一种用于大规模直线变压器驱动源带故障充电装置的制作方法

本实用新型涉及脉冲功率技术领域，具体地，涉及一种用于大规模直线变压器驱动源带故障充电装置。

背景技术：

直线变压器驱动源(Linear Transformer Driver,LTD)是俄罗斯强流电子学研究所(HCEI)发明的的一种新型脉冲功率技术，其核心思想是：将传统使用的容量较大的储能电容“化整为零”，分为很多容量较小的电容器并联，每个电容器配置独立的开关，构成很多并联的基础放电单元。由于每个基础放电单元的放电周期较短，可以直接产生快前沿的脉冲，不需要传统技术所必需的庞大复杂的脉冲压缩网络，因而能量效率较高。将一定数量的基础放电单元并联环状排列可组成独立的LTD模块用于产生较大的电流。典型的LTD模块通过多个模块串联可在次级以感应叠加的方式输出高电压，其构成如图1所示。

LTD技术能够直接产生快前沿脉冲，且其模块化和标准化设计非常有利于大规模应用，已经成为下一代大型脉冲功率装置设计建造最有前途的技术途径。例如，美国圣地亚实验室(Sandia National Laboratory,SNL)2000年开始与HCEI合作，研究的主要项目是Z箍缩驱动的惯性聚变能(Z-IFE)计划。该计划的技术路线是利用Z-pinch实现惯性约束聚变点火，远期目标是提供高效、经济、清洁的商用聚变发电装置。2013年，SNL同时提出了Z300(输出电流49MA)和Z800(输出电流64MA)装置概念设计，计划用于聚变点火和聚变能源研究，两个装置均采用了快脉冲LTD技术。2018年，国内也提出了输出电流约50MA的LTD驱动源装置概念设计。

数十MA的大规模LTD装置一般由数千个LTD模块串并联组成，包含数万甚至数十万只开关和电容器。例如：Z300由2970个模块(包含5.94万只开关和11.88万只电容器)组成，Z800由5400个模块(包含16.2万只开关和32.4万只电容器)组成。如此大规模的开关和电容器，在充电过程中极有可能出现少量开关自击穿或电容器绝缘击穿现象。以目前的开关自击穿概率水平(～10^-4)计算，每次装置充电时，Z300和Z800分别至少有6只和16只开关会出现自击穿故障。电容器故障率水平虽然要低一些，但数量庞大的电容器必然也有出现故障的可能性。

目前已有的小规模驱动源装置在充电过程中一旦出现开关自击穿或电容器击穿故障，由于故障回路阻抗突然变低，充电电流急剧增大，充电电源为了保护自身器件安全往往会进行自动断电保护操作，这就意味着此次充电过程失败。遇到此类问题，最常用的方法就是将充电系统复位后重新进行充电操作。当然，对于某些不能自动恢复功能的永久性故障，则需要对故障进行检修后才能重新进行充电操作。对于小规模驱动源装置来说，由于开关和电容器数量相对较少，在同样的故障概率下出现上述故障的机会也较少。但对于大规模驱动源特别是基于LTD的驱动源来说，其开关和电容器数量极其庞大，几乎每次充电都可能会出现上述故障，如果不采取特别的措施或方法，那么任何实验都将无法顺利开展。

综上所述，本申请发明人在实现本申请实用新型技术方案的过程中，发现上述技术至少存在如下技术问题：

大规模直线变压器驱动源(Linear Transformer Driver,LTD)装置一般包含数量庞大(～10⁴甚至10⁵)的开关和电容器，在充电过程中极有可能出现个别或部分开关自击穿或电容器绝缘击穿现象。由于出现故障的基础放电单元阻抗会突然降低，导致该故障放电单元所在的LTD模块充电电流急剧增大，而其余模块的充电电流将会急剧减小，从而使得大规模驱动源装置的充电过程无法继续，意味着整个装置的充电过程失败。而且如果故障单元还持续充电，那么因其集中消耗充电能量，容易导致该单元的电容器发生爆炸。

技术实现要素：

本实用新型提供了一种用于大规模直线变压器驱动源带故障充电装置，能够在大规模LTD装置充电过程中出现开关自击穿或电容器绝缘击穿时，检测出故障单元所在的LTD模块，并断开与该模块相连的充电回路，使其余LTD模块能够继续完成充电过程，从而有效提高装置的实验效率。

为实现上述实用新型目的，本申请提供了一种用于大规模直线变压器驱动源带故障充电装置，所述装置包括：若干故障检测及隔离开关，大规模直线变压器驱动源中的每个LTD模块与充电电源之间均设置有故障检测及隔离开关，在大规模直线变压器驱动源充电过程中当某个或多个LTD模块出现故障时，故障检测及隔离开关断开与故障模块相连的充电回路，使其余正常LTD模块能够继续完成充电过程，所述故障检测及隔离开关包括：隔离二极管、断路开关、充电电压及充电电流检测组件、电磁阀、泄能电阻、控制器等；对于正极性充电，隔离二极管正极与充电高压输入端连接，隔离二极管负极与断路开关的触点A连接。对于负极性充电，隔离二极管负极与充电高压输入端连接，隔离二极管正极与断路开关的触点A连接。断路开关的触点B与泄能电阻的一端连接，泄能电阻的另一端接地；充电电压及充电电流检测组件布放在联动杆与LTD模块之间；充电电压及充电电流检测组件与控制器连接，控制器与电磁阀连接，电磁阀与联动杆连接；正常充电过程中，联动杆与触点A联通，与触点B断开；充电电压及充电电流检测组件检测到LTD模块存在故障特征信息时，控制器控制电磁阀将联动杆与触点A断开，与触点B联通。

