（电工理论与新技术专业论文）脉冲高压强流测试装置的研制.pdf

脉冲高压强流测试装置的研制 a b s t r a c t u n d e rt h eb a c k g r o u n do fa c t u a lm e a s u r e m e n tr e q u i r e m e n t s ，ad e v i c ew h i c hc o n s i s t so f c a p a c i t a n c e - r e s i s t a n c ed i v i d e r , f o l d b a n ds h u n ta n ds e l f - i n t e g r a t i n g r o g o w s k i c o i li s d e v e l o p e dt om e a s u r et h eh i g hv o l t a g ea n dp u l s e dc u r r e n tg e n e r a t e di nt h ep r o c e s so f e x p l o d i n gw i r e t h ed e v i c ei sm a d eo nt h ep r i n c i p l e so fs m a l ls i z e ，l o wc o s t , h i s hm e a s u r i n g a c c u r a c ya n dr e l i a b i l i t y t h em a i ne x p e r i m e n t a lp r o c e s si sa sf o l l o w s ： 1 a n a l y z et h ew o r k i n gp r i n c i p l e sa n dp a r a m e t e rd e s i g np r i n c i p l e so fv o l t a g ed i v i d e r , s h u n ta n dr o g o w s k ic o i l ，a n de s p e c i a l l yc a l i b r a t et h ep e a kv a l u em e a s u r e m e mo fv o l t a g e m e a s u r i n gd e v i c ew i t hh i 曲v o l t a g ep r o b ep r o d u c e db yt e k t r o n i xc o r p 2 t h em u t u a l v e r i f i c a t i o no fs h u n ta n dr o g o w s k ic o i li sp r o p o s e dt or e m o v et h ed i f f i c u l t yo fc a l i b r a t i n gt h e h e a v yc u r r e n tm e a s u r e m e n td e v i c e s ，a n dt h em e a s u r i n ge r r o ro fd e v i c ei sa l s oi n v e s t i g a t e d 3 d i s c u s st h ee f f e c t sa n dn e c e s s i t yo fa n t i - i n t e r f e r e n c e ，a n a l y z et h ee x i t i n gi n t e r f e r e n c e s o u r c e so fd e v i c e ，a n du s ee l e c t r o m a g n e t i cs h i e l d i n ga n dg r o u n d i n gt op r o t e c tt h ed e v i c ef r o m i n t e r f e r e n c e s w i t ht h ed e v e l o p e dm e a s u r e m e n td e v i c ea n de x p e r i m e n t a la p p a r a t u so fe x p l o d i n gw i r e ， al o to fm e a s u r i n ge x p e r i m e n t sa r ec a r r i e do u ta n dg o o dr e s u l t sa r eg a i n e d p l e n t yo f e x p e r i m e n t sh a v ep r o v e dt h em e a s u r i n gd e v i c ef o re x p l o d i n gw i r et ob ea c c u r a t ea n d r e l i a b l e k e yw o r d s - c a p a c i t a n c e - r e s i s t a n c ed i v i d e r = s h u n t ；r o g o w s k ic o i l ；a n t i - i n t e r f e r e n c e i i 独创性说明 作者郑重声明：本硕士学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得大连理 工大学或者其他单位的学位或i 正- t ；所使用过的材料。