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CSNS/RCS脉冲电源均匀传输线障碍点分析

翟军 陈裕凯 李海波 周国仲 沈莉

翟军, 陈裕凯, 李海波, 等. CSNS/RCS脉冲电源均匀传输线障碍点分析[J]. 强激光与粒子束. doi: 10.11884/HPLPB202032.200107
引用本文: 翟军, 陈裕凯, 李海波, 等. CSNS/RCS脉冲电源均匀传输线障碍点分析[J]. 强激光与粒子束. doi: 10.11884/HPLPB202032.200107
Zhai Jun, Chen Yukai, Li Haibo, et al. Analyses of barrier points of uniform transmission line for CSNS/RCS pulse power supply[J]. High Power Laser and Particle Beams. doi: 10.11884/HPLPB202032.200107
Citation: Zhai Jun, Chen Yukai, Li Haibo, et al. Analyses of barrier points of uniform transmission line for CSNS/RCS pulse power supply[J]. High Power Laser and Particle Beams. doi: 10.11884/HPLPB202032.200107

CSNS/RCS脉冲电源均匀传输线障碍点分析

doi: 10.11884/HPLPB202032.200107
基金项目: 国家自然科学基金项目(11805218)
详细信息
    作者简介:

    翟 军(1983—),男,硕士,从事高压大功率脉冲电源研究;zhaij@ihep.ac.cn

  • 中图分类号: TL507

Analyses of barrier points of uniform transmission line for CSNS/RCS pulse power supply

  • 摘要: 通过研究均匀传输线特征阻抗失配原理,发现传输电缆特征阻抗失配会导致负载终端励磁电流幅值发生畸变。对电源主电路关键参数进行分析,发现均匀传输线匹配阻抗失配会造成磁铁处励磁电流幅值变小,上升时间变短。建立均匀传输线障碍点等效模型,推导出脉冲电源传输线障碍点处反射系数,对串联电阻和并联电阻障碍点深入分析,发现传输线特征阻抗失配,会导致匹配负载处有功功率减小。最后通过高压电缆被击穿故障使其得以验证。
  • 图  1  脉冲电源结构图

    Figure  1.  Structure of pulsed power supply

    图  2  均匀传输线障碍点等效模型

    Figure  2.  Equivalent model of the barrier point in the uniform transmission line

    图  3  励磁电流幅值波形曲线

    Figure  3.  Amplitude curve of excitation current

    表  1  PFN调试实验

    Table  1.   The experiments of PFN

    first inductance/nHsecond inductance/nHrise time/nsflatness/%
    310310278±1.7
    170310274±1.5
    170170270±1.2
    110170264±0.9
    110110262±1.1
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    表  2  传输线特征阻抗匹配实验

    Table  2.   The matching experiments of characteristic impedance in transmission line

    transmission cable
    impedance/Ω
    matching resistance
    matching impedance of
    transmission line/Ω
    characteristic impedance of
    transmission line/Ω
    12.512.56.256.25
    16.712.57.26.25
    12.5146.66.25
    16.7147.66.25
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出版历程
  • 收稿日期:  2020-06-09
  • 修回日期:  2020-09-03
  • 网络出版日期:  2020-10-24

CSNS/RCS脉冲电源均匀传输线障碍点分析

doi: 10.11884/HPLPB202032.200107
    基金项目:  国家自然科学基金项目(11805218)
    作者简介:

    翟 军(1983—),男,硕士,从事高压大功率脉冲电源研究;zhaij@ihep.ac.cn

  • 中图分类号: TL507

摘要: 通过研究均匀传输线特征阻抗失配原理,发现传输电缆特征阻抗失配会导致负载终端励磁电流幅值发生畸变。对电源主电路关键参数进行分析,发现均匀传输线匹配阻抗失配会造成磁铁处励磁电流幅值变小,上升时间变短。建立均匀传输线障碍点等效模型,推导出脉冲电源传输线障碍点处反射系数,对串联电阻和并联电阻障碍点深入分析,发现传输线特征阻抗失配,会导致匹配负载处有功功率减小。最后通过高压电缆被击穿故障使其得以验证。

