Analysis of field distribution characteristics of controllable boundary deformation reverberation chamber
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摘要: 分析了边界形变对混响室谐振频率漂移的影响，并提供了一种边界形变可控的混响室反射面设计。将传统机械搅拌器改变为褶皱墙面，通过控制相邻反射模块的夹角，达到改变边界条件的目的。构建了5 m×4 m×3 m混响室腔体仿真模型，从场均匀性、搅拌效率和场分布规律三个方面分析了边界形变可控混响室的有效性，结果表明测试区域电场标准偏差低于3 dB，搅拌效率高于传统机械搅拌器，测试区域电场服从理想混响室分布规律，该方法可有效增加混响室测试区域空间。Abstract: The influence of boundary deformation on the resonant frequency drift of a reverberation chamber was analyzed, and a design of a reverberation chamber reflector with controllable boundary deformation was proposed. Transforming the traditional mechanical stirrer into a wrinkled wall, the goal is to change the boundary conditions by controlling the angle between adjacent reflection modules. A simulation model of a 5 m×4 m×3 m reverberation chamber was constructed, and the effectiveness of the controllable boundary deformation reverberation chamber was analyzed from three aspects: field uniformity, stirring efficiency, and field distribution. The results show that the standard deviation of the electric field in the test area was less than 3 dB, the stirring efficiency was higher than that of traditional mechanical mixers, and the electric field in the test area followed the ideal distribution pattern of the reverberation chamber. This method can effectively increase the testing area space of the reverberation chamber.
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Blumlein线是一种典型的脉冲形成装置，被广泛应用于强流直线感应电子加速器[1-3]等大型脉冲功率装置中。Blumlein线主放电开关起着连接形成线与负载的作用。电场畸变气体火花开关作为一种主放电开关的重要应用形式常被应用于Blumlein脉冲形成装置中，其优点主要有导通强电流、大电荷量转移、结构简单以及使用方便等。
研究者们主要开展了场畸变气体开关触发系统、长寿命电极材料以及开关电极结构等方面的研究，取得了一些有意义的研究成果[4-8]。对于稳定性和可靠性要求很高的大型脉冲功率装置，如强流直线感应加速器中的Blumlein主放电开关，它除了包含一般场畸变开关的所有部组件外，还包括隔离Blumlein线水介质与主放电开关气室的绝缘子。在装置长时间多发次运行后，绝缘子气体侧会发生沿面闪络现象，沿面闪络的发生严重影响主放电开关的稳定性和可靠性[9-12]。
通过仿真计算来优化绝缘结构达到电场调控的方法已被广泛应用于电气设备与脉冲功率装置中[13-15]。本文应用电场仿真计算方法，在有限边界条件下（仅可局部更换部件）对Blumlein线主放电开关的绝缘结构进行了优化设计，通过对阳极异型螺母和绝缘子的外形结构的优化设计，控制局部区域的电场强度，使得电场沿绝缘子表面的分布均匀化、合理化。开展了在标准雷电波条件下混合气体中的不同构形绝缘子的沿面闪络特性，优化后的绝缘子沿面闪络电压得到了明显的提升。
1. 绝缘结构优化
1.1 问题分析与仿真模型
当Blumlein主放电开关中的绝缘子发生闪络时，就必须停止直线感应加速器的运行进行检修，处理方法为重新抛光绝缘子的表面或更换新的绝缘子。开关中的绝缘子发生闪络的痕迹如图1所示。经过对绝缘子沿面闪络放电路径的分析，对实际使用中可更换的部件进行实体建模，Blumlein线主放电开关气室的二维模型如图2所示。模型主要由阳极（异型螺母）、阴极（法兰）和绝缘子组成。通过优化异型螺母和绝缘子的外形结构来实现绝缘子表面电场分布、阳极三结合点（ATJ）和阴极三结合点（CTJ）处场强的控制，达到提升沿面闪络电压的目的。计算模型中主要的物理参数有：有机玻璃绝缘子的相对介电常数为2.8，体积电阻率为1.0×1014 Ω · cm，阳极异型螺母加载电压300 kV，阴极（法兰）接地。
1.2 仿真计算结果
仿真计算了三种绝缘结构的电场分布，如图3所示。第一种为原始结构，由两个等径伞组成，爬电距离为246 mm，如图3（a）所示；第二种为单伞形结构，在异型螺母不变的情况下，绝缘子的伞形由原来的等径双伞形改为单伞形，爬电距离为200 mm，如图3（b）所示；最后一种为优化结构，即同时优化了异型螺母的尺寸和伞形结构，爬电距离为251 mm，如图3（c）所示。阳极施加300 kV负高压，阴极法兰接地。从计算结果中获取不同构形绝缘子的沿面电场分布，如图4所示。从图中可以看出，单伞结构的表面电场低于原始结构，但是电场沿绝缘子表面的分布变化不大。优化结构的绝缘子表面电场低于原始结构，且电场沿绝缘子分布得到了明显的改善。