与我一同工作的同志 对本研究所做的贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 作者签名： 约圣查 日期： 鲣：殳：兰j 大连理工大学硕士研究生学位论文 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“大连理工大学硕士、博士学位 论文版权使用规定”，同意大连理工大学保留并向国家有关部门或机构送交 学位论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大连理工 大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，也可 采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编学位论文。 作者签名：纠垒叁 一 一名：谜灶 扯旦月立日 大连理工大学硕士学位论文 1 绪论 1 1 脉冲功率技术研究进展 本世纪7 0 年代后期，随着核物理技术、加速器、激光、电子束、放电理论和等离 子体技术等的研究和日益广泛的应用，脉冲功率技术得到重视和迅速的发展，并逐渐形 成一门独立学科的新兴技术领域n 4 1 。 所谓的脉冲功率技术是指将很大的能量( 通常为几百千焦耳至几十兆焦耳) 储存在 储能元件中( 通常为电容器、电感器等) ，然后通过快速开关( 动作时间在毫微秒左右) 将此能量在毫微秒至微秒时间内释放到负载上，以得到极高的功率。 脉冲功率技术是一门研究高电压、强电流、大功率脉冲的产生、传输和应用的技术。 它研究不同形式的能量存储方法，将所存储的能量转换为大功率脉冲的方法、脉冲的传 输及测量方法，以及适用于不同工作条件的开关等。 脉冲功率技术作为当代高技术的重要技术之一，它的发展和应用与其他学科的发展 有着密切的联系。在当前，为了进一步促进脉冲功率技术的发展，提高脉冲功率的性能 和扩大其应用领域，其主要研究课题大体应包括以下几个方面：( 1 ) 关于高储能密度的 脉冲发生器的研究，( 2 ) 高性能开关元件的研制，( 3 ) 关于脉冲功率作用下电介质放电 特性的研究，( 4 ) 关于脉冲功率应用的研究。 总之，作为一门新发展起来的科学技术，脉冲功率技术的发展十分迅速，正在引起 很多科学领域，特别是一些高技术领域的重视。它的发展和应用前景无疑是十分广阔的。 金属丝电爆炸技术，作为脉冲功率技术的一种，人们对它的物理效应和行为机理的 研究从来没有停止过。自从a n d e r s o n 在1 9 2 0 年指出电爆炸产生的温度可以达到太阳表 面温度之后1 ，国内外的科学家们对电爆炸现象就产生了持久的浓厚的兴趣。 1 9 9 4 年，日本t o k u s h i m a 大学的s h i m o m u r a n 做了关于铜丝电爆炸开关在爆炸过程 中电阻率变化的研究嘲。该研究的目的是为了得到设计电感储能大功率脉冲发生器的基 础数据。1 9 9 8 年美国陆军研究实验室武器与材料科学研究部的c 1 i n t o n e h o l l a n d s w o r t h 等研究了非均匀直径金属丝发生电爆炸时的现象口1 。非均匀直径的爆 炸丝在发生电爆炸时的现象在绝大多数情况下与光滑丝电爆炸的现象不相同，在爆炸时 细直径部分如预期一样爆炸，但即使在能量足够的情况下粗的部分也不发生爆炸，实际 上粗段在实验结束之后往往可以再次找到，几乎没有损伤。理论分析认为这是由于细段 金属丝在爆炸时产生了一个等离子体鞘把粗段部分保护了起来。 国内对金属丝电爆炸现象的研究工作主要集中在其应用方面，特别是作为断路开关 脉冲高压强流测试装置的研制 方面。郝世容等做了关于电爆炸断路开关的实验和计算工作，计算中电阻率采用t u c k e r 的比作用量模型解析式，使用f o r t r a n 语言编制电路计算程序，得到了丝开关上的电流 电压波形图叩1 。近阶段国内一些大学、科研院所对金属丝电爆炸现象的研究主要是利用 其冲击波特性和其它的物理、化学性质进行工业应用，如高速电爆炸喷涂、模拟震源、 液电成型、体外排石、处理污水等。其中，杨家志等人口1 采用电爆喷涂法在玻璃表面制 备出导电涂层，涂层的结合强度比电镀、化学镀等方法稍高。 金属丝电爆炸现象的研究发展到今天，在物理实验方面已经取得了较大的进展，但 对电爆炸现象的机理和动力学过程并没有完全认识清楚，可以说迄今为止成熟的金属丝 电爆炸理论尚未建立，仍需要进行深入的研究。因此对金属丝电爆炸过程中各种参数的 变化规律，如电压电流变化规律，阻抗变化规律，功率的变化规律等的研究就显得尤为 重要。其中，对电压电流变化规律的研究需要采用适当的测试技术，对它们进行准确的 测量，在此基础上进行深入的分析研究。 1 2 高电压大电流测试技术概述 高电压按照其性质的不同大致可分为交流高电压、直流高电压、脉冲高电压。 