全电感隔离型重复频率Marx发生器

　　Marx发生器是高功率脉冲技术中最常见的功率源[1],目前正朝着贮能密度大、结构紧凑、重复频率运行方向发展。而采用电感作为电容器间隔离元件,和传统的用充电电阻隔离的发生器相比有明显的优势:同步范围宽、波形重复性好。只要采用合理的充电方式,就可以加快充电速度和提高充电效率,实现较高重复频率运行。本文在理论分析和静电场模拟的基础上设计、建造,并调试了一台输出电压532 kV,重复频率50 Hz的Marx发生器,初步研究和掌握了全电感隔离型重复频率Marx发生器的关键技术。

　　1　Marx发生器结构特点

　　12级全电感隔离型重复频率Marx发生器主要元器件有:隔离电感、低感电容及带触发圆盘的场畸变开关。自制电感如图1所示,双层绝缘线绕制在筒性尼龙骨架表面,骨架内装有磁芯,磁芯采用棒状为Φ10 mm×100 mm锰锌铁氧体材料。带磁芯的棒状隔离电感,不存在磁饱和现象,既可增大电感值,又能减小电感体积。

　　本文设计得出隔离电感L0为200μH。高功率脉冲技术中,要求Marx电路必须是低电感的,而电容器的电感又是回路电感的主要组成部分之一,因此本文采用由2个极板组成的塑壳陶瓷介质电容器,它具有介电常数大,寄生电感小(<20 nH),外形尺寸小(100 mm×56 mm×120 mm)的优势。

　　实现电容串联放电的场畸变开关与低感电容呈交错条形排列[2],并与触发电阻、充电保护电感和隔离电感一同置于长方形金属变压器油箱内,如图2所示,除能减小Marx发生器的体积,保证电绝缘可靠,不发生闪络或击穿现象,还可以屏蔽向外界辐射的电磁波,同时也避免了高电压直接对外的危险。发生器系统油箱体积为1 000 mm×500 mm×400 mm,电容间及电容与开关间通过一定厚度(d=5 mm)的黄铜板牢固连接,放电回路基本呈无感排列,结构紧凑,回路电感小。

　　2　开关腔体静电场分析

　　Marx发生器中导通开关是整个系统的关键性部件。本文采用带中间圆盘的场畸变开关,电极形状为半球削顶,电极头直径为30 mm,其圆滑过渡的平面直径为14 mm,间距为8 mm;触发圆盘处在两电极间的对称平面上,其中心开孔直径为18 mm。为了进一步优化开关结构设计,本文通过有限元数值方法对场畸变开关腔体内静电场进行了分析计算[3],图3为场畸变开关腔体内静电场分布,正负电极上所施电压±50 kV,当中心开孔的触发圆盘上外施触发电压为开关间隙电压的60%~70%时,开关腔内电场发生严重畸变,激化最大场强均匀分布于半球削顶圆滑过渡A区域和相对应的触发圆盘的中心圆孔B边缘,类似环形多通道击穿开关,可以减小开关导通时间及开关电感,以获得短的发生器建立时间和小的建立时间抖动。本文设计的场畸变开关采用固定尺寸的放电间隙,击穿电压范围用改变气体压力的方法调节。腔体内充p=0.15MPa的SF6气体,从图3中可以看出,开关电极底部、绝缘壳体及SF6三种介质交界C处场增强,分界面不影响击穿过程本身而仅影响它的边界条件(场强分布、初始电子数和电子损失)。工程条件下分界面闪络场强半经验计算公式[4]为