摘　要:介绍了电阻分压器型负载的结构、分压原理和设计方法,分析了高频作用下趋肤效应对负载阻值的影响,计算了负载和真空腔内的电场强度分布以及负载的等效电感和等效电容,利用Pspice程序模拟了回路参数对输出信号的影响。对负载的分压比进行了标定,标定结果为7.59×10-5。为避免闪络现象的发生,设计加工接地金属套筒,用来降低负载阴极三结合点处的电场强度。负载工作电压幅值428 kV,电流幅值9.48 kA,工作阻抗45Ω,电压和电流波形与设计值符合得较好,满足设计要求。

　　脉冲功率技术是应国防科研需要发展起来的一门新兴科学技术,在国防科研、高新技术研究和民用工业等领域有着越来越广泛的应用[1]。新的脉冲功率装置投入使用之前,必须对其进行调试,以便发现问题,修正运行参数。脉冲功率装置以各种类型的二极管为负载[2-4],而二极管负载一般无法重复使用,调试阶段如果直接采用二极管,需要频繁更换二极管组件,影响调试进度。而且,二极管实验中常伴有X射线产生,必须解决对射线的防护问题,给调试工作带来麻烦,增加了成本。电阻性负载具有阻抗参数稳定、结构简单、可重复使用等优点,并且不会产生X射线,可用于脉冲功率装置的调试。电阻性负载主要包括金属电阻负载和电解质溶液负载两种。前者一般采用电阻丝绕制,由于绕制不均匀等因素,在高功率条件下,容易造成金属电阻的局部烧毁[5]。而电解质溶液负载能够承受很高的功率而不至于损坏,适合于高功率条件下工作,将电解质溶液负载设计为电阻分压器的形式,还可用来监测二极管工作电压。

　　本文介绍了一种用于脉冲功率装置调试的电阻分压器型负载,给出了负载的结构,介绍了其工作原理、设计方法、标定方法及初步的实验结果。

　　1　负载设计

　　负载用NH4Cl溶液配制,阻值45Ω,工作电压约为0.5 MV,设计为电阻分压器形式。阴阳极材料采用不锈钢,外壁为有机玻璃,负载在真空条件下运行,因此必须具有良好的密封性。为避免有机玻璃筒壁发生沿面闪络[6],在满足真空腔尺寸约束的前提下,连接负载阴阳极的有机玻璃筒要尽可能长,以降低筒表面的平均场强。另外,必须去除负载溶液中的气泡[6],以免高压脉冲作用下负载内部击穿破坏。

　　1.1　二级分压原理

　　电阻分压器型负载依据二级分压原理[7]设计,如图1所示。第一级分压为电解质溶液分压,分压比k1等于长度比,即k1=l2/(l1+l2),其中:l1为负载高压电极与分压电极相对表面之间的距离;l2为负载低压电极与分压电极相对表面之间的距离。第二级分压为电阻RM(10 kΩ)与电缆(波阻抗50Ω)串联分压,分压比k2=50Ω/(50Ω+10 kΩ)=1/201,总分压比k=k1k2。

　　负载工作电压约为0.5 MV,为使输出电压信号幅度在示波器量程以内且具有较高的信噪比,负载的分压比(输出与输入电压之比)应为10-5~10-4,考虑到真空、高电压环境和真空腔的空间约束,设计有机玻璃筒内径D=63 mm,l1=300 mm,l2=4 mm,计算得到分压比的理论值为k1≈0.013 2,则k=k1k2≈6.55×10-5。

　　1.2　NH4Cl溶液的电导率

　　负载输入脉冲频率很高,约107Hz,由于趋肤效应[8]的影响,电流密度在负载横截面上分布不均匀,负载在高频条件下的工作阻抗与直流阻抗不等,为避免两者产生较大差异,有机玻璃筒内半径(NH4Cl溶液径向尺度)必须小于信号在该溶液中的趋肤深度(电流密度减小到导体表面处1/e≈37%时的深度[9])。

　　负载直流阻抗R0=45Ω,根据电阻计算公式

式中:σ为NH4Cl溶液的电导率;S为负载内筒横截面积;l为负载内筒轴向尺寸与分压电极厚度之差,l=l1+l2。根据式(1)计算得到NH4Cl溶液的电导率σ=21.3 mS/cm。

　　本文中,输入电压脉冲上升沿tr≈20 ns,信号频率f≈0.35/tr,真空磁导率μ0=4π×10-7H/m,真空介电常数ε0=8.855×10-12F/m,NH4Cl溶液的相对磁导率μr=1,相对介电常数εr=81,角频率ω=2πfε0εr,计算得到σ/ωε=σ/2πfε0εr≈27 1。因此该NH4Cl溶液为良导体,根据良导体趋肤深度计算公式[8]

　　计算得到NH4Cl溶液的趋肤深度δ≈8.2 cm,大于有机玻璃筒内径(6.3 cm),满足设计要求。为验证该电导率选取的合理性,计算趋肤效应引起的负载等效电阻的相对变化[9]

式中:Rs为负载高频等效电阻;r0为负载内筒半径。计算结果,ks=1.007 8,Rs=ksR0=45.35Ω≈R0,与设计值相符。

　　1.3　分析电场并确定负载结构

　　负载实际结构如图2所示。工作电压为0.5 MV时,利用2D轴对称模型计算负载及真空腔(接地)的电场强度分布,如图3所示。由图3可知,负载各部分电场分布比较均匀,分压电极边缘、高压输入端以及连接负载接地端和有机玻璃筒的螺钉处,电场强度较大。