在高压实验室中，用来测量交流高电压的方法有很多，最常用的有以下几种： ( 1 )使用测量球隙气体放电来测量未知电压的峰值。 ( 2 ) 使用高压静电电压表测量电压的有效值。 ( 3 ) 使用以分压器作为转换装置所组成的测量系统来测量交流电压。 ( 4 ) 使用整流电容电流测量交流高电压的峰值。 ( 5 ) 使用整流充电电压测量交流电压峰值。 ( 6 ) 使用旋转伏特计可测量直流及交流的瞬时值。 ( 7 ) 使用光电系统测量交流高电压。 对于直流高电压的测量，可采用球隙测量直流高压的最大值；采用静电电压表测量 直流高压的有效值；由高欧姆电阻组成电阻分压器，在分压器低压臂跨接高输入阻抗的 低压表来测量直流高压，根据所接低压表的型式可测量直流电压的算数平均值、有效值 和最大值；也可用高欧姆电阻串联直流毫安表测量平均值。其中，后两种方法较为方便 而且常用。 目前，常用的测量脉冲高电压的方法有：( 1 ) 测量球隙；( 2 ) 峰值电压表法；( 3 ) 光电测量系统；( 4 ) 分压器数字存储示波器( 或数字记录仪) 测量系统。 1 测量球隙 测量球隙是由一对相同直径的金属球所构成。加压时，球隙间形成稍不均匀电场。 大连理工大学硕士学位论文 当其余条件相同时，球隙间在大气中的击穿电压决定于球间隙的距离。对于一定的球径， 间隙中的电场随距离的增长而越来越不均匀。被测电压越高，间隙距离越大，要求球径 也越大，这样才能保持稍不均匀电场。由于测量球并不是处在无限大空间里，而是有外 物及大地对球间电场发生影响，所以很难用静电场理论来计算球间的电场强度和击穿电 压，因此测量球隙的放电电压主要是靠实验来决定的。 球间隙法测量的优点是比较简单方便，准确度可达3 。缺点是每次测量电压都 要放电，破坏了试验的正常状态，使被试物上电压急速下降，可能在被试物上形成震荡， 甚至引起过电压。 2 峰值电压表法 峰值电压表是指测量周期性波形及一次过程波形峰值的电压表。目前，国内有模拟 式及数字式峰值电压表，原理大致可分为两类： 1 ) 电路为模拟电路，显示则转化为数字式。即模拟一数字式仪表。该仪表与模拟 仪表一样，各级电路信号均是模拟量，可靠性及性能相应较差些。另外，外接高压分压 器的倍率电路是由多个电阻构成，通过改变放大器倍数最终得到被测电压峰值。这样电 阻阻值的分散性及稳定性也同样会影响整个测量值的精度。 2 ) 。电路均为数字逻辑电路，可靠性较前种增大许多。但这种峰值电压表没有配 置相应的外分压器倍率电路，故其显示值只是仪表输入端信号的峰值，即不能直接读 取被测高压电压值。且抗干扰能力差，在强电磁场环境中不能正常工作。 峰值电压表法的优点是结构简单，使用方便，准确度也比较高，缺点使不能得到电 压的波形。 3 光电测量系统 光电测量系统是一种利用各种电光效应或光通信方式进行测量的系统。在高电压技 术领域中，可以用它进行高电压、大电流、电场强度以及其他参量的测量。在此系统中， 利用光纤传输线路良好的绝缘性能，可以把高电压设备、试品与高灵敏度的测量仪器( 如 示波器) 及计算机隔离开来。除了可以提高测量仪器及工作人员的安全性外，还可以减 弱射频干扰和杂散寄生信号对测量回路的影响。 可以说，光电测量系统是一种比较先进的测量系统，它是把电子技术和光学技术紧 密结合用于测量高压的- - i 7 新技术。但是与传统的分压器为主的测量系统相比，光电测 量系统的结构比较复杂，稳定性较差。 4 分压器数字存储示波器测量系统 在实践中主要用分压器数字存储示波器测量系统来测量脉冲高压。脉冲电压是作 用时间很短、变化很快、波形复杂的非周期性电压波。分压器数字存储示波器测量系 脉冲高压强流测试装置的研制 统有非常良好的瞬变响应特性，不仅能准确地测量出脉冲电压的峰值，而且数字存储示 波器还能显示和记录脉冲电压的波形。这是测量球隙和分压器峰值电压表等其它测量 系统所做不到的。 分压器和数字存储示波器是分压器数字存储示波器测量系统的两个核心部件。除 此以外，测量系统还包括高压引线、高压引线输入端的阻尼电阻、同轴电缆以及接地回 路，每个组件都会对系统的测量误差产生影响。分压器的作用是将几十万伏或几百万伏 的脉冲高电压无畸变地转换成示波器可以测量的脉冲低电压( 通常为几伏到几百伏) ， 并保持电压波形不变。测量系统的脉冲响应特性主要取决于分压器的性能。评价分压器 及其测量系统性能好坏的主要指标有波形畸变和幅值误差。目前，国际标准用方波响应 试验方法来衡量脉冲分压器的响应特性。 大电流及其测试是在工业生产和科研实验中经常面临的一个重要问题。根据工作性 质状态的不同，通常将大电流分为三大类，即稳态大电流( 如直流大电流和交流大电流) 、 暂态大电流和脉冲大电流( 又称冲击大电流) 。 直流大电流测试的主要方法有：磁调制器直流比较仪、霍耳直流比较仪和磁放大器 直流比较仪。 对于交流大电流的测试而言，现在应用最多的方法主要有两大类：传统的电磁式电 流互感器以及电子式电流互感器。 目前常用的测试暂态和脉冲大电流的方法是应用由分流器和数字存储示波器( 或数 字记录仪) 所组成的测试系统，也常用r o g o w s k i 线圈( r o g o w s k ic o i l ) 作为转换装置。 此外，也可采用光电测试系统。脉冲大电流的峰值一般高达几十千安到几百千安。