一种用于80 kV直流电源测试的50 Hz/20 kW负载

吕东辉，张 瑜，禹伟荣，李 锐，程 杰，徐秀栋，胡祥刚，吴少彤，张 楠

(西北核技术研究所, 西安 710024)

高压大功率负载主要用于高功率脉冲装置的测试，目前主要使用的负载类型有粒子束二极管负载[1]、电解质溶液型电阻负载和固体型电阻负载[2]等。粒子束二极管负载的电子束建立过程较复杂，难以准确调节阻抗，且会产生X射线，增加了调试难度[3-4]。溶液型负载具有简单方便、成本低廉、寄生电感小、功率容量大及自行恢复性好等优点，可通过改变溶液浓度来调节电阻，被广泛应用于脉冲功率装置的实验测试[5-7]。如，杨实等[8]设计了一种水电阻匹配负载，有效降低了负载回路电感，明显改善了低阻抗脉冲形成线的输出波形；欧阳佳等[9]设计并制作了3 种不同结构的水电阻，作为折叠型平板Blumlein 线的匹配负载, 发现U形水电阻最适合用作折叠型平板Blumlein 线的匹配负载；梁川等[10]在匹配水负载上测试了所研制的0.1 Hz/800 kA驱动源模块，证明了所研制驱动源模块的重复频率运行可行性。

然而，液体介质在特定情况下存在绝缘丧失风险，与液体介质绝缘能力相关的因素有液体极性、液体间隙、脉冲宽度、液体电导率及液体压强等[11]。其中，脉冲宽度的增加会增强电极表面物理化学反应和时间累积效应，大大降低了液体介质的耐压能力[12-13]；液体电导率的增加将导致更大的离子电流和更多的焦耳热，使液相放电更易从气泡内开始[14]。微秒量级甚至更小的电压脉冲宽度，会提升高导电液体的预击穿电流，并迅速降低液体放电起始电压和击穿电压[14-15]。

针对80 kV直流电源重复频率运行测试中出现的负载电容放电后形成反压导致电源重复频率充电起始基线漂移的问题，从理论和仿真2方面分析得出电源测试回路中用到的水负载被击穿后形成反压之后，按过阻尼缓慢释放是上述问题形成的原因。数十微秒的电压脉冲前沿和百欧姆电阻要求导致的高电导率限制了液体电阻负载绝缘能力的进一步提高。

为此，研制了一套由三电极触发气体开关和固态吸收电阻组成的重复频率大功率负载系统。其中，固态吸收电阻为100 Ω，吸收功率大于20 kW。重复频率大功率负载系统可50 Hz连续运行，具备耐受80 kV微秒量级放电电压能力。实验结果证实，所研制的重复频率大功率负载系统解决了电源重复频率充电起始基线漂移、负载充电时间延长导致充电不满的问题，提升了电源测试重复频率运行的稳定性。

1 电源测试原理

图1为电源测试原理图。电源测试系统由待测试的直流电源、高压开关、高压脉冲电容、触发器、气体开关、电阻负载、北极星PVM-100高压测量探头、示波器及控制计算机等组成。

图1 电源测试原理图Fig.1 Schematic diagram of power supply test

控制计算机对电源测试回路重复频率运行的控制过程为

(1) 控制计算机根据电源测试回路重复运行频率f控制高压开关闭合，直流电源输出指定高压Uout0给脉冲电容进行充电。

(2) 充电计算机检测充电时间T，如充电时间t超过给定阈值Tch，则给出充电超时报警信号，高压接地开关断开，测试回路不再运行。

(3) 如直流电源在约定时间内完成对高压脉冲电容的充电，即有脉冲电容两端电压Uout=Uout0，则控制计算机切断高压开关，结束充电，并给出触发信号到触发器，触发器触发气体开关导通，脉冲电容完成对负载电阻的1次放电，气体开关自动关断。

