200+kV水介质高压脉冲延时线

书书 　第２２卷第４期 强 激 光 与 粒 子 束 Ｖｏｌ．２２，Ｎｏ．４　 　２０１０年４月 ＨＩＧＨ ＰＯＷＥＲＬＡＳＥＲ ＡＮＤＰＡＲＴＩＣＬＥＢＥＡＭＳ Ａｐｒ．，２０１０　 文章编号：　１００１４３２２（２０１０）０４０７０５０４ ２００犽犞水介质高压脉冲延时线  高　峰，　李　劲，　石金水，　潘海峰 （中国工程物理研究院 流体物理研究所，四川 绵阳６２１９００） 　　摘　要：　 介绍了２００ｋＶ水介质高压脉冲延时线的基本参数，阻抗为２３．４Ω，电长度为３００ｎｓ；分析 了该延时线的耐压特性，并对其传输脉冲幅度衰减率进行了估算。加工了一套高压脉冲延时线装置，并进行了 实验研究。实验中，利用Ｂｌｕｍｌｅｉｎ线产生两路高压方波脉冲输出，一路经高压电缆延时线高压电缆到匹配负 载，另一路经过高压电缆到匹配负载，两负载上的脉冲等效认为是延时线的输出脉冲和输入脉冲。实验结果 明，该延时线工作电压大于２００ｋＶ，输入方波脉冲前沿为３０ｎｓ，输出方波脉冲前沿增加到３４．５ｎｓ，方波脉冲幅 度损耗率为１．８％。 　　关键词：　击穿电压；　高压脉冲延时线；　直角弯道传输线；　沿面闪络 　　中图分类号：　ＴＭ８３６　　　　文献标志码：　Ａ　　犱狅犻：１０．３７８８／ＨＰＬＰＢ２０１０２２０４．０７０５ 　　近年来，高重复率的脉冲串广泛应用于加速器、高功率微波等研究领域。高重复频率脉冲发生器的负载一 般是感应腔［１２］、二极管电子枪［３］等，这些负载是非线性元件，很难与脉冲发生器的输出阻抗完全匹配，这就不 可避免地要产生反射脉冲。为了消除这个反射脉冲对主脉冲的影响，需要对反射脉冲进行隔离［４］，美国洛斯· 阿拉莫斯的ＰＨＥＲＭＥＸ双脉冲（脉冲间的间隔为２０ｎｓ）注入器是用７０ｎｓ电长度的电缆来隔离反射脉 冲的［５］。水介质高压脉冲延时线可用来替代电缆在传输时间上隔离反射脉冲，亦可用来产生间隔几百ｎｓ的双 脉冲。水介质脉冲延时线对传输脉冲幅度损耗和波形畸变的主要影响因素在文献［６］中进行了详细分析，本文 在之前工作的基础上，为了应用于间隔３００ｎｓ的双脉冲产生，研制了２００ｋＶ水介质高压脉冲延时线装置，并 进行了实验研究。 １　水介质高压脉冲延时线物理设计 　　水介质高压脉冲延时线是利用水介质作为传输介质的高压传输线，一般采用同轴结构。结合应用需求，并 为了进一步了解延时线的传输特性和耐压特性，设计了一套２００ｋＶ水介质高压脉冲延时线，基本物理参数 为：工作电压大于２００ｋＶ，阻抗为２３．４Ω，电长度为３００ｎｓ，内导体外直径为６ｍｍ，外导体内直径为２０１ｍｍ。 　　当方波脉冲通过水介质高压脉冲延时线时，脉冲幅度会有一定程度的衰减，波形也有一定程度的畸变，波 形畸变主要反应在脉冲前沿增加。影响脉冲幅度损耗和波形畸变的主要因素有两种：金属导体中的趋肤效应 损耗和水介质泄漏损耗［６］。