指数 波的波前时间为几微秒，而最短的方波的波前可达纳妙级。要准确测试高峰值和陡波前 的脉冲大电流，还是有不少困难的。 1 分流器 分流器的特点是结构简单，性能稳定可靠，测试的准确度不受外磁场的影响。工业 用分流器的准确度通常为0 5 级。当用分流器测试直流大电流和交流大电流时，由于本 身消耗的功率较大，引起自身温度变化，将导致它的电阻值发生变化；另一方面，由于 温度变化还将产生热应力，也会影响分流器的电阻值。这都将成为影响系统测试误差的 重要因素。所以，在设计中需要考虑合适的连接方式，如普遍采用的柔性连接方式，可 以消除热应力的影响；另外，当用分流器测试脉冲大电流或暂态大电流时( 如同轴分流 器) ，除要减少本身的电感量之外，很重要一点就是要考虑集肤效应的影响，尤其是对 于快速变化的脉冲大电流，由于分流器存在集肤效应，使得它的电位输出端的电压会发 生时移。 大连理工大学硕士学位论文 总之，使用分流器测试高压大电流时的最大不足在于两个方面：其一，它必须串入 被测回路，而不得不断开一次回路，给安装使用带来不便，并且由于分流器的串入要影 响被测电流回路的电气参数，特别是当它用于测试高速大功率电子开关的开关状态电流 时，其影响更是不容忽视；其二，由于一次回路与二次回路没有电气隔离，所以不适于 微机继电保护等含有计算机的计量设备或控制装置。 基于以上所述，在设计分流器时，要考虑三个主要因素： ( 1 ) 应使分流器接近为一纯电阻，残余电感应尽可能的小，在尽可能宽的频带内， 分流器的有效阻抗为一常数； ( 2 ) 分流器的屏蔽要好，不受外界干扰，尤其除分流器本体外，电流回路各个部分 对分流器电压引线的感应作用要尽可能小； ( 3 ) 要使测试电缆外皮在分流器附近接地而不至于分流器的电压回路内感应出电 压，必须尽量减小流经电缆外皮的电流。 2 r o g o w s k i 线圈 1 9 1 2 年，r o g o w s k i 与其同伴根据麦克斯第一方程证明了围绕导体的线圈端电压可 用来测量磁场强度，并且此电压与线圈形状无关，特别地，称这种线圈为r o g o w s k i 线 圈。后来人们根据全电流定律证明了r o g o w s k i 线圈可以用来测量脉冲大电流，不过刚 开始获得的准确度并不高( 2 3 ) ，而且性能也不够稳定。直到1 9 6 6 年西德的h e u m a m n 改变了r o g o w s k i 线圈的结构并将r o g o w s k i 线圈的测量准确度提高了一个数量级 ( o 1 ) ，才使得r o g o w s k i 线圈又被逐渐重视起来。到8 0 年代初，英国r o e o i l 公司已 经实现了r o g o w s k i 线圈系列化和产业化。到了8 0 年代中后期，以r o g o w s k i 线圈为传 感头的电子式电流互感器装置的研制成功，进一步加速了它的应用步伐。 由于r o g o w s k i 线圈是一种特殊结构的空心线圈，不含铁芯，也就不必考虑因含铁 芯而具有的优缺点。用于测量脉冲大电流时，r o g o w s k i 线圈具有以下显著优点：( 1 ) 测量线圈本身与被测电流回路没有直接的电的联系，而是通过电磁场耦合，因此与主回 路有着良好的电气绝缘；( 2 ) 由于没有铁芯饱和问题，测量范围宽，同样的绕组，电流 测量范围可以从几安培到数百千安；( 3 ) 频率范围宽，一般可设计到从o 1 1 0 0 兆赫 兹以上，特殊的可设计到2 0 0 0 兆赫兹的通带，线圈自身的上升时间可做得很小( 如纳 秒数量级) ；( 4 ) 测量准确度高，可设计到优于o 1 ，一般为o 5 - - 1 之间；( 5 ) 易于 以数字量输出，实现电力计量与保护的数字化、网络化和自动化；( 6 ) 没有由于充油而 产生的易燃、易爆等危险，符合环保要求，而且体积小、重量轻、生产成本低。 在现代测量、控制与保护装置中，以计算机为核心的传感设备不断淘汰那些不容易 与电脑通信的传感器，已是不可逆转的趋势；作为大电流现场测量用传感器的r o g o w s k i 脉冲高压强流测试装置的研制 线圈，具有低功率输出、结构简单、线性良好等优良特性，在许多大电流测量场合下， 它都是敏感器件的首选对象，这都将给r o g o w s k i 线圈的更广泛应用与研究带来了新的 契机。 1 3 论文选题及研究内容 本课题来源于金属丝电爆炸技术应用研究的实际需求，属于脉冲功率技术与电磁测 量技术交叉领域。本文研究工作得到了教育部重点科技项目支持( 1 0 4 0 6 2 ) 。 近年来，脉冲功率技术的研究及应用取得了长足的发展，在军工，民用诸多领域都 获得了丰硕的成果。金属丝电爆炸技术作为脉冲功率技术的一种，在超细粉末制备、材 料改性、产生冲击波等方面被广泛地研究，而且也有工业上的应用。目前，国内外对金 属丝电爆炸技术的研究主要集中在爆炸装置的改进、物理过程的研究等应用层面上，关 于金属丝电爆炸瞬间电压、电流等电参数变化规律的详细深入的研究极少。若要彻底认 清金属丝电爆炸现象的机理和动力学过程，就必须对金属丝电爆炸瞬间产生的电压电流 等电参数的变化规律有深刻的理解。 