(4) 如重复运行次数未达到约定值N，则重复步骤(1)，达到则结束运行。

2 反压现象及成因分析

2.1 反压现象

设定直流电源输出电压Uout0为70 kV，电源测试回路重复运行频率f为50 Hz，目标重复频率运行次数N为1 000，脉冲电容充电时间阈值Tch为16 ms。当Uout0=70 kV时，水负载下实测电压波形如图2所示。由图 2可见，当前参数设置下的脉冲电容充电峰值电压约为76.68 kV，在电路重复频率运行9次后，脉冲电容充电时间t=16.12 ms>Tch，重复频率运行停止。为缓解此现象，将脉冲电容充电电压Uout0降为50 kV，其他参数不变，得到实测电压波形，如图3所示。由图 3可见，虽然测试回路1 000次重复频率运行成功，但回路反压问题未得到解决。反压问题的重复出现进一步的表征为回路放电后地线基准的漂移及脉冲电容充电电压峰值的逐渐增加。

图2 Uout0=70 kV，水负载下实测电压波形Fig.2 Waveform of measured voltage under water load when Uout0= 70 kV

图3 Uout0=50 kV，水负载下实测电压波形图Fig.3 Waveform diagram of measured voltage under water load when Uout0= 50 kV

2.2 反压成因分析

根据图 1所示的电源测试原理图，电源测试回路反压的形成必然由RLC电路的欠阻尼振荡导致。已知高压脉冲电容的电容C为120 nF，通过电桥测试得到的水电阻负载在20 kHz时的电阻R为130 Ω。脉冲放电回路电感L为10 μH时，满足

(1)

由式(1)可知，欠阻尼振荡无法发生。因此，推测放电瞬间，水电阻负载被击穿，电阻值迅速下降，导致式(1)不再满足，欠阻尼振荡及反压形成。 反压形成之后，由于高压气体开关绝缘恢复，开关电阻迅速攀升。反压来不及回0，回路已处于过阻尼状态。回0缓慢的反压进一步导致后续充电超时故障。经现场验证，水负载绝缘外壳存在明显爬电痕迹，如图4所示。

图4 水负载绝缘外壳爬电痕迹Fig.4 The trace of electricity on the water load shell

为进一步说明水负载瞬时击穿是毫秒量级反压形成的原因，作电路模拟。图5为水电阻负载击穿下的电源测试模拟回路。

图5 水电阻负载击穿下的电源测试模拟回路Fig.5 Simulation of power supply test circuit under breakdown of water resistance load

图5中：C3为反压吸收电容；Lch为气体开关火花通道电感；Lch1～Lch6为回路寄生电感；Rch1～Rch2为连线电阻；Rout1～Rout2为回流限流电阻；D1～D4为电源内部整流桥；Rgap为气体开关绝缘电阻；RL1为水负载击穿电阻；RL2为水负载正常电阻；CRL1～CRL2为水电阻负载电感。

设定脉冲电容及反压吸收电容初始时刻的充电电压为-70 kV；水负载被击穿后的电阻为1 Ω；水负载寄生电感为100 pF；气体开关火花通道电感为11.2 nH。0.9 μs后，气体开关恢复绝缘，电阻值攀升至5 kΩ。水负载电阻恢复到正常的100 Ω，寄生电感仍为100 pF，以此参数设定作电路模拟，得到水负载情况下，脉冲电容电压Uout随时间t的变化关系，如图6所示。

图6 水负载系统脉冲电容电压随时间的变化关系Fig.6 Uout vs. t of the water resistance system

对比如图 6所示的模拟反压和图 2所示的实测电压可见，图 6很好地模拟了水负载被击穿后反压形成与缓慢复0的过程，理论上说明水电阻负载被击穿是毫秒量级反压产生的原因。

3 重复频率大功率负载系统研制

通过以上分析知，电源测试电路反压的形成是由于水负载耐压不够导致。为克服上述问题，拟设计一套重复频率大功率负载系统，包括三电极触发型气体火花开关和固态吸收电阻系统2部分，图7为重复频率大功率负载系统结构，触发气体开关如图8所示。

图7 重复频率大功率负载系统结构Fig.7 Structure of repetitive high-power load system

图8 触发气体开关Fig.8 Gas switch

提升特定阻值条件下，后级吸收电阻在微秒量级脉冲下的绝缘能力是克服反压及引起的一系列问题的关键。然而，在数十微秒的电压脉冲前沿和百欧姆的电阻要求下，难以进一步提升液体电阻负载的绝缘能力。所以，本文拟研制一种大功率固态吸收电阻系统，避免回路反压问题并提高电源测试回路重复频率运行的可靠性。

