MV级真空绝缘堆考核实验平台研制及其应用

为解决绝缘堆真空沿面闪络的问题,研制了面向脉冲功率装置应用的真空绝缘堆耐压考核实验平台,建立了绝缘堆考核实验平台等效电路模型,分析了真空绝缘堆环间闪络对绝缘堆电压的影响。基于该平台开展了三种材料绝缘堆的真空沿面耐压考核实验,验证了真空绝缘堆考核实验平台的实用性与可靠性。该工作的开展为脉冲功率装置真空绝缘堆的工程化研制提供参考,同时为新型绝缘材料的应用研究提供考核实验平台。

PTS装置分层真空轴向绝缘堆设计

对PTS装置分层真空轴向绝缘堆的设计和分析方法进行了研究。利用全电路模拟方法得到了绝缘堆各层的电压波形。利用静电场数值模拟方法,对每层堆中的绝缘环、电极环、均压环、场调整环以及两端接口部分的形状都进行了设计和优化。2维和3维静电场模拟结果表明,绝缘堆的设计能够满足静电场设计要求。采用2维PIC程序初步计算了绝缘堆金属均压环真空侧电子发射对电压分配不均压度的影响,计算结果表明,真空侧的电子发射会较大地影响绝缘堆电压分配的均匀度,进而对绝缘堆的全堆闪络概率造成较大的影响。

PTS装置绝缘堆工作性能的初步分析

绝缘堆为PTS装置的核心部件之一,其工作性能很大程度上决定了PTS装置整机的运行状态。在前期整机调试的基础上,对PTS装置绝缘堆的工作性能进行了介绍与初步分析。基于真空沿面闪络的统计学经验公式和瞬态电磁波分析方法,对实验中出现的两种典型异常电压波形的原因进行了探讨,初步验证了环间闪络引起的瞬态电磁波在绝缘堆内部不同介质中传输、衰减与合成的规律。实验表明,在最高2MV的工作电压下近30发的实验中,绝缘堆未出现贯穿性闪络现象。在实验中也观测到,随着发次的累积,绝缘堆的环间闪络会在随机分布的基础上呈现一定的系统性偏差。

多层轴向绝缘堆的电压电流测量

为获取初级试验平台(PTS)装置分层真空轴向绝缘堆的电压电流,设计、标定了微分型电容分压器和微分环。探头的频响实验表明:绝缘堆电压、电流探头的频响上限分别为270MHz和100MHz。两种探头均采用在线标定方法来确定幅值灵敏度系数。电压探头在标定时应当保留绝缘堆外侧的水介质,以保证探头附近电场分布不发生改变。PTS装置的实验结果表明:当装置外围馈入电流基本均匀时,绝缘堆电压电流测量结果与相关测试结果自洽,与理论值基本符合;当馈入绝缘堆的电流分布不均匀时,不同角向探头测量结果的偏差导致总电流计算结果的误差较大。

多层长渡越时间轴向绝缘堆的闪络概率分析

对基于J.C.Martin经验公式的多层长渡越时间轴向绝缘堆的闪络概率分析方法进行了分析与总结。在对比各种类似分析方法优劣的基础上,提出了一种较为成熟的针对多层长渡越时间轴向绝缘堆的闪络概率分析方法,为类似绝缘堆结构的设计提供了理论依据。同时,对其中的不确定因素和存在的问题也进行了较为详细的分析和讨论,为闪络概率分析方法的进一步完善奠定了基础。

考虑磁场闪络抑制效应的真空绝缘堆闪络概率计算

基于统计学闪络经验公式,计算绝缘堆闪络概率,结果显示:绝缘堆电压峰值越低、电压有效作用时间越短、材料常数越小,则闪络概率越低;在一定绝缘堆电压范围内,绝缘堆半径越小,闪络概率越低。考虑磁场闪络抑制效应,计算了绝缘堆闪络概率。通过电场强度与磁感应强度之比得到磁场开始闪络抑制作用的临界比值。根据绝缘体与电极的夹角以及阴极三相点电场强度与平均电场强度的关系,得到不同的临界比值,比较闪络概率计算结果的差异。计算结果表明:在磁场闪络抑制效应作用下,绝缘堆闪络概率下降。