对金属丝电爆炸瞬间产生的脉冲高压强流进行测试、分析、研究，可以获得各种电 参数( 如电流电压、功率、阻抗等) 的变化规律，认清金属丝电爆炸机理，从而直接 指导金属丝电爆炸的工艺过程，改良工艺参数以获得更好的应用效果。 目前，用于脉冲高压强流测试的常规仪器很少，而且普遍存在价格较高，难以定标 等缺点。本文旨在研制一套脉冲高压强流测试装置，用于测试金属丝电爆炸瞬间产生的 电压电流，从而进一步加深对金属丝电爆炸机理的理解，启发金属丝电爆炸技术的实际 工程应用。可以说，本课题具有很强的现实意义。 本文在了解国内外高电压大电流测试技术的发展现状和趋势的基础上，结合金属丝 电爆炸技术在电爆喷涂方面的实际应用，研制了一套脉冲高压强流测试装置，并使用该 装置对金属丝电爆炸瞬间产生的电压电流进行测试、分析、研究，为金属丝电爆炸技术 的理论研究提供参考。文章主要包括以下几个方面的内容： ( 1 ) 在对金属丝电爆炸技术的原理、应用及研究现状进行分析的基础上，提出通 过测试金属丝电爆炸瞬间产生的脉冲强流高压等电参数，为金属丝电爆炸机理的进一步 研究提供数据，为其工艺实施提供监控的解决方案。 ( 2 ) 根据实际的测试需求，研制了一套由分压器、分流器和r o g o w s k i 线圈组成的 脉冲高压强流测试装置。采用高压探头对分压器进行标定，并对分压器的测试误差进行 了初步探讨。重点探讨了分流器和r o g o w s k i 线圈的测量原理及设计原则。针对目前脉 冲大电流测试常规仪器少、标定难的问题，提出采用分流器和r o g o w s k i 线圈两种方法 大连理工大学硕士学位论文 相互印证来实现对脉冲大电流的准确测量，并对两种测试方法各自的测试误差进行深入 分析 ( 3 ) 分析测试装置的干扰源，对电磁屏蔽、接地等抗干扰措施进行深入探讨，以 提高测试装置的可靠性。 脉冲高压强流测试装置的研制 2 金属丝电爆炸试验装置简介 2 。1 金属丝电爆炸 2 1 1 金属丝电爆炸概念与机理 金属丝电爆炸是指在一定气体介质环境下对金属丝导体瞬间施加脉冲高电压，以强 大的脉冲电流使金属丝熔化、气化、膨胀，发生爆炸，电阻值急剧增大，伴随一系列强 冲击波和强辐射的过程。 由于金属丝电爆炸产生的力、光、热、电磁等效应很强，在许多领域有其独特的用 途，如材料表面喷涂、超细粉末制备、金属的压力成型加工、等离子体聚爆、脉冲强光 源、脉冲高温源、模拟核爆炸、动态高压源等。金属丝电爆炸在材料加工领域的应用一 直受到广泛的关注，尤其是表面喷涂和超细粉末制备，近年来取得了一定的进展。 金属丝电爆炸技术用于材料表面喷涂和超细粉制备基于相同的机理。通常将金属丝 电爆炸过程分为以下几个阶段：( 1 ) 储能电容向金属丝瞬时放电，以强大电流使导体加 热逐步趋向熔化；( 2 ) 欧姆加热的持续作用使导体熔化及气化，使熔融导体破裂成液滴， 并产生等离子体，电磁箍缩效应及周围介质气体的冷却作用使蒸汽的膨胀受到限制而产 生内部高压，最终导致导体的爆炸；( 3 ) 爆炸阶段，高温蒸汽及粒子以2 0 0 0 m s 的速度 膨胀，同时产生冲击波，驱使金属蒸汽高速运动，与介质气体分子激烈碰撞，以很高的 速度冷却下来，形成簇团及超细颗粒；如果熔融颗粒和高温蒸汽喷射到材料表面就会沉 积而形成性能优良的涂层，这就是所谓的金属丝电爆炸喷涂，也叫做线爆喷涂或电爆喷 涂。 金属丝电爆炸现象早在2 0 世纪五六十年代就有人进行过研究，提出了一些数学模 型来理解电爆行为。v a l e n t i ns s e d i o 等通过电爆铜，镍，钨，钼等材料的大量实验发现， 当电流密度达到1 0 7 1 0 9 a c m 2 ，加热速率达到1 0 1 0 1 0 1 3j g s 时，电爆就能发生。 y o u n g s o o n k w o n 等研究发现，爆炸后的颗粒尺寸取决于释放到金属丝上的能量。 m i c h a e ljt a y l o r 等用x 射线仪和高速摄像仪研究铜丝电爆炸过程中电阻随等离子体形 成的变化规律，发现等离子体首先在铜丝的某些部分发生。随即扩展到整段电爆丝；进 而提出存在凝结金属蒸汽边界层的假说，解释等离子体的形成过程。m i s k o l d s k y 等研究 了电爆过程中承受电流的流体的动态行为，提出了磁流体动力学失稳模型，认为导体的 电爆是一个非平衡相转化的过程，载流导体中电流的漩涡结构是引起流体横向分层的主 要原因。然而，导体的电爆是一个非常复杂的过程，对电爆机理还未完全认识清楚。 大连理工大学硕士学位论文 2 1 2 金属丝电爆炸技术的应用 金属丝电爆炸现象已经被应用到很多领域，它可以用来产生高温高密度等离子体， 进行核爆炸模拟及热核聚变反应的研究。金属丝电爆炸可以在不同介质中形成紫外和可 见光波段的强辐射源，在光化学反应中可以用于闪弧光解以及化学反应的催化剂，也可 用于强辐射与物质相互作用的研究。金属丝在电爆炸过程中完全汽化，在随后的凝结过 程中形成极小的微粒，通过这一蒸发冷凝过程可以制备金属纳米粉末。金属丝电爆炸 技术可用来产生冲击波，还可以用来切断电感回路中的大电流，以产生高电压或实现能 量转移等。 如今人们又将金属丝电爆炸现象应用到了材料表面改性上，发明了一种新的喷涂方 法，即金属丝电爆炸喷涂 1 0 1 。这种喷涂方法不仅能喷涂平面，而且能喷涂圆管的内表 面，对金属、玻璃、陶瓷、塑料等材料的表面均可进行喷涂。