CN204012184U - 一种电缆传输多模块汇流的强脉冲电流装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公布了一种电缆传输多模块汇流强脉冲电流装置，由数十个低电感电容器/放电开关模块并联组成，通过数百根低阻抗高电压同轴电缆并联传输至电缆过渡转接器件，通过该电缆过渡转接器件将数百根传输电缆过渡为数十根陶瓷高压电缆连接件，将装置能量传输进入实验真空靶室。本实用新型因负载的不同，可产生幅值2-3MA，上升时间600-800ns强脉冲电流，可进行金属丝的电爆炸产生强X射线辐射源、金属丝电爆炸纳米颗粒材料的制备、或电磁驱动平面斜波加载材料动力学行为研究。

Description

一种电缆传输多模块汇流的强脉冲电流装置

技术领域

本实用新型涉及脉冲功率技术、动高压科学与技术领域，具体是指一种电缆传输多模块汇流的强脉冲电流装置。

背景技术

数兆安培甚至数十兆安培的强脉冲电流装置在材料科学领域的应用研究越来越广泛，主要应用于纳米金属材料的制备、动态载荷下材料的动力学行为研究，也可应用于金属丝阵内爆产生强X射线辐射、金属固体套筒内爆产生强磁压力斜波或冲击柱面压缩材料样品，获得高压力、高温度的极端条件，研究该状态下材料的物理力学性质。

目前，国际上研制这类可重复使用的强脉冲电流装置的技术路线主要有两条路线，一条是多条介质脉冲形成传输线接续放电的大型装置，例如美国圣地亚实验室的Z机器，中国工程物理研究院流体物理研究所的PTS装置。这类装置的特点是装置工作电压高，达数百万伏特（3-6MV）；放电电流大，为10兆安培至数十兆安培；负载的特性阻抗大，为电阻数百毫欧姆，电感数十纳亨利；装置体积大，占地直径数十米（30至60米）。第二条是低电感电容器组并联、平行板传输放电的紧凑型装置，例如美国圣地亚实验室的VELOCE、法国原子研究中心的GEPI、中国工程物理研究院流体物理研究所的CQ-4装置。这类装置的特点是工作电压低，通常在100kV及以下；放电电流中等，为数兆安培；负载的特性阻抗小，为电阻数毫欧姆，电感数纳亨利。这两类装置在材料科学、动高压物理、高能量密度物理等学科领域应用广泛。

上述的传输装置均存在较为明显的缺陷：回路电感、回路电阻较高，同时实验装置的真空度较低，漏率较高，汇流不均匀导致驱动力的不均匀。

实用新型内容

本实用新型的目的在于提供一种电缆传输多模块汇流的强脉冲电流装置，解决目前的实验装置存在的回路电感、回路电阻较高的问题，达到实现回路低电感、低电阻的阻抗特性，获取峰值数兆安培、上升时间数百纳秒的强脉冲电流的目的。

本实用新型的目的通过下述技术方案实现：

一种电缆传输多模块汇流的强脉冲电流装置，包括多组并联的放电开关模块，多组放电开关模块并联后通过低阻抗高压的同轴电缆连接至电缆过度转接器，电缆过渡转接器件通过陶瓷高压电缆连接件与真空靶室连接。本实用新型采用多个低电感电容器/放电开关模块并联组成，然后通过数百根低阻抗高电压同轴电缆并联传输至电缆过渡转接器件，通过该电缆过渡转接器件将数百根传输电缆过渡为数十根陶瓷高压电缆连接件，将装置能量传输进入实验真空靶室，因负载的不同，在该真空靶室中可进行金属丝的电爆炸产生强X射线辐射源、金属丝电爆炸纳米颗粒材料的制备、或电磁驱动平面斜波加载材料动力学行为研究。该强脉冲电流装置的特点是整个回路低阻抗即低电感和低电阻，整个回路电感约10nH，电阻2-4mW。为了实现装置回路的低阻抗设计，本装置采取低阻抗器件多路并联汇流的设计思路；同时为便于装置靶室抽取真空，装置能量传输采用特殊设计的低阻抗高压同轴电缆进行，装置储能部分输出的传输电缆达到二百余根，并联使用，以降低传输部分的阻抗；为便于传输电缆进入靶室，采用电缆过渡转接器件将数百根电缆转接过渡至数十根进入靶室；为解决靶室的密封问题，实现高真空度，进入靶室的传输电缆转接件为专门设计的低阻抗陶瓷高压电缆连接件，该陶瓷连接件可承受50kV以上高电压，漏率不大于1*10^-10Pa×m³/s。工作时，用高压功率源给装置的储能电容器充电至实现预设的电压60-100kV，然后多路输出的高压脉冲触发器输出100-120kV的脉冲电压，触发装置的放电开关，放电开关导通，装置储存在电容器的能量瞬间：亚微秒至微秒释放，通过低阻抗高压电缆传输给位于真空靶室内的负载短路平行板电极、丝阵、金属套筒等，实现预定的研究目标。

