Cc4另一端输出+100 kV触发脉冲。触发脉冲经高压电缆传输至后级Marx发生器，脉冲在电缆末端出现反射，形成一定倍压后施加于图2所示的前3级放电开关间隙上。

图1 触发回路电路图

图2 Marx发生器前3级基本回路

根据图2触发脉冲回路，在ATPDraw软件中建立如图3所示的模型。该模型通过一定阻值的电阻，将第1级触发脉冲信号引入至第2级和第3级开关，实现3级同步触发。

图3 触发回路模型

基于ATP-EMTP软件的Marx发生器多开关同步触发回路模型装置由充电电源、充电电阻、开关、同轴电缆、隔离电阻和负载电容组成。其中，充电电源、充电电阻、开关和同轴电缆依序连接，隔离电阻相互并联后与同轴电缆连接，每个隔离电阻串联一个相同规格的负载电容。

开关的初始状态是断开，t=5 ms时闭合，模拟气体开关的击穿。开关闭合时，主电容已充电完毕，此时，过电压的理论值应为20 kV。高压电缆的传输速度设定为光速的2/3，波阻抗、长度为实验变量，隔离电阻R1、R2、R3以及负载电容C0均是实验变量。分别测量3个负载电容上的脉冲电压V1、V2、V3，即可得到模拟实际触发开关中的触发脉冲。

2 触发电缆参数对触发脉冲波形的影响

2.1 电缆长度对触发脉冲波形的影响

设定隔离电阻R1、R2、R3分别为10、20和30 kΩ，负载电容C0为5 pF，电缆波阻抗Z为50 Ω，电缆长度l分别为0.1和10 m时，得到3级触发脉冲的典型波形如图4所示。

图4 不同电缆长度下的触发脉冲波形

由图4可以看出，由于隔离电阻阻值的不同(R1U2>U3，这同样是由于隔离电阻造成的，隔离电阻越小，主电容向负载电容放电时的能量损耗越小，负载电容上的电压峰值就越高。由图4还可以看出，当电缆长度很短时，触发脉冲没有振荡，呈现良好的双指数特性，而当电缆长度增长后，开始出现明显的振荡，这是由于高频率的电压波经过电缆时，波阻抗不同而引起的折反射现象，并且随着电缆长度的增加，振荡幅值越来越大，这是因为电缆长度越长，冲击波在电缆中完成1次折反射的时间越长，此时原来的冲击波电压已经发生了明显的变化，叠加上不同折反射次数的波后，便形成了明显的振荡波；可见，电缆长度对触发脉冲波形有着直接的影响。

为了更好地研究电缆长度对于触发脉冲的影响情况，分别在其他条件相同的情况下，仿真研究了5种不同电缆长度下的触发脉冲波形，通过分析计算，得到了脉冲电压峰值随电缆长度的变化趋势(见图5)以及波前时间随电缆长度的变化趋势(见图6)。

图5 不同电缆长度下触发脉冲电压峰值

图6 不同电缆长度下触发脉冲波前时间

由图5可以看出，3级触发脉冲电压峰值随着电缆长度增加均呈上升趋势，其中，第1级脉冲的电压峰值上升速率最快，这是因为第1级隔离电阻阻值最小，对过电压的阻尼效果也最小造成的；但上升速率随电缆长度增加而下降，实际仿真时也发现，脉冲峰值不会一直上升，而是趋于一个稳定值。虽然我们希望触发脉冲尽可能具备高幅值，但由于这个脉冲具有过电压的性质，幅值的增大伴随着剧烈的振荡，因此电缆长度并不是越长越好；并且，通过触发脉冲波形可知，由于叠加的振荡很强烈，脉冲电压峰值往往并不是出现在第1个振荡的峰值，如l=10 m时，第2级脉冲的峰值便是出现在第2个振荡的峰值处。

由图6可以看出，除了第1级触发脉冲的波前时间在l=20 m处有明显的偏离外，3级触发脉冲的波前时间均随着电缆长度的增加呈现整体降低的趋势。其中，第2级触发脉冲出现了一次反常现象，即l=1 m时的波前时间略微小于l=5 m时的波前时间，这是因为强烈的振荡波形具有随机性，波峰出现的时间也与振荡的随机性密切相关，因此这种现象属于正常情况。而l=20 m处的第1级触发脉冲波前时间明显偏离了原有趋势，因为振荡的随机性，波峰处的数个振荡峰值极为接近，因此峰值出现在不同振荡峰值处，而造成波前时间的明显不同。为了提高触发脉冲的效果，应尽量缩短波前时间，以使波前更陡，易于触发开关导通，因此电缆长度不宜过短。由于3级开关的导通时间不相同，触发脉冲的波前时间也不相同，而电缆长度的增加使得2、3级脉冲的波前时间变得接近，这将不利于同步性能的提高；因此，电缆长度也不宜过长。

