一种基于Marx发生器的纳秒脉冲实验平台

2022-02-04崔光曦李俊娜陈旭良王永亮李楚男

现代应用物理 2022年4期

崔光曦，李俊娜，陈旭良，王永亮，刘建，李楚男

(西安交通大学电气工程学院，西安 710049)

快脉冲下的开关击穿特性是脉冲功率研究中的一项基础领域，高电场强度、纳秒脉冲条件下的开关击穿及绝缘子闪络特性与交直流条件下不同[1-2]。目前，快脉冲开关已广泛应用于脉冲功率领域，几百纳秒的脉冲开关作为中储开关已应用于高功率设备[3]，微秒脉冲开关也在电容耦合模式下验证了可行性[4],亚纳秒脉冲开关是超宽带脉冲源的关键部件[5]，而几十纳秒的脉冲开关研究相对较少。在高电场强度快脉冲条件下，开关的击穿特性也有所不同[6-8]。在高空电磁脉冲(high altitude electricmagenetic pluse, HEMP)电磁脉冲模拟装置中，一般要求结构紧凑，对脉冲压缩段的体积要求较小，耐受电压高，脉冲电压时间为几十纳秒，沿面绝缘压力巨大，因此研究纳秒脉冲下的绝缘子沿面闪络特性具有直接的现实应用价值。为深入研究几十纳秒前沿的脉冲条件下，SF6气体开关的击穿特性与绝缘子的闪络特性，需一台可产生几十纳秒前沿脉冲的实验平台。本文基于几十纳秒脉冲下开关和绝缘试验的需求，设计开发了一种基于Marx发生器的纳秒脉冲实验平台，并开展了初步的实验验证。

1 实验平台的电路分析

1.1 主充电回路的参数计算

将本文初步设计的Marx实验平台置于变压器油中，油箱外采用220 V市电对内部供电，油箱内置变压器和硅堆向Marx电容直流充电。该平台的Marx发生器采用双边充电结构，除第一级的电阻Rr为1 MΩ外，各级电阻R均为50 kΩ，电容C为12 nF。该发生器末端电感L2与电阻R3均可更换，拟通过改变这两个元件的参数值来实现纳秒脉冲的波前时间变化。图1为Marx发生器的电路图。

该电路的等效电路如图2所示。其中：C1为图1中12个电容串联的等效电容，1 nF；L1为回路等效电感，2 μH；R1为回路等效电阻，1 Ω；R2为Marx输出端电压测量电阻；R3为负载电压测量电阻。

定义纳秒脉冲电压的波前时间为电压到达峰值10%～90%之间的时间差，电压输出系数为负载电压与Marx匹配输出电压的比。由于电感L2和电阻R3的取值均会影响Marx发生器输出纳秒脉冲的波前时间，因此，采取控制变量法依次分析L2和R3的取值对Marx发生器输出电压波形的影响。首先，固定电阻R3为5 kΩ，不同电感L2条件下，得到Marx输出电压U随时间t的变化关系，如图3所示。由图3可见，Marx发生器输出电压波形为双指数波。按照电感由小到大的顺序，依次提取图3中6种输出电压的波前时间，分别为8.7, 17.1，25.3，33.3，41.3，49.1 s，由图3可见，输出电压的波前时间随L2增大而增大，且电压输出系数随着L2增大而减小。其次，固定电感L2=20 μH，不同电阻R3条件下，得到Marx输出电压随时间的变化关系，如图4所示。由图4可见，输出电压的波前时间随R3的增大而减小，但电压输出系数随R3增大呈相反趋势。

图1 Marx发生器的电路图Fig.1 Diagram of Marx generator circuit

图2 Marx发生器的等效电路图Fig.2 Equivalent circuit of Marx generator

图3 R3为5 kΩ时，不同L2条件下，Marx发生器输出电压随时间的变化关系

图4 L2为20 μH时，不同R3条件下，Marx发生器输出电压随时间的变化关系Fig.4 Output voltage of Marx generator vs. time for different R3 with L2 of 20 μH