所述的放电开关模块包括模块支架，在模块支架上安装有多个储能电容器，在储能电容器上安装有三电极场畸变放电开关、以及接地保护电阻。三电极场畸变开关主要用于实验前隔离装置储能组件与传输线路，以及工作过程中将装置储能释放给负载。接地保护电阻用于泄放传输电缆中的残余电荷，以保护操作人员安全。

三电极场畸变放电开关包括安装在储能电容器上的电容器高压电极转接件、套装在电容器高压电极转接件上的开关高压电极、套装在开关高压电极外侧的开关绝缘筒，开关绝缘筒安装在开关地金属筒上，开关绝缘筒内设置有一个凸台，在该凸台上安装有开关地电极圈，在开关地电极圈上通过开关金属地盖板固定安装有一个开关绝缘子，开关绝缘子上设置有一个与开关地电极圈的接口环相匹配的输出电缆连接通道，在开关地电极圈内侧安装有一个开关地电极片，在开关绝缘子的中部下方安装有一个开关触发电极，开关高压电极、触发电极和地电极成同轴状，触发电极位于开关高压电极和地电极之间距离地电极的三分之一位置处，未施加外触发电压时，开关处于断开状态；当施加幅值达100kV且极性与储能电容器充电电压相反的触发电压时，由于电场畸变导致开关导通放电。电容器的额定电压120kV、工作电压60-100kV；电缆输出放电开关工作介质为干燥空气，充气气压不大于0.5MPa，工作电压60-100kV，工作时由极性与电容器组充电电压相反的快上升率、高脉冲电压触发放电，开关电缆输出通道注满绝缘变压器油，用于防止放电时的沿面闪络。该场畸变放电开关的工作原理为：当储能脉冲电容器充负极性电压U0，放电开关高压电极的电位也为U0，触发电极位于高压电极和输出地电极的1/3位置处，储能脉冲电容器充电的同时给触发电极一个1/3电位，因此触发电极的电位为U0/3，当高压脉冲发生器给一正脉冲电压U时，将高压脉冲触发器和触发电极之间的隔离间隙触发击穿后，触发电极开路形成全反射得到-4U0/3的脉冲，因此高压电极和触发电极之间的电压会变为7U0/3，触发电极和输出地电极之间的电压会变为4 U0/3，两个电极之间的电场同时发生畸变，使开关迅速导通放电。

所述的同轴电缆包括由内而外依次套装的同轴电缆填充芯、同轴电缆内导体、同轴电缆内半导电层,同轴电缆聚乙烯内绝缘、同轴电缆聚四氟乙烯及聚酯带、同轴电缆聚乙烯外绝缘层、同轴电缆外半导电层、同轴电缆外导体、同轴电缆聚乙烯护套。该同轴电缆主要用于传输装置能量，设计要求为低阻抗、承受高电压直流120kV和大电流50kA-100kA，。为实现上述设计指标，特设计如此多层的同轴结构，中心高压电极和外部地电极均设计成空心圆柱状，并各与一层半导电层复合，以进一步降低同轴结构之间的半径比，进而降低电缆的电感。