根据电源测试系统要求，给出固态吸收电阻系统的关键技术参数，如表1所列。

表1 固态吸收电阻系统的关键技术参数Tab.1 Key parameters for high power solid state absorption resistance system

为满足表1指标要求，计划通过多支电阻的串并联完成大功率固态电阻系统的设计。

首先，大功率固态电阻系统是为吸收前级脉冲电容所积蓄能量，脉冲电容C为120 nF，充电电压U为80 kV时，则单次放电能量为

(2)

当电源测试回路按频率50 Hz运行1 s时固态电阻系统需吸收的能量为

E=50E0=19.2 kJ

(3)

电阻R=100 Ω的固态电阻系统的耐受功率P应满足

P≥19.2 kW

(4)

若固态电阻系统通过m级子系统串联，每一级子系统通过n支电阻并联得到，则每个单只电阻需承受的功率Pm,n可表示为

(5)

单只电阻Rm,n可表示为

(6)

单只电阻耐压Um,n可表示为

(7)

结合当前技术条件和市场调研，确定使用玻璃釉类型电阻。通过20只电阻并联得到固态电阻子系统，通过5级电阻子系统串联得到固态电阻系统。根据式(5)-式(7)得到单只电阻的耐受功率及耐受电压应分别大于192 W，16 kV，单只电阻应为400 Ω，据此选定单只电阻额定功率为200 W，电阻为400 Ω，耐受电压为60 kV。通过对单只电阻的串并联，得到固态电阻系统，模型如图 9所示。

图9 固态电阻系统模型Fig.9 Model of the solid resistance system

4 重复频率大功率负载系统性能验证

为验证所提出方案的有效性，作电路仿真，图10为固态电阻下的电源测试模拟回路。

图10 固态电阻下的电源测试模拟回路Fig.10 Simulation of power supply test circuit under the solid resistance

通过以上参数设定，得到固态电阻情况下，脉冲电容电压随时间的变化关系，如图11所示。

图11 固态电阻系统脉冲电容电压随时间的变化关系Fig.11 Uout vs. t for the solid resistance system

由图11可见，当固态电阻耐受电压为80 kV时，回路反压现象在理论上可被避免。为验证固态电阻系统的电学性能，通过阻抗分析仪分析了图10所示固态电阻子系统的电阻及电感随频率的变化关系分析，如图 12所示。

图12 固态电阻子系统的电阻及电感随频率的变化关系Fig.12 Resistance and inductance vs. frequency for the solid resistance subsystems

由图 12可见，在频率为102～ 106Hz时，固态电阻子系统的电阻稳定在约20 Ω，固态电阻子系统的电感始终小于10 μH，满足设计指标。

用所设计的固态电阻负载系统替换水电阻负载，设定高压整流输出单机的充电电压Uin0为300 V，输出电压Uout0为80 kV，电源测试回路运行频率f为50 Hz，目标重复频率运行次数N为1 000。通过北极星PVM-100高压探头测得固态电阻系统脉冲电容两端电压Uout波形，如图 13所示。

(a) Whole

(b) Local图13 固态电阻系统脉冲电容两端电压波形Fig.13 Voltage waveform of the solid resistance system

由图13可见，在使用固态电阻系统的条件下，电源测试回路1 000次重复频率运行正常。脉冲电容无反压，地线基准无明显漂移。脉冲电容充电电压峰值稳定在80.78 kV左右，与设定值相当。重复频率运行过程中，固态电阻系统无明显发热及放电等异常现象。

5 结论

本文针对80 kV直流电源测试中，由回路反压导致的地线基准漂移、充电电压增加和脉冲电容充电超时的问题作了分析，证明了电源测试中所使用的水电阻负载耐压不足是导致上述问题的原因，设计了一套由三电极触发气体开关和固态吸收电阻组成的重复频率大功率负载系统。仿真和实测结果表明，该系统能避免回路反压和提高电源测试重复频率运行的稳定性。