1MV紧凑型重频Marx发生器绝缘设计和数值分析

　　宽带高功率微波(HPM)辐射和效应是目前定向能研究的一个热点[1]。在近期发展的宽带HPM辐射系统中,大部分系统都是通过Marx发生器产生高压脉冲,经过脉冲压缩或直接辐射的。例如德国DIEHL公司研制的DS110和DS350系统,分别采用400 kV和1 MV的Marx作为系统的脉冲功率源,直接馈入宽带天线进行辐射[1]。为开展宽带HPM技术研究,提出了研制1 MV紧凑型重频Marx发生器,作为小型HPM辐射系统的高压脉冲源,而Marx自身结构的电绝缘要求是制约其小型化的主要因素之一,通过绝缘设计优化其结构尺寸,并进行3维电场数值模拟分析,不仅对设计能安全工作的Marx发生器具有重要意义,而且对进一步研制更为小型化的Marx发生器提供一定参考。

　　1　1 MV Marx发生器和绝缘要求

　　1 MV紧凑型重频Marx发生器采用了电感隔离充电模式,以减小充电时间,提高工作重频[2]。其电路原理如图1所示,采用±50 kV的脉冲充电电源对双边各12级陶瓷电容并联充电,共有24个2 nF电容,通过触发使各级场畸变开关导通,最终实现24级电容串联放电,输出1 MV,重频50 Hz的负脉冲高压。由于Marx置于一直立金属屏蔽外筒中,在工作时最后一级电容上将有1MV的高电压,因此进行合理的绝缘设计成为了减小外筒尺寸和开关腔体大小以实现Marx发生器整体小型化的有效途径。

　　六氟化硫(SF6)具有优良的绝缘特性,在0.3~0.4 MPa条件下SF6的绝缘特性即可与变压器油相当[3-4],而且也是场畸变开关常用的工作气体,选用SF6作为绝缘气体不仅可以利用其良好的绝缘特性,而且可以把开关腔和金属筒内部作为一体进行充气,不用考虑开关腔和筒内部之间的气体密封问题,使开关腔结构得以尽可能的简化。

　　Marx发生器重频工作中有两处最有可能发生击穿:(1)开关表面有可能在充电时静态高压和导通时的脉冲高压作用下产生沿面闪络;(2)Marx建立后末级电容与外筒有可能产生体击穿[5],属于负脉冲高压下SF6气体的电击穿。本文将通过分析SF6气体分别在静态高压和脉冲高压下的绝缘特性着重对1 MV Marx发生器的开关腔体和外筒结构进行设计,并模拟其3维电场分布,检验设计是否满足0.3 MPa下SF6的绝缘要求。

　　2　直流和脉冲高压下开关绝缘设计和分析

　　充电时各开关的两个电极上电压分别为±50 kV,电位差均为100 kV,此外Marx建立时各级开关中两电极导通即处于同电位,上下相邻两级开关的电极之间依次存在100 kV的脉冲电压,都有可能沿开关腔壁表面发生沿面闪络根据二次电子崩理论(SEEA)可知,产生沿面闪络的原因是:电极与开关绝缘腔体接触的地方如果有小缝隙的存在,三介质交界点的场增强效应使得该处产生少量电子发射,被电场加速打在附近介质表面,产生新的二次电子,如果绝缘子表面场强比较大,且两电极沿绝缘子表面距离比较短,此过程将一直持续,电子通道到达另一电极,最终在介质表面产生沿面闪络。所以设计时应尽量减小电极与开关腔介质接触点的电场强度,并保证有足够的沿面距离,在保持较低的绝缘子表面电场情况下把开关腔优化到最佳尺寸。