「RSD技术」助力脉冲放电系统主回路优化

1.RLC放电回路模型

RSD放电回路为RLC串联的二阶电路，i（t）满足如下微分方程

式中，C为主电容容量；L为包括负载电感、磁开关饱和电感、引线电感及杂散电感等在内的主回路总串联电感；R为负载电阻值。

根据电阻值的大小，放电电流可以是周期性振荡的或非周期性的。

1）非振荡放电过程：

2）振荡放电过程：

3）临界情况：

式中：，，。

2.仿真与试验结果

RSD开通试验平台的电路原理图，采用罗氏线圈（Rogowski coil）测量RSD支路的电流，泰克公司的高压探头测量RSD两端电压，示波器型号为TDS1012。

采用电力系统电磁暂态仿真软件ATPDraw建立了RSD的主回路模型，用于预测不同外电路条件下的输出电流波形。由于RSD在正常开通情况下其阻抗相对于回路的阻抗是很小的，所以简化起见在仿真模型中直接用时控开关表示，仍可以得到较准确的电流仿真波形。

图4-48所示是主电容分别为100μF、300μF、600μF时RSD的电流波形，主电压4kV，负载0.113Ω，电感1.5μH，由试验波形得电流峰值分别为17kA、20kA、27kA，仿真波形脉宽与试验波形一致，仿真电流峰值均略大于试验值，此误差由仿真回路中未计入一些实际的损耗引起（包括RSD的开通损耗、磁开关损耗、预充开关损耗等）。其中100μF为欠阻尼情况，300μF和600μF均为过阻尼情况，在仿真和试验波形上均有反映，且与前文所述判断标准一致。对于欠阻尼情况，试验波形中正向电流过零后经过一段时间延迟才出现反向振荡，这是由磁开关引起的。图4-49所示是主电压分别为3.75kV、4kV、4.2kV下RSD的电流波形，主电容为1200μF，负载为0.063Ω，电感为1.5μH，由试验波形得电流峰值分别为37kA、40kA、42kA。图4-50所示是负载分别为0.09Ω、0.113Ω时RSD的电流波形，主电容为600μF，主电压为4kV，电感为1.5μH，由试验波形得电流峰值分别为29kA、27kA。

图4-48 不同主电容下通过RSD的电流波形

a）仿真波形 b）试验波形

1—100μF 2—300μF 3—600μF(www.xing528.com)

图4-49 不同主电压下通过RSD的电流波形

a）仿真波形 b）试验波形

1—3.75kV 2—4kV 3—4.2kV

图4-51所示为对RSD做极限通流试验时的电流电压波形图。RSD直径为40mm，有效通流面积约为7cm²。外电路条件为主电容为1200μF，主电压为4.2kV，负载电阻为0.063Ω，由电流波形得电流峰值为42kA，脉宽为200μs。

图4-50 不同负载电阻下通过RSD的电流波形

a）仿真波形 b）试验波形

1—0.09Ω 2—0.113Ω

由式（4-14），根据现行工艺RSD的基区宽度，修正结构因子K，取230，在200μs脉宽下RSD极限电流的理论值为42.1kA。测试完毕堆体中各管芯特性基本无退化，证明了该经验公式的有效性。

图4-52所示为直径为40mm的RSD管芯开通电压随峰值电流的变化，其中实线是由式（4-17）做出的最大开通电压U_Fmax关于峰值电流I_m的函数曲线，点表示在不同峰值电流下由高压探头实测的RSD两端的开通电压。计算和测量结果都反映了开通电压随换流峰值的增加而增加的趋势，但数值上有出入，这主要是测量采样点无法取在芯片两端、计入了回路阻抗的压降，以及测量系统的接触压降、示波器的读数误差等因素造成的。

图4-51 直径40mmRSD管芯极限通流试验

图4-52 直径40mmRSD管芯开通电压与峰值电流关系