深圳会议papers中国电源学会第二十一

1、电源学会第二十一届学术年会集高压脉冲电容器综合测试平台设计，（工程物理流体物理研究所，中物院脉冲功率科学与技术，四川 绵阳 621900）Design of Integration Test Device of High voltage Pulse CapacitorWang Lingyun, Zhang Le, Wang Meng, Yuan Jianqiang, Liu Hongwei, Ma Xun, Jiang（Key Laboratory of Pulsed Power, Institute of Fluid Physics, CAEP, P.O. Box 919-108, Mian

2、yang 621900,）ABSTRACT: High voltage pulse capacitor is a major element in the high-voltage pulse power supply system, large-scale special power systems use a lot of high-voltage pulse capacitor, the capacitance of reliability is particularly important, we design a high-voltage pulse capacitors integ

3、rated test platformfor research parameters and life .试验。主要因为额定工作条件下的冲击参数难以获得，如果模拟回路设计不当，将不能输出额定电流。并且电容器的耐久性实验周期较长，压下的动态参数获取也较为。1 高压脉冲电容器性能参数及应用环境1.1 高压脉冲电容器性能参数高压脉冲电容器主要分为冲击电压、冲击电流、冲击分压、非连续脉冲装置电容器、重频脉冲装置电容器几大类。其广泛的应用于冲击电压发生器装置、冲击电流发生器装置、脉冲分压器、单次高脉冲功率脉冲功率装置、重频脉冲功率装置等。高压脉冲电容器主要有额定电容量、额定工作KEY WORDS: sp

4、ecial power; high voltage pulse power; highvoltage pulse capacitors; test platform摘要：高压脉冲电容器是高压脉冲电源系统中的主要储能元件之一，由于在大型特种电源系统中大量使用高压脉冲电容器，固其可靠性尤为重要，本文设计了一套高压脉冲电容器综合测试平台，用于研究和测试高压脉冲电容器的各项参数与 指标。：特种电源；高压脉冲电源；高压脉冲电容器；测试电压、峰值电流、内感、次数等性能参数。表平台1 为GA 公司几款典型脉冲电容器的参数指标。表 1 GA 公司脉冲电容器参数引言型号容量额定电峰值电电感脉冲电容器是脉冲功率电

5、源系统中主要的储编号/nF100压/kV100流/kA 252525/次3.4×1043.4×1051×108×1081×109/nH 1066060/mm 58×150×358×150×102×153×267102×153×21658×150×102能元件之一，在核物理、高功率微波、及其354621-3它高新技术领域里具有广泛的应用 。随着脉冲功率技术的发展及其在工业中的应用，较多高压脉冲电源系统大量使用高压脉冲电容器，并且需间重频工作。因此要

6、实现重频脉冲功率系统的靠性，对电容器的可靠性研究及测试尤为重要4-5。由于脉冲电容器工作放电时间远小于充电时间，在短时间内需输出数十千安的峰值电流，回路会产生巨大的电动力冲击，所以高压脉冲电容器的放电条件及测试环境都极为苛刻。在国内脉冲电容器参考标准中，连续脉冲用电容器的耐久性试验由购买方与生产方协商确定，目前国内脉冲电容器厂家不进行额定工作条件下的冲击参数测试和耐久性403425*4525251.2 高压脉冲电容器几种典型应用电路结构高压脉冲电容器主要用于冲击电压发生器、冲击电流发生器、冲击分压器及振荡回路等高压试验装置，还应用在激光技术、电磁成型、液电成型、液电破碎、贮能焊接、地质勘探等领

7、域。近十多年来，脉冲电容器在惯性约束聚变、强磁场、新概念、电化学枪、等离子技术、火箭技术、环保、生物工程及医学等领域取得了迅速的发展6。从电路结构上看，电路结构应用形式主要为直接放电或串并联、Marx 型倍压及衍生电路、式并联或混合模式，图 1 为两种高压脉冲电容器在基金项目：自然科学基金项目(50937004);工程物理科学技术发展基金项目(2008A0402015)1727电源学会第二十一届学术年会集大型装置建设中的典型应用电路7-9。图 2 脉冲电容器典型测试电路测试电路主要有高压脉冲电容试品、重频触发开关、高压充电电源、重频触发器、测量测试等。图 1（a）Marx 发生器电路应用结构2

8、电容器综合实验平台设计基于脉冲电容器的极限参数测试和研究的需求，设计了同轴低电感测试主回路，使用高压长开关，采用直流超声局放测试系统，设计完成了一套用于低电感、大电流脉冲电容器的综合参数测试平台。平台结构如图 3 所示，共 9 个模块。分别为主回路测试模块、直流局放测试模块、直流测量及高压接地开关、高压恒流充电电源模块、重频触发电源模块、气体处理单元模块、放电参数检图 1（b）混合模式模块电路1.3 高压脉冲电容器充放电测试参数在脉冲电容器参数测试中，涉及电容量、介质损耗、耐压值，在输出大电流、窄脉宽的系统中，还需要测试脉冲电容器的内阻、内感等参数。在重频、大电流的脉冲功率系统中，还需要测试脉