所述的陶瓷高压电缆连接件包括内部中空的陶瓷瓶，在陶瓷瓶的两端分别安装有陶瓷高压电缆连接器高压电极连接片、陶瓷高压电缆连接器金属连接法兰，在陶瓷高压电缆连接器高压电极连接片上通过螺纹连接有位于陶瓷瓶内的陶瓷高压电缆连接器电缆高压电极转接子，电缆剥除同轴电缆聚乙烯护套、同轴电缆外半导电层与同轴电缆外导体形成的电缆地电极后插入陶瓷瓶，同轴电缆聚乙烯外绝缘层与陶瓷瓶之间填充灌装胶。采用陶瓷高压电缆连接件与电缆过渡转接器件和真空靶室连接，均匀对称进入靶室，而且陶瓷高压电缆连接件可以保证靶室实现较高真空，真空度高于0.1Pa，且保证靶室低漏率，不大于1.5*10^-7 Pa×m³/s。作为与真空靶室重要的连接件，且达数十根，为保证靶室高真空和低漏率，陶瓷高压电缆连接件的陶瓷瓶与电缆的高压电极和地电极的连接采用金属与陶瓷焊接设计，以及用流动性好的高压绝缘胶进行灌封，以保证良好的绝缘性和低漏率，单件陶瓷高压电缆连接件的漏率不大于1*10^-10 Pa×m³/s。高陶瓷压电缆连接件使用金属法兰和橡胶密封圈进行连接和密封。

所述的电缆过渡转接器件包括设置有电缆插口的过渡转接器高压电极，过渡转接器高压电极的安装在尼龙绝缘块与尼龙绝缘盖板形成的腔体内，在尼龙绝缘块上设置有与电缆插口相匹配的尼龙密封套，尼龙绝缘块安装在过渡转接器地壳体内，并利用过渡转接器地盖板密封固定。该电缆过渡转接器件主要用于将电容器/放电开关模块组的数百根输出电缆过渡转接与数十根陶瓷高压电缆连接件进入真空靶室。该过渡转接器的高压电极利用硬铝材料加工而成，一面设计有数百个电缆插接口，与传输电缆的高压电极连接；另一面与陶瓷高压电缆的高压电极连接。过渡转接器高压电极置于一尼龙或聚乙烯材料的绝缘槽中，外面是硬铝材料制作的地电极壳体，其中灌注绝缘变压器油，用于增加绝缘能力和沿面闪络距离。作为装置传输线中的一个重要部件，该电缆过渡转接器需要设计保证低阻抗，电感不大于2nH，电阻在1-2mW或更低。

所述的真空靶室包括通过容器法兰连接的上容器体、下容器体，在上容器体上设置有上观察窗、上测试口，在下容器体上设置有下观察窗、下测试口，在下容器体上设置有电缆连接通道，在下容器体内设置有依次套装的真空靶室高压电极过渡环、真空靶室高压电极，在真空靶室高压电极下方安装有真空靶室连接地电极，在真空靶室高压电极上安装有固定在上容器体内的真空靶室绝缘支撑筒，在电缆连接通道上方的下容器体内壁山安装有真空靶室绝缘筒。本发明的真空靶室是一个多功能的靶室，一是用于安装实验负载进行实验，起到安全防护的作用，同时保证一些实验所需的真空环境要求；二是该靶室设计为低漏率，对一些实验后会形成气溶胶的实验材料可起到隔离作用，保护实验人员和环境的安全。为实现相关功能，设计时需保证靶室所有结构具备漏率不大于1*10^-9 Pa×m³/s或更低的低漏率要求。其中最重要的难点是与数十根传输电缆的连接。本发明设计了独特的低阻抗高压同轴传输电缆和低漏率的陶瓷高压电缆连接件，以满足真空靶室的功能设计要求。

本实用新型与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：

1本实用新型一种电缆传输多模块汇流的强脉冲电流装置，既能实现装置回路低电感、低电阻的阻抗特性，获取峰值数兆安培、上升时间数百纳秒的强脉冲电流外，采用低阻抗高压同轴电缆传输的设计结构，有使得装置可实现高真空、低漏率的实验环境，有利于更多特殊要求的实验开展；

2本实用新型一种电缆传输多模块汇流的强脉冲电流装置，由于其对称的汇流结构，既可实现金属丝阵和金属套筒的均匀内爆驱动，用于金属丝阵或套筒内爆动力学研究；又可实现平面磁驱动斜波加载，用于材料的动力学行为研究；