趋肤效应损耗大小与传输脉冲频率密切相关，由利用趋肤效应引起脉冲幅度衰减 率计算公式得出，前沿分别为１８，２５，３５，４０ｎｓ时趋肤效应损耗引起的脉冲幅度衰减率分别为１．４％，１．２％， １．０％，０．９％［６］，由此可见，脉冲幅度衰减率随传输脉冲频率增加而增大。水介质泄漏损耗与水介质电阻率有 很大的关系，由利用水介质泄漏损耗引起脉冲幅度衰减率计算公式可知，当电阻率分别为１．０，２．５，５．０， １０．０ＭΩ·ｃｍ时水介质泄漏损耗引起传输脉冲幅度的衰减率分别为４．０％，１．７％，０．８％，０．４％［６］，由此可 知，脉冲幅度衰减率随水介质电阻率增大而减小。 　　水介质高压脉冲延时线工作电压是一项很重要的特性参数，只有工作电压足够高才能保证高压脉冲正常 传输。脉冲延时线击穿电压主要由水介质的击穿场强、绝缘支撑与水介质沿面的击穿场强和绝缘支撑的体击 穿场强决定。内导体与外导体之间的绝缘支撑，一般用有机玻璃或者尼龙作为绝缘材料，它们耐压强度很高， 体击穿几率非常小，故仅需要考虑水介质击穿和沿面闪络。对于有机玻璃和水介质界面，沿面闪络电压犞ｆｌ与 水介质击穿电压犞ｂｒ的关系是：犞ｆｌ＝０．８５犞ｂｒ［７］。 　　为了减小延时线所占空间长度，利用直角弯道传输线使延时线呈蜿蜒状。直角弯道传输线拐弯处的局部  收稿日期：２００９１１１０；　　修订日期：２０１００１０５ 基金项目：国防科技基础研究基金项目 作者简介：高　峰（１９７９—），男，助理研究员，从事脉冲功率技术研究；ｇａｏｚｈｅｎｇｆｅｎｇ＠ｓｉｎａ．ｃｏｍ。 书书书 电场强度将较高，为了了解其电场分布和最大场强，利用ＡＮＳＹＳ程序建立直角弯道传输线模型，并进行静电 场分析。经过分析发现，直角弯道传输线的最大场强分布在内导体直角拐弯处，当内导体加载静电压为１５０ ｋＶ时，最大电场强度为４５４ｋＶ／ｃｍ。 　　当传输脉宽（ＦＷＨＭ）为１３０ｎｓ的负脉冲时，由水介质 Ｍａｒｔｉｎ公式计算出内导体外表面的水介质击穿场 强为１３４７ｋＶ／ｃｍ。根据ＡＮＳＹＳ计算出的直角弯道传输线最大电场强度与电压关系，可推出内导体直角拐 弯处水介质击穿电压为４４５ｋＶ，考虑欠压比为０．５，则该延时线工作电压为２２３ｋＶ。绝缘支撑离直角拐弯处 有一定距离，故利用沿面闪络电压与水介质击穿电压关系和同轴线场强计算公式，可计算出有机玻璃沿面闪络 电压为１１００ｋＶ。由此可见，直角弯道传输线耐压强度决定了该延时线工作电压。 ２　实验装置及实验布局 Ｆｉｇ．１　Ｈｉｇｈｖｏｌｔａｇｅｐｕｌｓｅｄｅｌａｙｌｉｎｅｅｑｕｉｐｍｅｎｔ 图１　高压脉冲延时线装置 　　高压实验装置如图１所示，该装置空间长度约为 ２．５ｍ，空间展宽约为１．２ｍ。外管道材料为不锈钢，壁 厚５ｍｍ，内直径为２０１ｍｍ；内导体材料为黄铜，外直径 为６ｍｍ，阻抗约为２３．４Ω。每一节直管道传输线约为２ ｍ，由两根１ｍ长直管道构成，它们间用有机玻璃绝缘支 撑板和法兰连接，这样设计主要是考虑到内导体直径较 小而要保证内导体直线度。