国外已经应用该技术到工 业生产中，并取得了很大的经济效益。 2 2 金属丝电爆炸喷涂试验装置 本文对金属丝电爆炸瞬间产生的脉冲高压强流的测试和研究，是以金属丝电爆炸喷 涂在材料表面制备涂层实验为具体的依托来进行的。 采用金属丝电爆炸喷涂技术在材料表面制备涂层，能够在保留基体材料原有特性的 基础上，通过赋予或增强其耐磨，耐热，耐腐蚀等特性，从而达到扩展基体材料的应用 领域和范围的目的。因此，电爆喷涂制备涂层技术在工业应用中具有十分重要的价值和 意义。 广一一一一一一 ：厂墩i 脉冲变压器 图2 。1 线爆喷涂装置线路图 f i g 2 1c i r c u i td i a g r a mo fw i r ee x p l o d i n gs p r a yc o a t i n ge q u i p m e n t 脉冲高压强流测试装置的研制 金属丝电爆炸喷涂试验装置的实际线路如图2 1 所示，市电经充电电源后产生几万伏 高压的交流电，经半波整流后给脉冲电容器组充电，使之储存上千焦耳的能量。触发脉 冲经脉冲变压器放大后，产生的高压触发信号使三电极气隙开关击穿，则储存在脉冲电 容器组中的能量瞬时释放到金属丝上，使之熔化、部分汽化，形成等离子体，迅速膨胀 并爆炸，其中部分尚未气化的液态颗粒则在爆炸的冲击下高速向周围溅射，渗透进基体 材料表面，并急剧冷却形成涂层，完成喷涂过程。 其中喷涂室是喷涂过程发生的场所，为了方便对实验参数的测试和实验现象的观 测，通常喷涂室能够为喷涂过程提供真空环境，并且具有观测窗，方便观测电爆炸过程 中剧烈的发热发光现象。目前的电爆喷涂设备大多停留在人工操作，手动上丝的阶段， 设备的自动化水平很低，极大的耗费了人力，并且很难大规模应用。 本文的金属丝电爆炸喷涂实验中，用于储能的高压脉冲电容器组的总电容为1 4 虹。 喷涂试验在室温和标准大气压下进行，采用直径为0 5 m m ，长度为15 c m 的细铜丝在圆 柱形玻璃管内表面喷涂，制备导电涂层。喷涂后的玻璃管经过实际测量，涂层的导电性 能良好。 2 3 电压电流测试装置概述 图2 2 测量装置的总框图 f i g 2 2d i a g r a mo fm e a s u r e m e n td e v i c e 本文旨在构建一套能够对金属丝电爆炸瞬间产生的脉冲高压强流进行准确测试的 大连理工大学硕士学位论文 装置。通过对脉冲高压强流的准确测试，希望能够启发金属丝电爆炸的机理和动力学过 程的研究，加深对爆炸瞬间电磁参数变化规律的理解，如功率变化的规律、阻抗变换的 规律等，从而指导金属丝电爆炸的工艺过程，改进工艺参数以获得更好的工业应用效果 和更广阔的应用领域。 由于高压大电流脉冲前沿较快，幅值高，不能用普通测量表来测量。在脉冲功率技 术的发展中，形成了多种多样的测量方法。用来测量电流的有电流测量线圈、分压器、 磁光效应等；用来测量电压的有分压器、电光效应以及光电子学等方法。但是简单易行 同时又能保持较高的测量精度的，常用的方法只有电流测量线圈法和分压器法。 图2 2 所示为文中测试装置的总框图。对于脉冲高压的测试不仅需要知道电压的幅 值，还要知道电压随时间的变化过程，利用示波器就可以观察和记录电压随时间的变化 过程。但是一般数字示波器的输入电压较低，所以需要采用分压器作为电压转换装置。 待测脉冲高压经过分压器转换后，变为非失真的小信号，采用同轴电缆将该信号传输到 示波器中，就可以获得待测电压的波形，而且通过计算可获得待测电压的幅值。本文中， 分压器采用自行设计的阻容串联分压器，并用高压探头对其进行校正。高压探头使用的 是t e k t r o n i x 公司生产的p 6 0 1 5 a 型1 0 0 0 x 高压探头( 1 0 0 0 xh i g hv o l t a g ep r o b e ) 。它 的主要参数如下：输入电阻为1 0 0 mq ，输入容抗3 p f ，衰减比为：1 0 0 0 x 。p 6 0 1 5 a 型高压 探头由两个主要装置组成：探头主体和补偿装置。附件包括：接地线及鳄鱼夹、勾形探 头、香蕉插头式探头、携带式仪器箱。 针对脉冲大电流测试设备检定难的问题，采用r o g o w s k i 线圈和分流器两种方式互 相印证来实现脉冲电流的准确测试。脉冲电流穿过r o g o w s k i 线圈后感应出与待测脉冲 电流波形相似的电压信号，该电压信号经过积分环节的处理后变为与待测电流成比例的 信号。示波器将此信号采集后，就可以获知待测电流的波形，通过计算同样可获得待测 电流的幅值。简单地说，分流器相当于一个毫欧级的小电阻，通过检测脉冲电流在分流 器上产生的压降，就可以获得待测脉冲强流的波形变化趋势与幅值的大小。 分压器、分流器和r o g o w s k i 线圈均需要采用电磁屏蔽、接地等抗干扰措施以消除 电磁干扰、提高测试精度。测试电缆应选用高频同轴电缆，以保证较好的波形传输性能， 选用双屏蔽同轴电缆还可提高抗干扰性能。测试电缆的长度应尽可能短，以减小被测波 形在测试电缆中的衰减变形，以及降低测试电缆中形成的电磁干扰。本文传输信号的电 缆采用波阻抗为5 0 q ，型号为r g 5 8 的同轴电缆，同轴电缆两端与分压器、分流器及 r o g o w s k i 线圈连接处应采取匹配措施，以防止信号在电缆中多次反射引起波形振荡。 