3本实用新型一种电缆传输多模块汇流的强脉冲电流装置，利用其产生的脉冲大流和高真空环境，可实现金属丝电爆炸纳米颗粒材料的制备。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本实用新型实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本实用新型实施例的限定。在附图中：

图1为本发明整体使用状态结构示意图；

图2为本发明三电极场畸变放电开关结构示意图；

图3为本发明低阻抗高压的同轴电缆结构示意图；

图4为本发明电缆过渡转接器件的结构示意图；

图5为本图4中A-A向剖视图；

图6为本发明陶瓷高压电缆连接件半剖结构示意图；

图7为本发明真空靶室结构示意图；

图8为本发明真空靶室半剖结构示意图；

图9为本发明装置不同充电电压下的短路放电电流曲线。

附图中标记及相应的零部件名称：

1-模块支架，2-接地保护电阻，3-储能电容器，5-同轴电缆，7-电缆过渡转接器件，11-陶瓷高压电缆连接件，14-开关金属地盖板，15-开关地金属筒，16-开关绝缘筒，17-开关绝缘子，18-输出电缆连接通道，19-开关触发电极，20-开关地电极圈，21-开关地电极片，22-开关高压电极，23-电容器高压电极转接件，25-同轴电缆填充芯、26-同轴电缆内导体、27-同轴电缆内半导电层,28-同轴电缆聚乙烯内绝缘、28-同轴电缆聚四氟乙烯及聚酯带、30-同轴电缆聚乙烯外绝缘层、31-同轴电缆外半导电层、32-同轴电缆外导体、33-同轴电缆聚乙烯护套，34-过渡转接器地壳体，35-尼龙密封套，36-电缆插口，37-尼龙绝缘块，38-过渡转接器高压电极，39-尼龙绝缘盖板，40-过渡转接器地盖板，41-陶瓷高压电缆连接器高压电极连接片，42-陶瓷高压电缆连接器电缆高压电极转接子，43-灌装胶，44-陶瓷瓶，45-陶瓷高压电缆连接器金属连接法兰，51-真空靶室上容器体盖板，52-上容器体，53-上观察窗，54-上测试口，55-容器法兰，57-真空靶室绝缘支撑筒，58-真空靶室绝缘筒，59-真空靶室高压电极，60-电缆连接通道，61-真空靶室高压电极过渡环，62-真空靶室连接地电极，63-下容器体，64-下观察窗，65-下测试口。

具体实施方式

为使本实用新型的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本实用新型作进一步的详细说明，本实用新型的示意性实施方式及其说明仅用于解释本实用新型，并不作为对本实用新型的限定。