Z-pinch装置轴向绝缘堆的设计和分析方法

通过分析比较国外Z pinch装置轴向绝缘堆的设计,对轴向绝缘堆设计中的关键问题进行了归纳与总结。在总体描述绝缘堆研制方法和思路的基础上,详细论述了静电场数值模拟、电感参数计算和电路模拟、闪络概率计算、结构稳定性力学分析以及材料选择等绝缘堆研制中的几个关键问题,并对闪络概率分析方法的完善和拓展应用进行了讨论。

高压径向均压绝缘堆设计

以形成线储能结合脉冲压缩方式产生数MV高压输出,是脉冲功率系统中常见的技术途径,其中绝缘堆是该类装置工程成败的关键。分析了几种径向均压绝缘堆的均压机制,基于静电场分析程序对径向均压绝缘堆结构进行了优化设计,给出了径向电阻的设计方法。研究表明:采用均压环且均压环与径向电阻电气接触的绝缘堆结构可以获得较均匀的径向电场分布,而径向电阻是绝缘堆设计的关键。在有效作用时间100ns的4.5MV加载电压下,优化设计的绝缘堆阴极三相点电场控制在25kV/cm,Martin电场约120kV/cm,低于理论击穿值。

基于统计学模型的真空绝缘堆闪络概率计算分析

对比了几种不同类型的过电压因子下绝缘堆闪络概率的特点,考虑了多层均压及圆周渡越时间后得到的闪络概率更能反映绝缘堆耐压水平;简化计算统计学经验公式中矩阵可保持绝缘堆闪络概率计算值准确性并减少过电压因子的静电场计算次数。分析在固定间隙距离下绝缘环个数与电压峰值及电场强度峰值的关系,计算结果表明:存在最优绝缘环个数承受最高电压峰值与电场强度,承受最大工作场强的绝缘环个数下,工作电压幅值已降低很多。在选择绝缘环个数时应综合考虑,该计算方法可应用于工程绝缘结构设计中合理选取绝缘环个数。

真空绝缘堆的电场仿真

真空绝缘堆是脉冲功率系统的重要部件,承担着绝缘支撑以及不同氛围隔离的重要作用,往往也是整个系统的薄弱环节之一。笔者对真空中绝缘堆的不同绝缘结构进行了电场仿真分析,探讨了金属极板的层数、绝缘层与金属极板的位置、两者的比例、绝缘子的角度、电极嵌入对真空绝缘堆电场分布的影响。仿真结果表明:加入金属极板改变了绝缘子表面的电场分布;随着金属极板层数的增多,最大场强是减小的;当金属极板在外面时电场畸变减小;随着绝缘子与金属极板的比例增大,电场畸变随之增大;当绝缘子角度为45°时,电场畸变减小;电极嵌入能够降低三结合点处的电场。该仿真结果有利于真空绝缘堆的设计。

真空绝缘堆均压环的结构优化

采用数值模拟法和有限元网格细化法对比给出电场的合理参考范围,分别选取距离阴极三结合点(0.005)(21/2d)处(d是绝缘体的厚度)和距离阳极三结合点(0.008 5)(21/2d)处的电场强度为参考点。通过优化均压环形状,采用阴极激发闪络和阳极激发闪络两种模型来控制三结合点处的场强,优化得出阴极三结合点处场强值为2.55 kV/mm,阳极三结合点处场强值为23 kV/mm。

“聚龙一号”4层绝缘堆和真空区电路模拟方法

建立了"聚龙一号"驱动器4层绝缘堆和真空区电路模型。在4层绝缘堆入口处,采用预测-校正的计算方法处理4层绝缘堆的输入电流分配问题,避免了复杂的二维电路模拟,既保证了精度,又大大提高了计算效率。将此新模型加入FCM-PTS程序中,与零维负载内爆动力学程序耦合,得到了各层外磁绝缘传输线的电流波形模拟结果,并改善了负载电流峰值的模拟结果与实验结果的一致性。

多层长渡越时间轴向绝缘堆的闪络概率分析

多层长渡越时间的轴向绝缘堆的设计对于Z-Pinch装置及其类似的脉冲功率系统来说至关重要。当常规的Martin经验公式推广到多层长渡越时间轴向绝缘堆的设计中时，要考虑主要的两个影响因素是：（1）多层绝缘的影响；（2）绝缘环长渡越时间的影响。