利用８根直管道和３个 弯管道传输线组装了一个电长度为３００ｎｓ的高压实验 装置，内导体总长约为１０ｍ，弯管道和直管道传输线之 间隔有有机玻璃绝缘支撑板，有机玻璃绝缘支撑板与外 管道连接设计了直口配合，以确保内导体与外管道中轴重合。 Ｆｉｇ．２　Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｌａｙｏｕｔ 图２　实验布局图 　　实验中，利用Ｂｌｕｍｌｅｉｎ线产生两路高压方波脉冲 输出，一路经高压电缆延时线高压电缆到匹配负载， 另一路经过高压电缆到匹配负载，两负载上的脉冲等 效认为是延时线的输出脉冲和输入脉冲。对比输入脉 冲和输出脉冲，可以得知，该高压脉冲延时线对传输脉 冲幅度的损耗小，波形畸变也在容许范围之内，可用来 产生双脉冲。实验布局如图２所示，Ｂｌｕｍｌｅｉｎ线产生 的方波脉冲输出，一路经过６ｍ，２４Ω高压电缆传输 到高压脉冲延时线，再经过６ｍ，２４Ω高压电缆传输 到２４Ω水电阻负载犚Ｌ１；另一路经过１２ｍ，２４Ω高压电缆传输到２４Ω水电阻负载犚Ｌ２。脉冲电压测试是在水 电阻负载上利用０．２Ω电阻作为低压臂引出脉冲信号，利用３７ｍ，７５Ω测试电缆把引出的脉冲信号传输到测 试间，经过２５０倍衰减７５Ω转５０Ω电阻匹配分压盒，再经过２ｍ，５０Ω测试电缆传输到示波器。一级分压比 为１∶１２０，二级分压比为１∶２５０，测试电缆损耗约为１０％，总分压比为１∶３３３００，即测试脉冲信号幅度为１Ｖ 时实际脉冲幅度为３３．３ｋＶ。 ３　实验结果及结果分析 　　Ｍａｒｘ电容器充电电压为２６．５ｋＶ时，在负载上得到的实验结果波形如图３所示，第一个脉冲是在负载 犚Ｌ２上测得的脉冲信号，第二个脉冲是在负载犚Ｌ１上测得到的脉冲信号。第一路连接Ｂｌｕｍｌｅｉｎ线、延时线、负载 与第二路连接Ｂｌｕｍｌｅｉｎ线、负载的电缆长度和电缆型号都一样，故可等效地认为第一个脉冲是高压脉冲延时 线的输入脉冲，第二个脉冲是高压脉冲延时线的输出脉冲，比较它们的变化就可以了解该延时线的传输特性。 由实验结果可知，输入脉冲幅度为２１６ｋＶ，输出脉冲幅度为２１２ｋＶ；输入脉冲前沿为３０ｎｓ，输出脉冲前沿为 ３４．５ｎｓ（１０％～９０％），所以当输入脉冲前沿约为３０ｎｓ时，该高压脉冲延时线传输脉冲幅度衰减率为１．８％， 脉冲前沿增加量为４．５ｎｓ。经过数十次重复实验，该高压脉冲延时线没有发生击穿现象。 　　理论预计趋肤效应损耗率为１．１％（３０ｎｓ前沿脉冲），水介质泄漏损耗率为０．８％（实验时，水介质电阻率 为５ＭΩ·ｃｍ），理论预计总损耗率为１．９％。实验结果（１．８％）与理论预计损耗率基本一致。输入、输出脉冲 ６０７ 强 激 光 与 粒 子 束 第２２卷 Ｆｉｇ．３　Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｒｅｓｕｌｔｗａｖｅｆｏｒｍ 图３　实验结果波形 Ｆｉｇ．