English Abstract

翟军, 陈裕凯, 李海波, 等. CSNS/RCS脉冲电源均匀传输线障碍点分析[J]. 强激光与粒子束. doi: 10.11884/HPLPB202032.200107
引用本文: 翟军, 陈裕凯, 李海波, 等. CSNS/RCS脉冲电源均匀传输线障碍点分析[J]. 强激光与粒子束. doi: 10.11884/HPLPB202032.200107
Zhai Jun, Chen Yukai, Li Haibo, et al. Analyses of barrier points of uniform transmission line for CSNS/RCS pulse power supply[J]. High Power Laser and Particle Beams. doi: 10.11884/HPLPB202032.200107
Citation: Zhai Jun, Chen Yukai, Li Haibo, et al. Analyses of barrier points of uniform transmission line for CSNS/RCS pulse power supply[J]. High Power Laser and Particle Beams. doi: 10.11884/HPLPB202032.200107
  • 中国散裂中子源[1](CSNS)是由一台负氢离子(${\rm{H}}^ - $)直线加速器[2]、一台快循环同步加速器(RCS)、一个靶站、5台谱仪组成。直线加速器将${\rm{H}}^ - $加速到80 MeV,然后再剥离掉两个电子成为质子的同时,将质子注入到RCS中。质子束流在RCS中积累并加速到1.6 GeV后,被引出轰击钨靶,产生高通量中子,中子经慢化后引向谱仪,供用户开展实验研究。引出脉冲电源系统[3-7]是CSNS(中国散裂中子源)/RCS(快循环同步加速器)重要组成部分,它的长期稳定可靠运行是质子束流顺利引出和打靶的关键。本文通过建立脉冲电源均匀传输线障碍点等效模型,推导出障碍点反射系数,发现传输线上存在障碍点时会形成反射波和透射波,最终造成匹配负载处有功功率减小;结合脉冲电源主电源关键参数,对障碍点串联电阻和并联电阻等效模型进行分析,当脉冲电源系统出现串联电阻障碍点时,要及时处理。

    • 引出脉冲电源系统采用Blumlein型人工线充放电在负载上形成梯形脉冲电流,如图1所示,使用传输电缆终端短路接法将负载电流加倍。电源工作电压为45 kV,在负载上产生的脉冲电流幅值为6.666 kA;采用闸流管作为放电开关,保证快速的脉冲前沿和较小的时间抖动;利用匹配电阻和高压同轴电缆组成人工线放电的匹配负载,同时利用传输线将电流脉冲从电源传送至冲击磁铁负载。

      图  1  脉冲电源结构图

      Figure 1.  Structure of pulsed power supply

    • 脉冲电源主电路采用Blumlein型人工线、匹配电阻和高压传输电缆等部分组成,并且PFN的负载为匹配电阻和传输电缆的并联电路,因此PFN在放电时,在传输电缆两端的脉冲电压幅值为PFN的充电电压${V_{\rm{c}}}$,而磁铁等同于传输电缆的短路终端,因此,负载上的励磁电流幅值为入射电流幅值的2倍,励磁电流幅值${I_{\rm{m}}}$和充电电压${V_{\rm{c}}}$存在着如下关系

      $${I_{\rm{m}}} = \frac{{2{V_{\rm{c}}}}}{{{Z_{{\rm{cable}}}}}}$$ (1)

      其中,${Z_{{\rm{cable}}}}$为传输电缆特征阻抗。励磁电流脉冲的上升时间和传输电缆的阻抗有如下近似关系

      $$t \approx {t_1} + {t_2} \approx {t_1} + k\frac{L}{{{Z_{{\rm{cable}}}}}}$$ (2)

      式中:${t_1}$为PFN放电时脉冲上升时间,${t_2}$为高压传输电缆感性负载导致的脉冲上升时间,k为常数。其中,${t_1}$与PFN杂散电感和电容电感有关;${t_2}$与传输电缆特征阻抗${Z_{{\rm{cable}}}}$成反比,当特征阻抗增加时,上升时间减小。