本申请提供的一个或多个技术方案，至少具有如下技术效果或优点：

能够在大规模LTD装置充电过程中出现开关自击穿或电容器绝缘击穿时，检测出故障单元所在的LTD模块，并断开与该模块相连的充电回路，使其余LTD模块能够继续完成充电过程，从而有效提高装置的实验效率。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本实用新型实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本实用新型实施例的限定；

图1是多模块串联LTD装置结构示意图；

图2是带充电故障隔离的多模块串联LTD装置充电结构示意图；

图3是故障检测及隔离开关结构示意图。

具体实施方式

为了能够更清楚地理解本实用新型的上述目的、特征和优点，下面结合附图和具体实施方式对本实用新型进行进一步的详细描述。需要说明的是，在相互不冲突的情况下，本申请的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本实用新型，但是，本实用新型还可以采用其他不同于在此描述范围内的其他方式来实施，因此，本实用新型的保护范围并不受下面公开的具体实施例的限制。

在大型LTD装置中，每个LTD模块包含多个开关和电容器，整个装置由数量众多的LTD模块串、并联组成，包含数量庞大的开关和电容器。根据目前的开关自击穿概率水平(～10^-4)计算，几乎每次充电都会出现开关自击穿故障，如果不采取特别的措施或方法，任何实验都无法进行。

本实用新型提出了一种模块级的充电故障隔离方法及装置，能够在大规模LTD装置充电过程中当出现开关自击穿或电容器绝缘击穿时，由故障检测及隔离开关检测出故障单元所在的LTD模块，并断开与该模块相连的充电回路，使其余模块能够保持正常充电直至完成充电过程，有效提高装置的实验效率。

需要说明的是，故障模块被隔离后，其能量将不再对整个装置做出贡献。但基于目前的开关自击穿概率水平(～10^-4)，以Z300和Z800为例，假如分别有6只和16只开关会出现自击穿故障，并假设故障开关分别位于不同的LTD模块，也就是说分别有6个和16个模块将被隔离。那么其能量仅占总能量的0.2％(6/2970)和0.3％(16/5400)。该比例远远小于物理实验要求的重复性偏差比例(±2％)，其影响可以忽略不计。所以采取模块级的充电故障隔离是较为适当的选择。

本实用新型提出一种模块级的充电故障隔离装置，图2为带故障隔离的LTD装置充电结构示意图。每个LTD模块与充电电源之间均设置一个故障检测及隔离开关。如果每个模块为正、负极性同时充电，那么正、负边需各设置一个，并且同一LTD模块对应的两个故障检测及隔离开关联动。在装置充电过程中当某个模块内部出现开关自击穿或电容器绝缘击穿时，故障检测及隔离开关就会快速断开与该故障模块相连的充电回路，使其余模块能够继续完成充电过程。

图3为故障检测及隔离开关结构示意图。充电电源提供的直流高压从故障检测及隔离开关的充电高压输入端进入，分别经过隔离二极管(防止本模块能量反向传递至其他模块)、断路开关(正常充电时为常闭状态)以及充电电压、电流检测组件后为LTD模块中的电容器充电。正常充电过程中，联动杆与A点联通，与B点断开。当模块内部出现开关自击穿或电容器绝缘击穿时，充电电压、电流检测组件(如：直流分压器、高电压探头等；电流线圈、电流微分线圈、霍尔电流传感器等)就会检测出异常的故障特征(如：充电电压突然降低或充电电流突然增大)，相关检测数据会传送至控制器(一般包括比较电路和继电器等元器件)，控制器中的比较电路一旦发现故障特征信号，将迅速发出指令打开继电器，继电器进一步控制电磁阀打开(或关闭)气路，通过气路控制的气缸活塞杆直线运动使断路开关联动杆从A点移动至B点(一方面与A点实现高压电隔离，另一方面将通过泄能电阻使故障模块内部残余的能量释放到地上)，最终实现故障模块与充电电源的隔离。其余未出现故障的LTD模块几乎不受影响，将保持正常充电直至完成充电过程。

本实用新型提出了模块级的充电故障隔离装置，确保大规模直线变压器驱动源装置出现少量开关自击穿或电容器绝缘击穿故障时能继续完成充电过程，提高装置实验效率。

本实用新型设计了故障检测及隔离开关，能够检测出故障单元所在的LTD模块，并断开与该模块相连的充电回路，使其余模块能够继续完成充电过程。同时该系统还具备防止模块能量倒灌以及故障模块残余能量泄放的功能。本申请中故障检测及隔离开关中的充电电压、电流检测组件为现有技术中的组件，其能够对电压和/或电流进行检测，控制器的控制方式为现有技术中常见的控制方式，其能够根据充电电压、电流检测组件检测的电压或电流值与阈值进行比较，进而生成相应的控制指令来控制电磁阀和联动杆，控制器的控制方式是现有的，本实用新型保护的是装置和开关的组成及连接关系。

尽管已描述了本实用新型的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本实用新型范围的所有变更和修改。

显然，本领域的技术人员可以对本实用新型进行各种改动和变型而不脱离本实用新型的精神和范围。这样，倘若本实用新型的这些修改和变型属于本实用新型权利要求及其等同技术的范围之内，则本实用新型也意图包含这些改动和变型在内。