　　图4为分压电极边缘和螺钉处电场分布的局部放大图。

　　设计负载时还需要注意,分压电极直径必须足够大,例如,本文设计加工的负载,有机玻璃筒内径63 mm,测量电极直径60 mm。由公式(1)可知,测量电极直径过小会导致第一级分压取样电阻过大,使得实际分压比与理论值k1=l2/(l1+l2)相去甚远,不锈钢高压电极与有机玻璃筒采用螺纹连接,高压电极开内螺纹,有机玻璃筒开外螺纹,以避免加载高压时金属螺纹尖端由于局部电场增强而引起放电。合理地设计密封圈的安装位置、密封圈大小和压缩量,以确保负载的密封性。

　　1.4　感应系数计算与电路仿真

　　负载输入信号前沿很陡,等效电容和电感对输出信号波形影响很大,尤其是对前沿的影响不容忽视。需要计算负载的等效电感和电容,并利用Pspice程序进行电路仿真。

　　1.4.1　计算回路等效电感

　　计算等效电感时要考虑负载与接地真空腔构成的回路,负载等效为中心圆柱,真空腔等效为与中心圆柱同轴的外筒,如图5所示。其中:S0为圆筒轴线和母线围成的矩形截面;R1为负载内筒半径,R1=D/2=31.5 mm;R2=200 mm,为真空腔内半径;l0=306 mm,为圆柱和圆筒的轴向长度;I为负载或真空腔中通过的电流,两者大小相等,方向相反,形成回路。由于有机玻璃筒内径小于NH4Cl溶液的趋肤深度,可近似认为电流密度在圆柱横截面上均匀分布,圆柱横截面上电流密度J=I/(πR21)。

　　设r为圆筒内任意一点与轴的距离,根据安培环路定理,计算r处磁感应强度

　　1.4.2　计算负载等效电容

　　负载等效电容包括纵向电容[6]和对地杂散电容。纵向电容是负载两极间的电容,将负载等效为平板电容器,两端为圆盘金属电极,中间为电介质,平板电容计算公式为

　　1.4.3　电路仿真

　　仿真电路模型如图6所示。输入电压幅值1 MV,上升时间20 ns(信号由幅值的10%上升到90%对应的时间),下降时间24 ns,平顶脉宽50 ns,负载阻值45Ω,等效电容16.47 pF,回路等效电感0.143μH。利用Pspice程序对其进行模拟,结果如图7所示,输出信号上升时间tr=20.32 ns,与输入信号相比没有显著变化,输出信号和输入信号达到0.5 MV的时间间隔Δt≈3.18 ns,远小于信号上升时间。负载等效电感、电容符合设计要求。

　　由于负载在单脉冲信号下运行,且信号脉宽很窄(约100 ns),计算结果表明,电解质溶液温升对负载阻值的影响可以忽略。

　　2　标定分压比

　　对电阻分压器型负载的分压比进行标定,标定系统如图8所示,标定结果典型波形如图9所示。对信号进行处理,消除零漂并读数。方波发生器输出信号经衰减器衰减后,上升沿9.6 ns,脉宽411 ns,幅值9.14 V,负载输出信号上升沿12.8 ns,脉宽412 ns,幅值69 mV,分压比7.55×10-5。连续进行6次实验,取平均值,最终确定分压比为7.59×10-5。

　　3　初步的实验结果及对负载的改进

　　该负载已用于脉冲功率装置的调试,在真空条件下运行(约10-2Pa),电压信号由负载直接输出,电流信号由Rogowski线圈测得[10-11],负载工作电压和电流的典型波形如图10所示。由图10可见,电流下降沿出现尖峰,可能原因是该时刻阴极三结合点处场强超过了该真空度条件下有机玻璃表面发生沿面闪络[6]的电场强度阈值,导致有机玻璃筒外壁沿面闪络。

　　为降低阴极三结合点处的电场,设计加工接地金属套筒,将负载接地端罩在套筒内,套筒内径大于有机玻璃筒外径,且两者之间留有一定的间隙。另外,连接负载阴极和有机玻璃筒的螺钉,其凸起的螺纹会导致局部电场增强,因此,套筒的长度必须足够将螺纹罩住。负载阴极部分改进后,其结构如图11所示,实验结果如图12所示。由图12可见,负载工作电压幅值428 kV,电流幅值9.48 kA,工作阻抗45Ω,电压和电流波形较好,未发生闪络现象,满足设计要求。

　　4　结　论

　　本文介绍了用于脉冲功率装置调试和工作电压测量的电阻分压器型负载,给出了负载的结构、原理、设计方法、标定方法及初步的实验结果。重点研究了高频作用下,趋肤效应对负载阻值的影响以及负载电感电容参数的计算和电路仿真。针对实验中有机玻璃表面发生的闪络现象,改进阴极结构,设计加工接地金属套筒,用来降低阴极三结合点处的电场强度,从而避免闪络现象的发生。改进后的负载工作电压幅值428 kV,电流幅值9.48 kA,工作阻抗45Ω,电压和电流波形较好,无闪络现象发生,符合设计要求。

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　　基金项目:国家自然科学基金项目(10775112)

　　作者简介:高　屹(1982—),男,辽宁丹东人,博士研究生,从事脉冲功率负载技术研究; gaoyi05@gmail、com、