为此，在同轴电缆的末端焊接一个5 0 f 2 的电阻来实现匹配阻抗。示波器应远离实验现 场，以防止金属丝爆炸时产生的强电磁场对其形成电磁干扰，影响测试精度。 脉冲高压强流测试装置的研制 对电压电流波形的观测和记录选用的是泰克t d s 2 0 2 4 数字存储示波器，它属于轻 小型便携式产品，可随身携带。该示波器具有高效率的前面板和生动的彩色显示，探头 校验向导，上下文相关帮助以及1 1 种标准自动测量。 大连理工大学硕士学位论文 3 脉冲强流测试装置的分析与试验结果 3 1 方案讨论 国内外对脉冲大电流测试设备方面的研究已达数十年之久，但是至今仍没有能完全 满足各个使用脉冲大电流部门所提出的计量和运转方面要求的方法和仪器，特别是在脉 冲大电流测试的计量标准方面比较落后。实际上脉冲大电流测试设备的检定问题至今也 还没有解决，许多测试脉冲大电流的仪器从安装时起就不准确【1 2 】。 在对脉冲大电流的测试上，传统的电磁式电流互感器由于它的绝缘复杂、易饱和等 缺点而被舍弃。从原理上看，电子式电流传感器不含铁芯，没有线圈，无饱和问题，暂 态性能好，频带宽，且与高压无接触，因此理论上它可以测试脉冲大电流，不过目前还 没有这方面的应用报道。近年来，人们一直在探索脉冲大电流测试新技术，如电光、磁 光法等，并得到了一些实际应用。这些方法的优点是对被测对象的介入性较小、抗电磁 干扰能力较强，但同时系统的复杂性增加，并且测试的可靠性取决于光学、电子学系统 的实际性能，一般用于比较特殊的条件下，它们仍在不断的发展之中。 本文采用的分流器法和r o g o w s k i 线圈( r o g o w s k ic o i l ) 测试法是目前最常用的测 试脉冲大电流的方法，它们的制作方便、简单，而且测试的准确度和稳定性也被广泛地 认可。同时采用两种测试方法可以从试验结果上互相印证，较好地解决了脉冲大电流测 试设备的检定问题。 3 2 分流器 3 。2 1 分流器的基本原理 图3 1 脉冲电流的测量回路 f i g 3 1m e a s u r e m e n t c i r c u i to f p u l s e dc u r r e n t c r o 脉冲高压强流测试装置的研制 分流器是用于测量大电流的标准量具。它是一个低阻值和极低电感值的电阻器。它 的阻值一般在o 1m f f 2 至1 0 聊q 之间，能测量的脉冲电流范围为几千安到几十千安。它的 接入不应使放电回路的脉冲电流产生明显的变化。图3 1 表示分流器和示波器测量脉冲 电流的回路。图中o 代表试品，s 是分流器，c r o 为数字存储示波器，z 为信号电缆及 其匹配电阻。 示波器测得的是脉冲电流流过分流器时产生的压降甜( f ) ，即 甜( ，) = r d ( t ) ( 3 1 ) 式中，r d 是分流器的阻值，附) 为待测脉冲电流值。如果r n 是个纯电阻，那么“( f ) 的波形就代表f ( r ) 的波形。若r d 为恒定值，则“( f ) 的幅值除以如就得到了附) 的幅值。 当电阻中通过电流时，电阻周围必然产生电场和磁场。正是因为电磁场的存在，该 电阻就不能被看作纯电阻，应该等效的认为有个电感和它串联，有个电容和它俩并联。 这个电容值非常小，因而它的容抗比分流器的电阻大的多，所以通常情况下，电容可以 忽略不计。但是电感的影响始终存在，正因为电阻分流器的电阻非常小，电感的影响就 显得比较明显。所以设计和制作分流器时，要尽可能的减小残余电感。 分流器中流过快速变化的大电流时，发热效应、集肤效应以及电动力效应对分流器 的影响也不可忽视。因此在选择分流器的材料和设计它的结构时，要考虑减小热效应和 集肤效应的影响。另外，从电动力的角度考虑，分流器还应该有其最大容许电流幅值。 快速变化的大电流会在分流器周围产生快速变化的强大电磁场，测量回路哪怕受到 稍许干扰，都足以造成严重的偏差。为此，除了用同轴屏蔽电缆来连接分流器和示波器 之外，在设计分流器结构时，尤其是电压引线和电缆的连接时，要防止周围的干扰。 3 2 2 分流器的结构设计 按照结构形式的不同，分流器大致可分为三种：双股对折式、同轴管式和盘式。双 股对折式又可分为带状对折和辫状对折两种。 目前常用的同轴型分流器虽然已有较完整的理论和结构，但它在有些地方不易安装 使用1 3 舶】。本文根据一些参考文献的介绍【1 5 1 8 1 和已有的设计经验，并结合实际的测试需 求，研制了一种结构简单、便于制作和安装的折带式分流器，如图3 2 所示。 大连理工大学硕士学位论文 图3 2 分流器结构简图 f i g 3 2c o n f i g u r a t i o no ff o l db a n ds h u n t 分流器的连接头部分使用两片无氧铜片与电阻带相焊接，通过铜片可把分流器连接 到要测量电流的设备上。电阻带与绝缘层间用双面胶粘牢，折带两侧用有机玻璃板夹紧 以保证分流器不会因为电动力而损坏。电阻带为一块长为1 2 0 r a m 的电解铜箔板对折而 成。绝缘层介质材料为聚甲荃丙烯酸甲酯。电解铜箔板的厚度h = 0 0 1 2m m ，宽度b = 9 0 r a i n ，长度1 = 1 2 0m l n ，绝缘距离g ：6l l l m 。 3 2 。