实施例

如图1至8所示，本实用新型一种电缆传输多模块汇流的强脉冲电流装置，包括四组放电开关模块，每组放电开关模块均包括一个模块支架1，模块支架1采用框架结构，其底部安装有滚轮便于推行，在每个模块支架1上均放置有八个储能电容器3，在储能电容器3上安装有三电极场畸变放电开关、以及接地保护电阻2，接地保护电阻2，通过模块支架1接地，其中三电极场畸变放电开关包括安装在储能电容器3上的电容器高压电极转接件23、套装在电容器高压电极转接件23上的开关高压电极22、套装在开关高压电极22外侧的开关绝缘筒16，开关绝缘筒16安装在开关地金属筒15上，开关绝缘筒16内设置有一个凸台，在该凸台上安装有开关地电极圈20，在开关地电极圈20上通过开关金属地盖板14固定安装有一个开关绝缘子17，开关绝缘子17上设置有一个与开关地电极圈20的接口环相匹配的输出电缆连接通道18，在开关地电极圈20内侧安装有一个开关地电极片21，在开关绝缘子17的中部下方安装有一个开关触发电极19，开关高压电极22、触发电极19和地电极21成同轴状设计与安装，触发电极位于高压电极和地电极之间距离地电极的三分之一位置处，未施加外触发电压时，开关处于断开状态；当施加幅值达100kV且极性与储能电容器充电电压相反的触发电压时，由于电场畸变导致开关导通放电。在输出电缆连接通道18内接入同轴电缆5，同轴电缆5包括由内而外依次套装的同轴电缆填充芯25、同轴电缆内导体26、同轴电缆内半导电层27,同轴电缆聚乙烯内绝缘28、同轴电缆聚四氟乙烯及聚酯带29、同轴电缆聚乙烯外绝缘层30、同轴电缆外半导电层31、同轴电缆外导体32、同轴电缆聚乙烯护套33，将同轴电缆5的另一端插入电缆过度转接器7的电缆插口36，电缆过渡转接器件7整体呈环状，包括过渡转接器高压电极38，过渡转接器高压电极38的安装在尼龙绝缘块37与尼龙绝缘盖板39形成的腔体内，在尼龙绝缘块37上设置有与电缆插口36相匹配的尼龙密封套35，尼龙绝缘块37安装在过渡转接器地壳体34内，并利用过渡转接器地盖板40密封固定，在尼龙绝缘盖板39上设置有电缆插口，在电缆过渡转接器件7的内侧设置有接口，该接口与陶瓷高压电缆连接件11相匹配，陶瓷高压电缆连接件11包括内部中空的陶瓷瓶44，在陶瓷瓶44的两端分别安装有陶瓷高压电缆连接器高压电极连接片41、陶瓷高压电缆连接器金属连接法兰45，在陶瓷高压电缆连接器高压电极连接片41上通过螺纹连接有位于陶瓷瓶44内的陶瓷高压电缆连接器电缆高压电极转接子42，电缆剥除同轴电缆聚乙烯护套33、同轴电缆外半导电层31与同轴电缆外导体32形成的电缆地电极后插入陶瓷瓶44，同轴电缆聚乙烯外绝缘层30与陶瓷瓶44之间填充灌装胶43；陶瓷高压电缆连接器电缆高压电极转接子42通过陶瓷高压电缆连接器高压电极连接片41连接到真空靶室的真空靶室高压电极59，真空靶室包括通过容器法兰55连接的上容器体52、下容器体63，在上容器体52上设置有上观察窗53、上测试口54，在下容器体63上设置有下观察窗64、下测试口65，在下容器体63上设置有电缆连接通道60，在下容器体63内设置有依次套装的真空靶室高压电极过渡环61、真空靶室高压电极59，在真空靶室高压电极59下方安装有真空靶室连接地电极62，在真空靶室高压电极59上安装有固定在上容器体52内的真空靶室绝缘支撑筒57，在电缆连接通道60上方的下容器体63内壁山安装有真空靶室绝缘筒58。本发明的整个装置回路的电参数为：储能容值C=0.6mF*32=19.2mF、短路电感L=11nH和电阻R=3.44mW；当装置工作电压分别为70kV、85kV和90kV时，获得幅值A为2.55MA、3.2MA和3.5MA、上升时间Tr为700ns(0-100%)的强脉冲电流，见图9所示，利用上述强脉冲电流，可开展金属丝的电爆炸制备纳米材料、金属丝阵或套筒内爆动力学以及平面磁驱动斜波加载材料动力学行为等研究

利用本发明装置产生的数兆安培脉冲电流，开展金属套筒的内爆动力学研究。当3.5MA的大电流将初始内径5mm的套筒压缩至1.5mm时，在样品中获得85GPa的磁压力，相对于平面磁压加载而言，是一种更高效的加载方式，可用于高压力下材料的状态方程研究：

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以上所述的具体实施方式，对本实用新型的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本实用新型的具体实施方式而已，并不用于限定本实用新型的保护范围，凡在本实用新型的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种电缆传输多模块汇流的强脉冲电流装置，包括多组并联的放电开关/电容器模块，其特征在于：多组放电开关/电容器模块并联后通过低阻抗高压的同轴电缆（5）连接至电缆过度转接器（7），电缆过渡转接器件（7）通过陶瓷高压电缆连接件（11）与真空靶室连接。

2.根据权利要求1所述的一种电缆传输多模块汇流的强脉冲电流装置，其特征在于：所述的放电开关/电容器模块包括模块支架（1），在模块支架（1）上安装有多个储能电容器（3），在储能电容器（3）上安装有三电极场畸变放电开关、以及接地保护电阻（2）。