图 4 不同构形绝缘子的表面电场分布Figure 4. Surface electric field distribution of different insulators with different configurations表1对比了不同构形绝缘子表面最大场强、阳极三结合点处场强和阴极三结合点处的场强，结果表明优化结构的绝缘子在以上三处的场强都得到了大幅的降低，分别从原来的10.8 kV/mm降至5.28 kV/mm、9.44 kV/mm降至1.42 kV/mm和3.12 kV/mm降至0.92 kV/mm。
表 1 不同构形绝缘子表面电场强度的典型数值Table 1. Electric field strength along insulator surfaceinsulator Emax/(kV·mm−1) EATJ/(kV·mm−1) ECTJ/(kV·mm−1) origin insulator 10.8 9.44 3.12 single umbrella insulator 11.5 11.5 2.88 optimized insulator 5.28 1.42 0.92 2. 实验研究与讨论
由于强流直线感应加速器的脉冲功率系统的最高输出为300 kV的脉冲电压，单次脉冲下沿面闪络电压不易发生，因此，为了研究绝缘结构对闪络电压的影响，本项目开展了在标准雷电波1.2 μs/50 μs脉冲条件下不同构形绝缘子的沿面闪络电压试验。试验采用负极性标准雷电波，试验方法为逐级升压法，以预估击穿电压Ub的60%作为升压的起始电压，每级电压至少进行3次加压，加压后若没有发生闪络，则每次以30 kV为步长，逐级加压。每次升压间隔1 min。首次闪络发生后，继续进行3次加压，如未发生闪络，则认为首次闪络电压为老练电压，继续升压，如发生闪络，则降低5%电压重复以上过程。直至加压后持续发生闪络至少3次，取该电压作为绝缘子的闪络电压。闪络试验的工装设计示意图和实物图如图5所示，试验工装主要由试验套管、六氟化硫气室、绝缘子和变压器油室组成。其中试验套管外绝缘可以耐受1000 kV标准雷电波冲击电压，气室充0.55 MPa的SF6和N2的混合气，二者混合比为1∶4（与实际运行工况相同），绝缘子及法兰尺寸与直线感应加速器中的Blumlein线主开关一致。采用变压器油（Blumlein线中为水介质）对绝缘子背面进行沿面绝缘保护，以确保获得在雷电波冲击电压下绝缘子的沿面闪络发生在气体侧的有效数据。
每种构形的绝缘子试品数量为5件，样品如图6所示，分别进行了雷电冲击波条件下的闪络试验，闪络时延发生在雷电波的波尾，主要分布于4～5 μs之间，试验结果如图7所示，原始结构绝缘子、单伞结构绝缘子和优化结构绝缘子的最低闪络电压分别为540，588和734 kV，最高闪络电压均分别为656，668和900 kV，优化结构绝缘子的最低和最高沿面闪络电压相比原始结构分别提升了约35.9%和37.2%，并且优化结构绝缘子的最低闪络电压要高于原始结构绝缘子和单伞结构绝缘子的最高沿面闪络电压。
图 7 不同构形的绝缘子沿面闪络试验结果Figure 7. Surface flashover tests of different insulators with different configurations3. 结 论
在Blumlein主放电开关中不规则绝缘结构设计时，爬电距离不是主要设计参数，电场的均匀性、阳极三结合点和阴极三结合点的场强控制更为重要。如电极与绝缘介质直接接触（原始结构与单伞结构），由于两种材料的介电常数差异巨大会造成分界面上电场的增强，尤其是电极-绝缘介质-气体三结合点处电场的增强，从而导致沿面闪络电压的降低。本文通过电场仿真计算与分析，采用电极的布置方式与绝缘子的构形相互配合来实现优化设计。首先，对三结合点处的场强进行控制；其次，减少电极与绝缘子表面的接触面积；最后，将电极与绝缘子伞裙保持一定的距离。优化后的绝缘子的最低和最高沿面闪络电压相比原始结构分别提升了约35.9%和37.2%，从而大大提升了直线感应加速器的稳定性与可靠性。
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图 1 边界形变可控混响室反射面设计流程图
Figure 1. Flowchart for the design of reflective surfaces in a controllable boundary deformation reverberation chamber
图 2 常规混响室内壁反射面结构示意图
Figure 2. Schematic diagram of the reflective surface structure on the inner wall of a conventional reverberation chamber
图 3 边界形变可控的混响室内壁反射面结构示意图
Figure 3. Schematic diagram of the reflective surface structure on the inner wall of a controllable boundary deformation reverberation chamber
图 4 机械搅拌混响室和边界形变混响室的独立搅拌位置数量对比
Figure 4. Comparison of the number of independent stirring positions between mechanically stirred reverberation chamber and boundary-deformation-based reverberation chamber
图 5 电场各分量及总电场的频域标准偏差
Figure 5. Frequency domain standard deviation of each component of the electric field and the total electric field
图 6 电场分量实部虚部的概率密度函数
Figure 6. Probability density function of the real and imaginary parts of electric field components
图 7 单一方向电场分量的概率密度函数
Figure 7. Probability density function of electric field components in a single direction
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