3 电磁参数的理论计算 ( 1 ) 电阻 分流器的电阻为 r = p l s = l b h ( 3 2 ) 式中p 为电阻材料的电阻率，s 、z 、b 、h 分别为电解铜铜箔电阻带的横截面积、长度、 宽度以及厚度。 ( 2 ) 电感和电容 由于分流器本身存在电容c 和电感三，所以待测电流i 流过分流器时产生的电压降 为 t 一 = r i + l d i d t + ( i o a t ( 3 3 ) i 若三过大，则甜上升沿有凸起的尖峰；若c 过大，则会产生累积效应。三和c 的粗略计 算公式为 l = ( 8 7 r g l 3 b ) n h ，c = ( z b l 2 9 ) f ( 3 4 ) 其中g 为电阻带间距，占为介电常数。从公式中可以看出l c = 4 r c e , 1 2 * 1 0 - 9 3 ，也就是说 不能把和c 同时做得很小。 ( 3 ) 响应时间 脉冲高压强流测试装置的研制 响应时间r 。，的计算公式是通过分析分流器对方波的响应过程来推导的。 k = p h 2 6 p ( 3 5 ) 其中，1 为电阻材料的磁导率。 ( 4 ) 温升和热应力 电流通过分流器时产生的热量，因为散发不及时而全部被分流器吸收，致使其温度 升高。温升乡太高会引起较大的热应力e ，甚至烧毁电阻和绝缘。一般情况下允许的 最高温升a 0 为3 0 0 c 。温升的计算公式为 a o = i 2 r t y b h l c ，e = 巨以移 ( 3 6 ) 式中c 、y 、e 、仃分别为电阻材料的比热容、密度、弹性模量、膨胀系数。 ( 5 ) 电动力 折叠的电阻带中通过电流时，产生的电动力将使电阻带两边互相排斥分开，其电动 力为 f = f 2 2 b ( 3 7 ) 本文采用的电阻带材料为电解铜箔板，h = o 0 1 2m m ，b = 9 0g r i l l ，g = 6i l l n l ，1 = 1 2 0n l m ， c = 3 8 5 3 9 3j ( k g k ) ，y = 8 9 2 1 0 3 k g m 3 ，e ，= 1 1 0g n m 2 ，p = 1 9 1n q i l l ，盯= 1 7 ( m k ) 。理论计算得月= 2 。1 2m q ，t 凇= l 。5 8n s ，c = 2 0 7 1p f ，l = 6 7 0n h ，秒= 1 2 o c ，e = 2 5 5m p a ，f = 1 2 1 8n ( 取f = l o o n s ，i = 5 0 k a ，c = 3 9 0j ( k g k ) 来计算) 。 采用q j 4 4 型携带式直流双臂电桥来测量分流器的阻值，该电桥准确度等级为o 2 级，测量范围是1 0 一一- - 1 1q ，保证准确度的测量范围为1 0 。2 ，一- - 1 1q 。经实际测量，本文 设计的分流器电阻为2 5 8m q 。测量脉冲电流时，将分流器串入放电回路中靠近接地 端的位置。由于分流器的电阻很小，因此它的串入对试验系统的接地电阻、电爆炸金属 丝的电阻以及金属丝电爆炸效果都不会造成明显的影响。 3 2 4 分流器测得的电流波形分析 图3 3 所示为金属丝电爆炸喷涂实验中，当对脉冲电容器组充电至1 0 k v 然后放电 时，分流器测得的金属丝电爆炸瞬间产生的脉冲电流波形。 大连理工大学硕士学位论文 图3 3 充电电压l o k v 时分流器测得的波形y a x i s = 2 0 v d i v ，x - a x i s = 2 5 1 u s d i v f i g _ 3 3m e a s u r e dc u r r e n tw a v e f o r mb ys h u n tw h e nt h ei n i t i a t ec a p a c i t o rv o l m g ei s10k v 对脉冲电容器组充电至1 5 k v 然后放电时，分流器测得的金属丝爆炸瞬间产生的脉 冲电流波形如图3 4 所示。 图3 4 充电电压1 5 k v 时分流器测得的波形y - a x i s = 2 0 v d i v ，x - a x i s = 2 5 p s d i v f i g 3 4m e a s u r e dc u r r e n tw a v e f o r mb ys h u n tw h e nt h ei n i t i a t ec a p a c i t o rv o l t a g ei s1 5k v 脉冲电容器组放电电压为2 0 k v 时，分流器测得的脉冲电流波形如图3 5 所示。 图3 5 充电电压2 0 k v 时分流器测得的波形y a x i s = 2 0 v d i v ，x a x is = 2 5 , u s d i v f i g 3 5m e a s u r e dc u r r e n tw a v e f o r mb ys h u n tw h e nt h ei n i t i a t ec a p a c i t o rv o l t a g ei s2 0k v 17 脉冲高压强流测试装置的研制 当脉冲电容器组的充电电压为l o k v 时，测得的波形幅值为3 6 v ，由于分流器的实测 电阻值为2 5 8 毫欧，所以由公式