3.根据权利要求2所述的一种电缆传输多模块汇流的强脉冲电流装置，其特征在于：三电极场畸变放电开关包括安装在储能电容器（3）上的电容器高压电极转接件（23）、套装在电容器高压电极转接件（23）上的开关高压电极（22）、套装在开关高压电极（22）外侧的开关绝缘筒（16），开关绝缘筒（16）安装在开关地金属筒（15）上，开关绝缘筒（16）内设置有一个凸台，在该凸台上安装有开关地电极圈（20），在开关地电极圈（20）上通过开关金属地盖板（14）固定安装有一个开关绝缘子（17），开关绝缘子（17）上设置有一个与开关地电极圈（20）的接口环相匹配的输出电缆连接通道（18），在开关地电极圈（20）内侧安装有一个开关地电极片（21），在开关绝缘子（17）的中部下方安装有一个开关触发电极（19），开关高压电极（22）、触发电极（19）和地电极（21）成同轴状，触发电极（19）位于开关高压电极（22）和地电极之间距离地电极（21）的三分之一位置处，未施加外触发电压时，开关处于断开状态；当施加幅值达100kV且极性与储能电容器充电电压相反的触发电压时，由于电场畸变导致开关导通放电。

4.根据权利要求1所述的一种电缆传输多模块汇流的强脉冲电流装置，其特征在于：所述的同轴电缆（5）包括由内而外依次套装的同轴电缆填充芯（25）、同轴电缆内导体（26）、同轴电缆内半导电层（27）,同轴电缆聚乙烯内绝缘（28）、同轴电缆聚四氟乙烯及聚酯带（29）、同轴电缆聚乙烯外绝缘层（30）、同轴电缆外半导电层（31）、同轴电缆外导体（32）、同轴电缆聚乙烯护套（33）。

5.根据权利要求4所述的一种电缆传输多模块汇流的强脉冲电流装置，其特征在于：所述的陶瓷高压电缆连接件（11）包括内部中空的陶瓷瓶（44），在陶瓷瓶（44）的两端分别安装有陶瓷高压电缆连接器高压电极连接片（41）、陶瓷高压电缆连接器金属连接法兰（45），在陶瓷高压电缆连接器高压电极连接片（41）上通过螺纹连接有位于陶瓷瓶（44）内的陶瓷高压电缆连接器电缆高压电极转接子（42），电缆剥除同轴电缆聚乙烯护套（33）、同轴电缆外半导电层（31）与同轴电缆外导体（32）形成的电缆地电极后插入陶瓷瓶（44），同轴电缆聚乙烯外绝缘层（30）与陶瓷瓶（44）之间填充灌装胶（43）。

6.根据权利要求1所述的一种电缆传输多模块汇流的强脉冲电流装置，其特征在于：所述的电缆过渡转接器件（7）包括设置有电缆插口（36）的过渡转接器高压电极（38），过渡转接器高压电极（38）的安装在尼龙绝缘块（37）与尼龙绝缘盖板（39）形成的腔体内，在尼龙绝缘块（37）上设置有与电缆插口（36）相匹配的尼龙密封套（35），尼龙绝缘块（37）安装在过渡转接器地壳体（34）内，并利用过渡转接器地盖板（40）密封固定。

7.根据权利要求1所述的一种电缆传输多模块汇流的强脉冲电流装置，其特征在于：所述的真空靶室包括通过容器法兰（55）连接的上容器体（52）、下容器体（63），在上容器体（52）上设置有上观察窗（53）、上测试口（54），在下容器体（63）上设置有下观察窗（64）、下测试口（65），在下容器体（63）上设置有电缆连接通道（60），在下容器体（63）内设置有依次套装的真空靶室高压电极过渡环（61）、真空靶室高压电极（59），在真空靶室高压电极（59）下方安装有真空靶室连接地电极（62），在真空靶室高压电极（59）上安装有固定在上容器体（52）内的真空靶室绝缘支撑筒（57），在电缆连接通道（60）上方的下容器体（63）内壁山安装有真空靶室绝缘筒（58）。