４　Ｏｖｅｒｌａｙｏｆｉｎｐｕｔｐｕｌｓｅａｎｄｏｕｔｐｕｔｐｕｌｓｅ 图４　输入输出脉冲覆盖图 Ｆｉｇ．５　Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｏｆｃｏｎｎｅｃｔｉｎｇｐｉｐｅｅｆｆｅｃｔ 图５　转接管影响模拟 覆盖图如图４所示，由图可以看出，输入脉冲与输出脉冲 波形很相似，也就是说该延时线对传输脉冲波形畸变较 小；输出脉冲与输入脉冲平顶上有约５％的波动，平顶凸 起时刻位置差不多，方向相反。从平顶波动时刻和幅度 分析，脉冲平顶上的波动，主要是由２４Ω电缆与脉冲延 时线输入端之间的转接管阻抗失配产生反射脉冲所引起 的。电缆外导体内径约为３８ｍｍ，内导体外径约为１９．５ ｍｍ，电缆固态传输介质介电常数约为２．７８。延时线外 管道内直径为２０１ｍｍ，电缆与延时线连接需要一个转 接管进行过渡，转接管的几何长度为２６０ｍｍ左右，锥管 形状的，里面充入变压器油（介电常数约为２．４），则转接 管电长度约为１ｎｓ，阻抗是渐变的，中间点等效阻抗为６５Ω左右，可以把它等效看作一个６５Ω，１ｎｓ的传输 线。利用Ｐｓｐｉｃｅ程序建立模型进行模拟，模拟结果如图５所示，平顶波动位置和幅度与实验结果（如图４）相差 不多，凸凹方向与实验结果完全一致，所以说，实验结果中脉冲平顶波动是由转接管的阻抗失配所引起的，与高 压脉冲延时线本身无关。为了消除转接管阻抗失配的影响，设计上可尽量使转接管与延时线阻抗匹配或者减 小转接管几何长度即减小不均匀阻抗段的电长度。 ４　结　论 　　本文研究表明，１０２ｎｓ级电长度水介质高压脉冲延时线对传输脉冲幅度的损耗较小，对 ＭＨｚ前沿频率脉 冲波形畸变也较小。该延时线利用直角弯道传输线减小了所占空间长度。延时线耐压薄弱点在直角弯道传输 线的内导体拐弯处，机械设计要使之尽可能圆滑地过渡，以提高直角弯道传输线耐压强度。延时线击穿电压由 于 Ｍａｒｘ输出脉冲电压限制没有经过实验得知，利用该延时线可进行产生间隔３００ｎｓ双脉冲实验。 致　谢　此项研究过程中得到了刘云龙、王利鸣等同事的帮助，在此表示衷心的感谢。 参考文献： ［１］　ＰｒｉｃｈａｒｄＢＡ．ＴｅｃｈｎｏｌｏｇｉｃａｌｉｍｐｒｏｖｅｍｅｎｔｓｉｎｔｈｅＤＡＲＨＴⅡａｃｃｅｌｅｒａｔｏｒｃｅｌｌｓ［Ｃ］／／ＩＥＥＥＰａｒｔｉｃｌｅＡｃｃｅｌｅｒａｔｏｒＣｏｎｆｅｒｅｎｃｅ．２００５：１６９１７０． ［２］　李劲，戴光森，刘小平，等．３．５ＭｅＶ注入器脉冲功率系统［Ｊ］．强激光与粒子束，２００５，１７（２）：２６３２６７．（ＬｉＪｉｎ，ＤａｉＧｕａｎｇｓｅｎ，ＬｉｕＸｉａｏｐｉｎｇ， ｅｔａｌ．３．５ＭｅＶｐｕｌｓｅｄｐｏｗｅｒｓｙｓｔｅｍｆｏｒＬＩＡｉｎｊｅｃｔｏｒ．犎犻犵犺犘狅狑犲狉犔犪狊犲狉犪狀犱犘犪狉狋犻犮犾犲犅犲犪犿狊，２００５，１７（２）：２６３２６７） ［３］　刘锡三．