100GW快脉冲直线型变压器功率源

快脉冲直线型变压器驱动源（LTD）是近年来迅速发展起来的一种新型脉冲功率驱动源。基于该技术的脉冲功率装置绝缘要求低、运行维护方便、可以直接产生快脉冲，同时采用模块化设计，参数调整灵活，装置紧凑，可以实现重复频率运行。近十年来，国内外研究机构在LTD关键单元技术方面取得了重大突破，建立起了大量基于LTD的快脉冲高功率装置。鉴于快脉冲LTD技术在Z箍缩驱动源、闪光照相以及其他领域的重要应用前景，2005年至今，我们相继研制了国内个快脉冲LTD原理性模块、100kV/100kA的快脉冲LTD关键技术验证性模块8以及1MA快脉冲LTD模块，并完成了200kV低抖动多间隙开关、非晶磁芯以及多路输出触发器等关键技术研究。本文以100kV/100kA-LTD模块为原型模块，成功设计研制了输出电压/电流分别为1MV/100kA的10级串联LTD装置。

100GW-LTD装置以目前已经研制成功的100kV/100kA快脉冲LTD模块为原型模块，采用了10级相同的LTD模块串联，其中每一级为10个子块（每个子块由2台电容器和1只多间隙气体开关构成）并联，每一级LTD模块含20台100kV/20nF电容器和10只200kV多间隙气体开关，100GW-LTD装置系统共需200台电容器、100只多间隙气体开关，系统标称总储能为20k，输出电压为负极性，设计负载等效阻抗约为10n.装置直径约1.5m，长度（不含负载区）约2.2m.为100GW-LTD结构示意图。

装置设计输出电压为1MV，为了使装置结构紧凑，1MV-LTD装置的次级设计采用真空磁绝缘传输线将功率流传输到负载。由于多级LTD模块串联后，次级输出阻抗将逐渐增加，为了使真空磁绝缘传输线的运行阻抗与LTD模块输出阻抗近似匹配，真空磁绝缘传输线设计为锥形结构，其中后一级LTD模块输出端对应的真空磁绝缘传输线运行阻抗约10fl，与10负载阻抗基本匹配。

2辅助系统2.1触发系统所示为。其中C为储能电容，电容量为8pF；为使回路在复位过程中无反向电流，需使回路处于过阻尼状态，为此，在回路中串联一衰减电阻R，电阻值约为6fl；开关K既是复位回路的导通开关，又是主回路放电时的隔离间隙，使复位回路不从主回路中吸收能量。，电流峰值为4.7kA，持续时间（FWHM）大于30ps，满足磁芯复位设计要求。

2.3测试系统压结构，其中级为水电阻长度分压。采用45°锥的有机玻璃绝缘环和均压环重叠结构，中间采用1根尼龙拉杆固定。

由于被测二极管负载的设计阻值约为10fl，为了使电阻分压器不形成过大的旁路电流，同时兼顾频率响应特性，设计分压器电阻值约为500fl.水电阻总长度为300mm，中间电极距离地电极约4mm，估算低压臂电阻约为6.7fl，分压比约为75：1.级分压器的输出端与输出电缆座之间连接了1个4kfl的固体电阻，当通过输出电缆连接到输入阻抗为50fl的示波器时，第二级分压器的分压比为80：1，因此整个分压器的综电阻分压器结构图合分压比约为6000：1.标定实验结果表明分压器的分压比为5400：1，标定结果与设计值略有差别，主要原因在于分压器中间电极的安装位置存在一定误差。

3实验结果及分析为100GW-LTD装置照片。当装置在高电压运行时，模块腔体充SF6气体作为绝缘介质，开关工作介质为干燥空气。实验中平面二极管间隙约为24mm.LTD次级以及二极管区均为真空环境，真空度约为4X10?3Pa.表1为100GW-LTD全系统调试实验中连续5发实验获得的典型数据。表中，1/1，71，1和只分别为充电电压、负载电压峰值、电压峰值时刻对应的负载电流、负载电压上升时间（1090）、电压波形半高宽以及二极管阻抗。由表可知，二极管负载上获得的电流约为116kA，电压约为1.1MV，电压上升时间约53ns，电压脉宽为146ns，二极管阻抗约为9.4n.装置输出功率大于120GW，已超过该装置初的100GW设计指标。

表1100GW-LTD功率源全系统调试实验典型数据generator100GW-LTD输出电流和电压波形及数据处理得到的功率和阻抗曲线为第3发实验中获得的电流和电压波形及数据处理得到的功率和阻抗曲线。由图可知，电流峰值与电压峰值相比，在时间上有一定程度的滞后，表明二极管阻抗崩溃比较早。

4结论根据前期物理设计结果，100GW-LTD装置以目前已经研制成功的100kV/100kA快脉冲LTD模块为原型模块，由10级同样的快脉冲LTD模块串联而成，系统共需200台100kV/20nF电容器、100只200kV多间隙气体开关，系统标称总储能为20k，输出电压为负极性。次级采用锥形真空磁绝缘传输线将功率流传输到负载，设计负载等效阻抗为10n.装置直径约1.5m，长度（不含负载区）约2.2m.在完成100GW-LTD快脉冲功率源机械加工、安装以及低电压调试之后，终在85kV电容器充电电压下，二极管负载上获得的电流约为116kA，电压约为1.1MV，电压上升时间53ns，电压脉宽146ns，二极管阻抗约为9.4n.装置输出功率大于120GW.