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1、第13卷 第6期强激光与粒子束Vol.13,No.62001年11月HIGHPOWERLASERANDPARTICLEBEAMSNov.,2001文章编号:100124322(2001)0620717204①强激光脉冲电源系统故障分析和对策11111刘克富, 秦实宏, 李 劲, 潘 垣, 姚宗干,22222郑万国, 郭良福, 周丕璋, 力一峥, 陈德怀(1.华中科技大学脉冲功率研究与发展中心,湖北武汉430074;2.中国工程物理研究院激光聚变研究中心,四川绵阳621900) 摘 要:详细分析了强激光脉冲电源系统可能存在的故障问题,通过电路模拟给出了故障电流波形。在此基础上提出了电源系统故障
2、保护的方法和对策,这对于电源系统的设计和安全运行具有十分重要的意义。 关键词:强激光; 脉冲功率电源; 故障分析和保护 中图分类号:TN24文献标识码:A 能源模块是惯性约束核聚变实验装置的关键技术之一,大功率脉冲电源为氙灯负载提供满足要求的能量、功率和波形。安全可靠运行是脉冲电源系统重要性能指标之一。神光2Ë能源模块采用高储能密度电容器为储能单元,运行在高电压、大电流脉冲状态,由于各种原因,导致故障发生是难以避免的,美[1]国NIF装置在试验过程中就曾发生过类似的故障,如母线短路、闪光灯击穿等。由于电容器老化,运行参数降低,造成电容器短路爆炸也常有发生。故障引起的破坏力是很大的,可能造
3、成设备损坏,甚至威胁人身安全。因此在电源设计过程中应当充分考虑到可能存在的故障情况,提出相应的对策和保护措施,使故障造成的损失减少到最小程度。本文正是基于这样的目的,对神光2Ë能源模块可能发生的几种故障进行分析和模拟,得到了计算波形,在此基础上提出了相应的保护方案。1 能源系统故障分析和模拟 如图1所示为能源系统简化电路图:电容器Cp、电感Lp及开关K1构成预电离支路;C1,C2,⋯,C100为主放电电容器;L1,L2,⋯,L100为限流电感;Lt1,Lt2,⋯,Lt10为调波电感;T1,T2,⋯,T10为传输电缆;X1,X2,⋯,X10为10路为氙灯负载。以上回路参数,可以根据氙灯负载能量
4、、电流波形以及效率要求确定。能源系统工作原理是:在所有电容器充电完毕后,首先预电离引燃管触发导通,预电离电容器对氙灯负载放电,形成预电离脉冲;延时一定时间后,触发主引燃管导通,由主电容器对Fig.1Simplifiedschematiccircuitofthepowersupplysystem图1 能源系统简化电路图氙灯放电,形成主放电脉冲。 主电容器组由100台电容器并联而成,出现故障的可能性较多,而预电离支路电容器很少,发生故障的可能性较小,因此我们主要分析主电容器以及负载支路可能出现的故障。它包括单台电容器击穿、母线短路、氙灯短路和开路等故障。这些故障将对限流电感、调波电感、连接母排及
5、电缆产生强大的冲击力作用,以及瞬态过电压作用,在电源系统设计过程中应当充分考虑到最严重故障状态,设计相应的电流电压过载倍数,留有一定裕度,在控制和监测以及充电单元设计时也应当考虑到故障状况,保证系统安全可靠运行。①收稿日期:2001201208;修订日期:2001208211基金项目:国家863惯性约束聚变领域资助课题(863241627.3)作者简介:刘克富(19632),男,安徽桐城人,副教授,博士,研究方向为脉冲功率技术和等离子体技术应用。©1995-2005TsinghuaTongfangOpticalDiscCo.,Ltd.Allrightsreserved.718强激光与粒子束第1
6、3卷1.1 主电容器组短路故障1.1.1 单台电容器击穿短路 能量模块是以金属介质自愈式电容器为储能元件,这种高压脉冲电容器储能密度较高,但如果冲击电流以及反向过电压超过允许值将大大减少使用寿命。对电容器而言,最常见故障是在充电或放电过程中发生单台电容器介质击穿导致短路。100台电容器相并联运行,一旦某台电容器短路,所有其他正常电容器通过故障支路释放能量,如图2所示为电容器充电到最大电压U0=23kV,限流电感L=100LH时,单台电容器击穿短路电流波形。可以看出单台击穿短路时,在该支路将产生高达80kA峰值电流(不考虑电容器内电阻,而计入限流电感电阻),冲击电流对限流电感产生巨大电动力冲击
7、和热负荷冲击,可能导致限流电感烧毁甚至爆炸,因此必须尽快将故障支路断开。Fig.2CurrentwaveformwhenFig.3Currentwaveforminasetofcapacitorwhenasetofcapacitorbreakdownthemainbusshortcircuittoground图2 单台电容器击穿短路电流波形图3 主母线短路每台电容器电流波形 在单台电容器击穿短路