9、测及模块、温度、总控单元模块。通过多个模块的组态结构，构建了一套全自动化高压脉冲电容器参数在线测试系统。其中另设计了一个低压测试模块，用于在低电压下进行内感、内阻和容量等参数测试。冲电容器在重频下的参数，计算可靠性。图 2为典型的脉冲电容高压参数测试电路结构。图 3 脉冲电容器综合测试平台结构1728电源学会第二十一届学术年会集2.1主回路测试模块由于高压脉冲电容器在测试过程中，需要最大程度减小回路电感的影响，测试模块设计成同轴结构，并可实时调整连接高度，以减小回路电感。如图 4 所示，整个测试模块采用快速密封连接，左右两侧设置超声波测试收集，前端为高压充电接口，后端为高压触发接口，下端设置测

10、试信号接口，上端为装接并设置气体循环接口。回路中放置电流测试探头、固态脉冲功率电阻、被测高压脉冲电容器、高压长气体开关等器件。图 4 直流局放测试示意图高压触发器2.3长由于平台需要进行低电感、长时间、重复频率运试，高压长开关和触发器的指标尤为关键。设计了一套固态型高压触发器，采用固态开关激励脉冲变压器升压，后端采用磁开关进行脉冲压缩，以解决重复频率和长如图 5 所示。指标。电路结构图 4 脉冲电容器主回路测试模块2.2局放测试模块设计缺陷是影响绝缘老化发展的主要因素，由于局部放电信号与其内部的缺陷状况密切相关，可用于评估不同设计结构、工艺的的绝缘性能，揭示其缺陷，甚至可以局部放电特性试验结果

11、为基图 5 长高压触发器电路结构础，确定绝缘介质的工作场强，电气的寿2.4温度单元模块命10。电容器测试平台设计了局放测试结构，如图5 所示，中间为被试电容器，左右设置超声局放收集极。收集集采用锥形结构，通过法线定位设计， 将电容器在高压测试过程中产生的局部放电信号 收集至末端。后通过超声信号传感器，将局部放电信号处理传输至主机进行处理和比较，实现实时检由于高压脉冲电容器在高压测试中处于位状态下，并且伴随着强电磁干扰，无法采用传统进行温度，考虑到测试结构的密封性能和绝缘，设计配备了光纤测温结构，采用测温光纤进行温度信号，经过信号转换后送入单元。2.5总控平台设计高压脉冲电容器测脉冲电容器在高压

12、下的局部放电参数，器是否出现异常和性能下降。电容测试工作往往会持续很长时间，为了得到一个电容器实际测试数据，耗时1729电源学会第二十一届学术年会集为了进行快速计算，在电容器总控平台中，集量甚至达到数，固测试工作必须实现自动成了计算控件，可直接将信号参数与计算。，进化。本文采用了工业组态等技术，基于组态与PLC技术，将系统模块进行集成，设计了多重保护逻辑，编制了人机行。图 6 为电容器界面，以实现自动化运实验平台的台。图 8 低压模块测试输出波形T 2L =（1）4p 2CSR = 2L ln I1 =Tln I1 （2）TI2p 2 × CI2S2图 6 电容器实验平台界面2.6低

13、压测试模块电容器的部分参数可在低压下直接测量，如电容量与介质损耗。但电感和内阻等参数需要进行特殊测量，电容器综合实验平台另设计了低压测试模块，为降低回路电感，需实时采用磨具，将电容器样品进行整体包围。如图 7 所示，模块下端设置B-dot 测试结构，上端设置数kV 的高压小电流充电， 并在中间设计低电感间隙，进行电容器低压短路放电测试。3结论通过同轴低电感测试主回路设计、直流超声局部放电测试结构设计、高压重频触发设计等，使用高压长开关与固态脉冲功率电阻，对电容器综合实验平台进行模块化组态集成，并配置了低压测试模块，完成了一套用于低电感、大电流、高压脉冲电容器的综合参数测试平台，并实现了自动化运

14、行，应用于脉冲电容器综合参数测试分析与究。参考文献研1LIU X SHigh Pulsed Power TechnologyM National Defense Industry Press，2005Macdougall F, Ennis J, Yang X H C, et al. High energy density capacitors for pulsed power applicationsC/ Pulsed Power Conference, 2009. PPC '09. IEEE, 2009:774- 778Macdougall F W, Ennis J B, Coope

15、r R , et al. High energy density pulsed power capacitorsC/Pulsed Power Conference, 2003. Digest of Technical Papers. PPC-2003. 14th IEEE International. IEEE, 2003:513-517 Vol.1.，叶海福高压脉冲电容器的直流局部放电绝缘：23图 7 电容器低压测试模块过测试得到的电容器波形，将波形数据进，采用公式 1 与公式 2 进行推导计算。4图 8检测J压技术，2006，32(6)：5-8量5张血琴高压储能电容器绝缘失效机理及测试技术的研1730电源学会第二十一届学术年会集究D成都：西南交通大学，2007低抖动 Marx 发生器J强激光与粒子束，2009(01)：152-1566，究J，等脉冲电容器的可靠性试验研压技术2003(08)：39-4110，华，等高压脉冲造成储能电容7Li Hongtao，et alDevelopment of a high-reliability l