      图1可知,脉冲电源传输线的匹配阻抗为高压传输电缆和匹配吸收电阻并联组成,其中高压传输电缆特征阻抗为4根阻抗相同的高压电缆并联组成;匹配吸收电阻阻抗是由10块阻值相同的体电阻并联组成。因此,PFN阻抗${Z_{{\rm{PFN}}}}$、匹配电阻的阻值${R_{\rm{m}}}$和传输电缆的阻抗${Z_{{\rm{cable}}}}$有如下关系

      $$2{Z_{{\rm{PFN}}}} = \frac{{{R_{\rm{m}}}{Z_{{\rm{cable}}}}}}{{{R_{\rm{m}}} + {Z_{{\rm{cable}}}}}}$$ (3)
      $${R_{\rm{m}}} = {Z_{{\rm{cable}}}}$$ (4)

      PFN阻抗${Z_{{\rm{PFN}}}}$也可以表示成

      $${Z_{{\rm{PFN}}}} = \sqrt {{{{L_0}} / {{C_0}}}} $$ (5)

      式中:${L_0}$${C_0}$为PFN人工线的节电感和节电容。在此引出脉冲电源系统中,PFN人工线每节电容量相等,通过调节每节电感量,实现励磁电流核心参数中脉冲上升时间和平顶平坦度调节。通过以上公式推导,匹配负载处有功功率可以表示为

      $${P_V} = \frac{1}{2}{I_{\rm{m}}}^2{Z_{{\rm{cable}}}}$$ (6)

      在充电高压不变的情况下,当高压电缆阻抗增加时,磁铁端励磁电流减小,同时有功功率减小。

      通过脉冲电源主电路参数分析可知,高压传输电缆或者匹配电阻特征阻抗增加,会导致PFN人工线特征阻抗失配,造成励磁电流上升时间减小;当节电感减小时PFN阻抗同时减小,上升时间也会变短;匹配负载变大时,通过有功功率公式可以推出磁铁终端励磁电流幅值变小。

    • 若在传输线始端馈以电压源,就会产生一个自传输线始端传向终端的前向波。如果传输线的均匀性遭到破坏,就会构成障碍点,并引起反射。根据电磁波的传输理论[8]可知,在任何一点处的电压反射系数${P_{\rm{u}}}$和电压透射系数Γ

      $${P_{\rm{u}}} = \frac{{{R_2} - \rho }}{{{R_2} + \rho }}$$ (7)
      $$\varGamma = {{{P}}_{\bf{u}}} + 1$$ (8)

      式中:${R_2}$为终端电阻,$\rho $为传输线特性阻抗。

      反射不一定只发生在均匀传输线的终端或始端,在均匀传输线上任意一点,只要均匀性遭到破坏,也会构成障碍点,从而引起反射。在这类障碍点上,为求出电压反射系数,必须从入射波的前进方向看过去算出总的负载电阻然后带入公式(1)中求出反射系数。在一段均匀传输线中引入障碍点[9],等效模型如图2所示,(a)为串联电阻障碍点等效模型,(b)为并联电阻障碍点等效模型。

      图  2  均匀传输线障碍点等效模型

      Figure 2.  Equivalent model of the barrier point in the uniform transmission line

      当把障碍点看成串联电阻时,图2(a)模型障碍点反射系数为

      $${P_{\rm{u}}} = \frac{{(R + \rho ) - \rho }}{{(R + \rho ) + \rho }} = \frac{R}{{R + 2\rho }}$$ (9)

      当把障碍点看成并联电阻时,图2(b)模型障碍点反射系数为

      $${P_u} = \dfrac{{\dfrac{{R\rho }}{{R + \rho }} - \rho }}{{\dfrac{{R\rho }}{{R + \rho }} + \rho }} = - \dfrac{\rho }{{2R + \rho }}$$ (10)