轴向小型绝缘堆真空沿面闪络实验设计

根据大型脉冲功率装置中的绝缘堆的结构特点,设计了一个新的四层轴向小型绝缘堆.它由四层绝缘环构成,分隔水界面与真空界面.在该绝缘结构开展静电场计算和电路仿真计算后,进行了有机玻璃小型绝缘堆的真空沿面闪络实验,实验结果反映了有机玻璃圆环结构的耐压特性.根据实验结果推算圆环结构下有机玻璃的材料常数,并计算了绝缘堆的闪络概率.圆环绝缘结构的尺寸大于一般真空沿面闪络实验中常用的圆柱与圆台结构绝缘子,结构和尺寸更接近于实际工程应用的绝缘堆结构,从实验结果中得到的关键材料常数将更适用于评估大型绝缘堆结构的闪络概率.

轴向分层绝缘堆环间过电压因子计算方法探讨

对Z箍缩装置中轴向分层绝缘堆在发生层间沿面闪络情况下均压环间过电压因子的计算方法进行了探索。在对国外Z装置绝缘堆计算方法进行推测与对比的基础上，得到了基于静电场模拟的过电压因子的计算方法，为绝缘堆全堆闪络概率的准确分析提供依据。

流体动力学实验用闪光X光机研究进展

闪光X光机是流体动力学等研究领域必不可少的实验诊断装置,物理需求推动其向更高剂量和更小焦斑发展。叙述了几种X光二极管研究现状和关键问题,阐述了适用于不同功率水平的闪光X光机驱动源,分析了阳极杆箍缩和磁浸没二极管的应用前景,讨论了阳极杆箍缩二极管、驱动源发展方向以及实现多幅照相涉及的关键技术。

一种在真空中测量脉冲高电压的电阻分压器

为测量快脉冲直线变压器驱动源(LTD)二极管负载的脉冲高电压,设计了在真空环境中使用的电阻分压器。分压器使用绝缘堆结构,采用静电场模拟分析了分压器的电场分布。建立了包含分布参数的等效电路,并进行了频率响应仿真,可得分压器的频响上限为200 MHz。使用标准高压探头对分压器进行在线标定,分压比标定结果为5 400∶1,与设计值相符合。在LTD调试实验中,模块充电85 kV时二极管电压为1.08 MV,与理论估算结果一致。

X光二极管实验平台初步设计

采用Marx发生器结合水介质同轴线设计了高压脉冲功率源,在X射线二极管负载上可产生数MV高压输出。通过电压波过程分析,给出了在负载上获得最大电压输出条件下的形成线、传输线的阻抗设计原则。通过集中参数电路模型分析,给出了一定预脉冲幅值下形成线、传输线电长度及中储设计原则。结合水介质正极性耐压Martin经验公式进行绝缘设计,二极管采用径向均压绝缘堆结构,给出了整个装置初步方案设计。基于Pspice的全系统电路模拟表明:当中储运行电压为2.6MV时,对3Ω形成线充电电压为3.3MV,并最终在40Ω负载上获得4MV电压输出,且充电过程中负载脉冲幅值约为形成线充电电压的1.2%,在现有条件下,该平台设计指标能够满足实验预期。

大型Z箍缩装置中心汇流区电感计算

为了快速估算大型Z箍缩装置中心汇流区电感,研究Z箍缩装置电功率和能量传输效率的规律,对Z箍缩装置中心汇流区做近似处理,给出了绝缘堆、真空喇叭口、真空磁绝缘传输线、汇流柱等部件电感近似计算公式,建立了一种快速估算Z箍缩装置中心汇流区电感的方法,获得了中心汇流区电感与电气参数(绝缘堆峰值电压)和结构参数(中心汇流区半径及分层数、真空磁绝缘传输线倾角)的定量关系。在此基础上,建立了典型Z箍缩装置简化电路模型,实现了从中心汇流区结构参数→电气参数→输出电流的自洽电路模拟,获得了中心汇流区分层数及半径对Z箍缩装置短路电流的影响规律。计算结果表明:所提电感计算方法获得国际典型Z箍缩装置的中心汇流区电感与文献最大误差为3.3%;中心汇流区电感随分层数增大而减小、随半径先减小后增大,存在使中心汇流区电感最小的优化半径。所提方法可为同类型Z箍缩装置的设计提供理论参考。