高功率脉冲技术［Ｍ］．北京：国防工业出版社，２００５：１７５１７９，１６７１６８．（ＬｉｕＸｉｓａｎ．Ｈｉｇｈｐｕｌｓｅｄｐｏｗｅｒｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ．Ｂｅｉｊｉｎｇ：Ｎａｔｉｏｎ ａｌＤｅｆｅｎｃｅＩｎｄｕｓｔｒｙＰｒｅｓｓ，２００５：１６７１６８，１７５１７９） ［４］　ＣｈｅｎＹｕｊｕ．Ａｎｏｖｅｌｄｅｓｉｇｎｆｏｒａｈｉｇｈｐｏｗｅｒｓｕｐｅｒｃｏｎｄｕｃｔｉｎｇｄｅｌａｙｌｉｎｅ［Ｃ］／／ＩＥＥＥＰａｒｔｉｃｌｅＡｃｃｅｌｅｒａｔｏｒＣｏｎｆｅｒｅｎｃｅ．１９９７：１３０５１５０７． ［５］　ＣａｒｌｓｏｎＲＬ，ＫａｎｇＭ，ＭｅｌｔｏｎＪＧ．Ａ６００ｋＶｄｏｕｂｌｅｐｕｌｓｅｒｆｏｒｔｈｅＰＨＥＲＭＥＸｅｌｅｃｔｒｏｎｇｕｎ［Ｃ］／／ＩＥＥＥＰｕｌｓｅＰｏｗｅｒＣｏｎｆｅｒｅｎｃｅ．１９９７： １６９８１７００． ［６］　高峰，石金水，李劲．水介质同轴线型方波脉冲延时线［Ｊ］．强激光与粒子束，２００８，２０（５）：８６７８７０．（ＧａｏＦｅｎｇ，ＳｈｉＪｉｎｓｈｕｉ，ＬｉＪｉｎ．Ｗａｔｅｒ ｄｉｅｌｅｃｔｒｉｃｃｏａｘｉａｌｐｕｌｓｅｄｅｌａｙｌｉｎｅ．犎犻犵犺犘狅狑犲狉犔犪狊犲狉犪狀犱犘犪狉狋犻犮犾犲犅犲犪犿狊，２００８，２０（５）：８６７８７０） ［７］　ＭｅｓｙａｔｓＡ．Ｐｕｌｓｅｄｐｏｗｅｒ［Ｍ］．ＮｅｗＹｏｒｋ：ＫｌｕｗｅｒＡｃａｄｅｍｉｃ，２００５：１２７１３１． ７０７第４期 高　峰等：２００ｋＶ水介质高压脉冲延时线 ２００犽犞狑犪狋犲狉犱犻犲犾犲犮狋狉犻犮犺犻犵犺狏狅犾狋犪犵犲狆狌犾狊犲犱犲犾犪狔犾犻狀犲 ＧａｏＦｅｎｇ，　ＬｉＪｉｎ，　ＳｈｉＪｉｎｓｈｕｉ，　ＰａｎＨａｉｆｅｎｇ （犐狀狊狋犻狋狌狋犲狅犳犉犾狌犻犱犘犺狔狊犻犮狊，犆犃犈犘，犘．犗．犅狅狓９１９１０６，犕犻犪狀狔犪狀犵６２１９００，犆犺犻狀犪） 　　犃犫狊狋狉犪犮狋：　Ｔｈｉｓｐａｐｅｒｉｎｔｒｏｄｕｃｅｓｔｈｅｂａｓｉｃｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｐａｒａｍｅｔｅｒｏｆ２００ｋＶｗａｔｅｒｄｉｅｌｅｃｔｒｉｃｈｉｇｈｖｏｌｔａｇｅｐｕｌｓｅｄｅｌａｙｌｉｎｅ， ｗｈｏｓｅｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｉｍｐｅｄａｎｃｅｉｓ２３．４Ωａｎｄｅｌｅｃｔｒｉｃａｌｌｅｎｇｔｈｉｓ３００ｎｓ．Ｉｔａｎａｌｙｚｅｓｂｒｅａｋｄｏｗｎｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｏｆｔｈｅｄｅｌａｙｌｉｎｅａｎｄ 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