      通过公式(3)和(4)可知,当脉冲电源高压电缆或者匹配电阻的特征阻抗增加时,会造成PFN人工线匹配电阻失配,使得负载端励磁电流减小。由均匀传输线分析可知,当匹配电阻瞬间增加时,可以看作在匹配端串联一电阻,如图2(a)模型所示。

      引出脉冲电源励磁电流核心参数上升时间和平顶平坦度的调试,是通过调节PFN人工线实现的,此电源PFN人工线采用的是等电容模型,通过调试人工线电感和杂散电感实现参数调节。因此,当减小第一节和第二节电感量时,由公式(5)可知,PFN的特征阻抗${Z_{{\rm{PFN}}}}$会减小,导致匹配电阻失配,由均匀传输线分析可知,当PFN人工线电阻瞬间减小时,可以看作人工线特征阻抗并联一电阻,如图2(b)模型所示。但实际上PFN人工线节电感电感量的变化在几十nH之间,只是当作参数调节,因此,失配可以忽略。

      总之,当均匀传输线存在障碍点时,在传输线的始端和终端,会形成无穷多反射波和透射波,并产生光栅效应,最终造成匹配负载处传输有功功率[10]损失。因此,从引出脉冲电源本身讲,当脉冲电源系统出现串联障碍点时,我们要关注电源状态,查找串联障碍点的原因。

    • 在引出脉冲电源系统实验中,励磁电流关键参数调试和电源高功率稳定可靠运行是关键,其中励磁电流关键参数调试主要通过调节PFN人工线电感量来实现,如表1所示,虽然调试过程中均匀传输线上会出现并联障碍点,但对电源影响不大;但当均匀传输线上串联障碍点出现时,如表2所示。

      表 1  PFN调试实验

      Table 1.  The experiments of PFN

      first inductance/nHsecond inductance/nHrise time/nsflatness/%
      310310278±1.7
      170310274±1.5
      170170270±1.2
      110170264±0.9
      110110262±1.1

      人工线特征阻抗匹配电阻会发生失配,直接导致励磁电流波形畸变,电流幅值减小,上升时间变短。通过电源主电路和均匀传输线串联障碍点分析可知,是由高压电缆或者匹配电阻阻抗变大所致,考虑到匹配电阻采用的是体电阻,体电阻稳定可靠,因此,我们判断可能是高压电缆出现故障。如图3所示波形曲线,在进行高压实验过程中,发现磁铁端励磁电流波形曲线发生畸变并且幅值减小,其中1通道为负载处励磁电流波形曲线,2通道为匹配电阻处电流波形曲线,经过现场检测发现,4根并联高压电缆中的一根被击穿,导致高压传输电缆阻抗增大,使得脉冲电源均匀传输线匹配阻抗变大,形成了脉冲电源均匀传输线串联障碍点。

      表 2  传输线特征阻抗匹配实验

      Table 2.  The matching experiments of characteristic impedance in transmission line

      transmission cable
      impedance/Ω
      matching resistance
      matching impedance of
      transmission line/Ω
      characteristic impedance of
      transmission line/Ω
      12.512.56.256.25
      16.712.57.26.25
      12.5146.66.25
      16.7147.66.25

      图  3  励磁电流幅值波形曲线

      Figure 3.  Amplitude curve of excitation current

    • 本文对脉冲电源主电路关键性参数进行分析,建立了均匀传输线障碍点等效模型,根据脉冲电源特性推导出了输出传输线反射系数,发现在传输线阻抗失配条件下,传输线在始端和末端会形成反射波和透射波,使得匹配负载处有功功率变小;通过进一步对脉冲电源主电路关键性参数进行分析,建立了障碍点串联电阻等效模型和并联电阻等效模型,证明在均匀传输线特征阻抗失配条件下,脉冲电源磁铁负载处励磁电流幅值会变小,上升时间变短。同时也印证了磁铁负载处有功功率会减小。最后通过一组高压电缆被击穿实验波形验证了此推论。

参考文献 (10)

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