1.2 Marx输出端参数对实验平台输出波形的影响

本文对Marx输出端转接同轴结构电容与实验样品电容(以开关为例)进行了初步估算，并模拟计算了电容对输出电压的影响。

Marx输出端与实验腔体间采用盆形绝缘子转接，将Marx输出转换为同轴输出。绝缘子的高压端与接地端材料为铝合金，绝缘部分材料为环氧浇注的Al2O3，凹面置于变压器油中，凸面置于SF6气体中，2种介质中各有一个输出端屏蔽体连接在高压端屏蔽电场，该绝缘子及转接部位的示意图如图5所示。由于绝缘子的结构较大且两面置于不同的介质中，结构电容对电路的影响不可忽略。使用COMSOL软件计算得到绝缘子与屏蔽结构对地和开关连接杆金属同轴结构对地电容之和约为35 pF。

基于该实验平台，在高压输出端接入气体间隙开关，进行开关的几十纳秒脉冲前沿击穿特性实验。该开关工作在自击穿状态，开关球头的半径为20 mm，开关间隙为6 mm，整体长度为111 mm。COMSOL软件计算给出的开关电容约为5.6 pF。在开关后接入200 Ω的限流电阻与0.5 Ω的测量电阻进行仿真计算，自击穿开关击穿实验等效电路如图6所示。其中，右边红框内为开关模拟电路模型[9-13]：C2为开关间隙结构电容；R4为开关泄漏电阻；La为火花通道的等效电感；Rf为火花通道等效电阻。该模型忽略了开关输入端与输出端的对地电容。电阻R2与r1，R3与r2是2对电阻分压器，分别用于测量Marx的输出电压及开关(或绝缘子)的电压波形。为更切合实际电路中的参数，研究电路中杂散参数对Marx输出电压的影响，拟对接入开关后的Marx输出电压进行仿真。设置开关的击穿电压为1 000 kV，Marx输出电压为600 kV。电感L2分别取20，40，60，80，100，120 μH时，得到不同L2条件下，开关测量电阻R3两端的电压波形，如图7所示。此时，R2，R3仍为5 kΩ。

图5 Marx输出端转接用绝缘子及其屏蔽结构Fig.5 Insulators and shielding structures foradapter of outputs of Marx generator

图6 自击穿开关击穿实验等效电路Fig.6 Equivalent circuit of self-breakdown switch breakdown experiment

图7 不同L2条件下，开关测量电阻R3两端的电压波形Fig.7 Voltage waveform of the resistance R3 for measuring the switch voltage with different inductances L2

由图7可见，调波电感L2影响了电压波形前沿时间与峰值。对上述波形的波前时间进行提取，得到波前时间分别为42.5，62.8，76.0，88.3，98.6 ns。与图3结果相比，波前时间得到了增加，且由于电路中杂散电容等储能元件的存在，调波电感参数对Marx输出电压峰值的影响也随之变大，将使该Marx平台电压输出系数大于1。当调波电感L2为20 μH时，电压输出系数达到了1.667。合理利用电感参数与电容参数的影响可输出较高的电压。在该Marx平台基础上，在绝缘子后面接入峰化电容器将使输出峰值达到1 MV以上的更高水平，前沿时间也将达到百纳秒量级，后续可展开百纳秒兆伏量级的实验。

2 实验平台测量探头设计

本文基于典型的开关测试要求，给出测量探头的布置和设计方案。该Marx实验平台可测量4种参数，分别为Marx电流、Marx输出端电压、实验腔体内开关(或绝缘子)两端电压及腔体内部开关击穿电流(或绝缘子闪络电流)。其中，Marx输出电流的测量采用了自行设计组装的分流器，结构如图8所示。该分流器将42个2.2 Ω电阻并联为一个约50 mΩ的电阻，通过Marx回路中的接地端引出，利用油箱表面的通孔将测量探头引至箱外以便接电缆线测量。

Marx输出端电压及开关(或绝缘子)两端电压的测量采用一个电阻分压器，结构如图9所示。低压臂电阻与高压臂电阻通过螺柱相连，高压臂电阻两端各套一个屏蔽环来降低电阻两端金属部位尖端的高电场强度，BNC头的芯线通过安装在电阻内部的铜针来收集信号。在开关实验初期，采用的电阻分压器高压臂电阻为1.516 kΩ，低压臂电阻为0.520 6 Ω。其中，高压臂电阻长为25 cm，经大量实验后发现该电阻的闪络频率较高，后改为在两端均加入屏蔽体后串联2根约1.5 kΩ的电阻，串联后电阻为2.985 kΩ，低压臂电阻相应调整保证分压比基本不变。增加了沿面长度，同时降低了单根电阻的耐受电压，提高了Marx平台的输出效率。