综合上述分析，电缆长度的增加将缩短波前时间，并提高脉冲电压峰值，但同时会引起剧烈的振荡以及缩小不同级脉冲的波前时间间隔，这对于提高装置同步性能是互相制约的；因此，电缆长度应根据需求选择一个适中的值，并且宜短不宜长。

2.2 电缆波阻抗对触发脉冲波形的影响

常见的电缆波阻抗有50、75和90 Ω等几种规格，而采用不同波阻抗的电缆也很可能对触发脉冲产生影响，因此很有必要研究这几种波阻抗下触发脉冲的波形变化。

设定隔离电阻R1、R2、R3分别为10、20和30 kΩ，负载电容C0为5 pF，电缆长度l为0.1 m。在各种波阻抗下，触发脉冲波形均没有明显变化。而当电缆长度l设为10 m，波阻抗为50、75和90 Ω时，触发脉冲波形仍然没有显著变化。为了研究波阻抗是否会对脉冲波形产生影响，试验选取了极端情况，将波阻抗设为1 000 Ω，得到的触发脉冲波形如图7所示。

图7 波阻抗为1 000 Ω时的触发脉冲波形

由图7可以看出，当波阻抗极大时，振荡衰减的很快，只在双指数波的波峰处有数次振荡出现，振荡的频率并没有明显变化，振荡的峰值也没有明显变化；因此可以得出波阻抗对于波形的影响主要在于对高频振荡的衰减，波阻抗越大对高频振荡的衰减效果越好。考虑到常用的同轴电缆波阻抗均不到100 Ω，并不会对触发脉冲波形造成明显影响，因此可以在设计回路参数时不考虑波阻抗的影响。

2.3 隔离电阻对触发脉冲波形的影响

隔离电阻在触发脉冲回路中的作用类似于波头电阻，可以有效调节触发脉冲的波前时间，并且隔离电阻的阻值不同放电时消耗的能量也不同，同样会影响负载电容上的脉冲峰值；因此，应通过仿真研究隔离电阻对触发脉冲波形的影响。

设定负载电容C0为5 pF，电缆波阻抗Z为50 Ω，电缆长度l为0.1 m。由于装置要求3级脉冲的波峰到达时间不同，需依次相差一定时间，以与开关的电压建立时间以及击穿时延相配合，达到提高同步性的要求，因此3级隔离电阻的阻值满足R1∶R2∶R3=1∶2∶3的关系。仿真中，隔离电阻R1、R2、R3分别选取如下5组数据：a)1、2和3 kΩ；b)5、10和15 kΩ；c)10、20和30 kΩ；d)20、40和60 kΩ；e)40、80和120 kΩ。通过仿真研究这5组不同隔离电阻下的触发脉冲波形，分析计算得到了脉冲电压峰值随隔离电阻的变化趋势(见图8)以及波前时间随隔离电阻的变化趋势(见图9)。为了方便观察，横坐标为第1级隔离电阻R1的阻值。

图8 不同隔离电阻下触发脉冲电压峰值

图9 不同隔离电阻下触发脉冲波前时间

由图8和图9可以看出，随着隔离电阻的增大，3级触发脉冲的电压峰值均减小，而波前时间均增大，并且3级触发脉冲的电压峰值及波前时间的变化速率均呈减小趋势。造成这种趋势的原因是隔离电阻增大，则主电容向负载电容放电的时间常数变大，即负载电阻的充电时间常数变大，因此充电速率降低，即脉冲的波前时间增大。

触发脉冲的电压峰值即主电容电压与负载电容电压达到动态平衡时的电压，因此消耗的能量将直接影响峰值电压，而隔离电阻的增大会使得放电时在隔离电阻上消耗的能量变大，即降低了触发脉冲的电压峰值，这其实与3级脉冲的峰值及波前时间不同的原理是相同的；因此，从理论上来说，隔离电阻的值不应太大，否则会降低触发脉冲的幅值与陡度，但如果隔离电阻过小，会使得3级脉冲达到峰值的时间间隔过小，比如，R1、R2、R3分别为1、2和3 kΩ时，间隔时间只有30 ns(通常希望时间间隔在100～200 ns)，这一时间将小于开关的电压建立时间与击穿时延，使得触发脉冲将过早到达，待到开关即将击穿时，触发脉冲的幅值已降低，这样降低了同步性能。通过仿真还发现，如果隔离电阻过小，会减小对高频振荡的阻尼作用，造成振荡幅值衰减过慢，影响触发脉冲的效果。因此，一般推荐隔离电阻R1的阻值为5～20 kΩ，即可得到电压峰值较高、波前时间较短的触发脉冲，亦不会产生持续过大的振荡，并且3级脉冲的时间间隔也比较合适。