图8 分流器结构示意图Fig.8 Schematic diagram of current diverter

图9 输出用电阻分压器Fig.9 Output resistance voltage divider

当输出电压为600 kV时，对上述电阻的沿面电场进行仿真，电场强度最高处为电阻屏蔽环与电阻两端金属结构的交界处的三结合点，这与实验中观察到的放电位置一致，三结合点的电场强度分布如图10所示。

(a) 1.5 kΩ

(b) 3 kΩ图10 2种电阻分压器的三结合点电场强度分布Fig.10 Three-junction electric field distribution of two resistance voltage drividers

由图10可见，改良后，三结合点处的电场强度明显降低，由之前的约200 kV·cm-1下降至150 kV·cm-1。实验也验证了该情景下基本不会发生沿面闪络现象。开关电流信号的测量与上述结构相同，采用的高压臂电阻为194.8 Ω，分压比为379.9的电阻分压器。

3 实验平台测试

Marx发生器采用2个半波的整流倍压充电方式，采用耐压等级为50 kV，电容为12 nF的脉冲电容器，每2组电容器之间通过一个气体开关进行相连，常压下开关的自击穿电压约为12 kV，实验中可通过调整Marx开关内的气压来调整Marx输出的总电压。Marx发生器置于一个充满变压器油的油箱内以保证绝缘性能，Marx发生器末端安装绝缘子连接实验腔体，调波电感L2采用弹簧结构接入。图11为搭建完成后的实验平台。

图11 纳秒脉冲实验平台Fig.11 Nanosecond pulse experimental platform

3.1 Marx输出电压和电流测试

实验测试前，充分老练Marx各级直流开关并测试各级开关的自击穿电压，取自击穿电压较低的三级开关作为触发级。移除调波电感L2与开关(或绝缘子)电压测量电阻R3，对Marx最高输出电压进行测试。当R2为4.923 kΩ时，测量得到平台的输出电压和电流波形，如图12所示。由图12可见，此时Marx发生器输出端电压可达到800 kV及以上，Marx电压输出系数达到了1.75。

图12 Marx实测电压与电流波形Fig.12 Marx measured voltage and current waveform

3.2 待测开关两端电压波形

实验腔体接入开关后，为验证调波电感L2对脉冲前沿时间的调整作用，在开关未击穿时的条件下，每级Marx开关加压30 kV,此时采用高压臂电阻为2.985 kΩ，分压比为2 821.3的电阻分压器进行电压测量。分别采用L2=5 μH和L2=20 μH的调波电感测得的电压波形如图13所示。由图13可见，调波电感对波形前沿的影响较明显，可实现几十纳秒至百纳秒前沿的调整，波形振荡周期和波形峰值与仿真波形符合较好，后续振荡波峰的差异是由于无法精准估算Marx发生器中的电阻参数所致。

(a) L2=5 μH

(b) L2=20 μH图13 开关未击穿时的仿真波形与实测波形的对比Fig.13 Comparison of the simulated waveform and the measured one when the switch is not broken down

3.3 典型开关测试时域波形

该Marx平台可用于测量开关的击穿特性，将上述自击穿开关接入实验腔体进行击穿时延与抖动的测试。考虑到输出电压起始端波形不易判读，定义该自击穿开关的击穿时延td为输出电压峰值10%至输出电流峰值10%的时间区间，Marx实验平台的典型开关实测时域波形如图14所示。该波形是在回路电感为60 μH，Marx输出电压为324 kV的峰值击穿条件下测得的。开关击穿实验可在仿真基础上进行开展，在保证信噪比较高的情况下采用高压臂电阻为1.516 kΩ，分压比为2 912的电阻分压器进行电压测量，此时波形没有太大的振荡。考虑到研究重点是几十纳秒脉冲，将仿真与实验结果相结合，在60 μH及以下的调波电感中进行对照实验，此时开关峰值击穿时的Marx平台电压输出系数可达到80%以上，脉冲前沿可达几十至百纳秒量级。