电感储能型脉冲功率系统中电爆炸丝断路开关实验装置的制作方法

本发明属于电爆炸丝断路实验技术领域，特别涉及一种电感储能型脉冲功率系统中电爆炸丝断路开关实验装置。

背景技术：

储能系统和开关是脉冲功率系统中，实现对能量进行时间上和空间上压缩，形成高能脉冲的重要部分。储能系统的原理、储能密度、能量转换的复杂程度，开关的工作原理、换流能力、控制方案等，直接决定了脉冲功率系统的工作原理、输出高能脉冲的参数、体积和效率。因而，目前在脉冲功率领域，开关和储能系统是研究的重点之一。

目前常见的储能方式有电感储能、电容储能、化学储能、机械储能等，就能量的存储与转换的难易程度而言，前两种方式最具有实际应用价值，也是在脉冲功率系统中最广泛采用的储能方式。从储能密度来看，电感储能的储能密度比电容储能高两个数量级，因而，电感储能方式更适用于对体积、效率要求苛刻的脉冲功率系统。在采用电感储能的脉冲功率系统中，电感存储能量的释放和脉冲的形成一般是通过断路开关进行的。电爆炸丝作为最常见的断路开关，能满足脉冲功率系统对大能量、大电流、高功率及低成本的要求，广泛地应用在等离子体物理、受控核聚变、电磁推进、大功率激光器、电磁成型等电感储能型脉冲功率系统中。

电爆炸丝作为断路开关应用在电感储能型脉冲功率系统中，借助于电感储能的高能量密度，电爆炸丝断路开关的强开断能力，极短的开断时间，使得采用此技术的脉冲功率系统拥有良好的性能、较高的效率和较小的体积。宏观来讲，电爆炸丝的开断原理极为简单。金属丝流过大电流，发出热量，温度急剧升高，在极短的时间内发生由固体到液体，再到气体，等离子体的相变，并伴随着发光、发热、冲击波、电磁辐射等物理现象。在此过程中，金属丝电阻急剧升高，直到最终切断电路，完成断路任务。微观来讲，电爆炸丝的开断原理异常复杂，涉及到复杂的物理学现象，以及物理学和电学的关联问题。到目前还有较多认识不清或学界没有达成一致意见，仍需研究的部分。

脉冲功率系统的可靠性，输出脉冲的功率与时间参数，系统的体积与设计的难度等一直是设计脉冲功率系统时关注的重点因素。鉴于如前所述的电感储能型脉冲功率系统的诸多优点和广泛应用，深入研究电爆炸丝的开断机理，掌握其开断能力、开断时间与金属丝材料、几何尺寸、环境因素、电路条件等众多因素之间的关系，对于设计性能优良、效率高的电感储能型脉冲功率系统至关重要，也是提高脉冲功率系统性能和效率的迫切需求。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种电感储能型脉冲功率系统中电爆炸丝断路开关实验装置。该实验装置能够实现测量不同材料、几何尺寸的电爆炸丝在不同条件下的开断能力和开断时间，研究电爆炸丝断路开关的开断特性，得到电爆炸丝的开断理论，指导实际应用。

本发明是这样实现的：一种电感储能型脉冲功率系统中电爆炸丝断路开关实验装置，包括主控制电路、高压脉冲电源、升压整流电路、电爆炸丝断路开关实验电路、高压测量电路、脉冲高压电流测量电路和人机界面。

主控制电路包含单片机及外围电路、光纤-串口转换电路、AD采集电路和接口电路。单片机采用的是C8051F020，具备较多的IO接口，片上AD，兼容51指令集，具有较好的电磁兼容性，能够很好地胜任作为该实验装置的主控芯片的工作。主控制电路完成的主要功能包括：通过高压测量电路对脉冲电容器组两端电压值进行测量，并根据分压比进行换算，得出脉冲电容器组上电压真实值；通过直流电机驱动器对自耦变压器中的触点位置进行操控，从而改变自耦变压器的输出电压；根据采集计算出的脉冲电容器组电压值与接收的人机界面发送的预算值的对比，对自耦变压器的输出电压进行修正调节；向高压脉冲电源发送低压脉冲信号；通过光纤与人机界面进行通信，把采集的脉冲电容器组电压信息实时的传输给人机界面；同时接收并执行人机界面传送过来的控制指令。

高压脉冲电源包含高隔离变压器、低压触发信号、光纤隔离传输电路、整流电路、储能电路、可控硅和脉冲变压器。高压脉冲电源的主要功能是同步放大来自主控制电路的低压脉冲信号，产生高压脉冲信号，触发火花隙开关导通。其原理在专利（申请号：201310466487.8）中已有较详细叙述。

升压整流电路包含自耦变压器、高压变压器、整流硅堆和限流电阻。其中自耦变压器能够通过电机调节输出电压，其输入为市电，输出电压在0~250V之间连续可调。自耦变压器接收来自主控制电路发送的电机控制信号，改变输出电压并输送给高压变压器。高压变压器的升压比为1:100，其输出的高压经整流硅堆单相整流后通过限流电阻给脉冲电容器组充电。升压整流电路能够给脉冲电容器组充电的最高电压为35 kV。采用的整流硅堆的最大反向耐压为80 kV。

电爆炸丝断路开关实验电路由脉冲电容器组、火花隙开关、储能电感、金属丝、空气开关和负载组成。脉冲电容器组由4台1.04μF/30kV的脉冲电容器并联组成。当脉冲电容器组上的电压充至预设值时，可通过人机界面上的按钮向主控制电路发送放电指令，主控制电路向高压脉冲电源发送低压脉冲信号，经放大为高压脉冲信号后，触发火花隙开关导通，脉冲电容器组上的能量经火花隙开关，储能电感对金属丝放电。当金属丝经电加热，温度超过其沸点后熔断，断开此放电回路，储能电感上感应出的高压使空气开关导通，完成电流的切换，脉冲能量释放到负载上。其中火花隙开关的情况详见专利（专利号：201310000147.6）。

高压测量电路由两支高压电阻组成。两支高压电阻的阻值之比为15000:1，当脉冲电容器组上的电压为20kV时，输出的低压为1.33V。此低压信号通过屏蔽双绞线送至主控制电路的AD采集电路。

脉冲高压电流测量电路包括测量金属丝两端脉冲高压的高压探头、测量金属丝上脉冲电流的Rogowski线圈、示波器。示波器为数字存储式，能够记录脉冲电压和电流波形，并存储至电脑。

人机界面包括单片机控制电路、控制按钮和液晶点阵显示屏。人机界面的主要功能有：监控操作人员通过按键发出的指令，并且把指令通过光纤传输到主控制电路；通过光纤接收主控制电路传输过来的当前脉冲电容器组的电压值，并实时的显示在LED屏上。其中LED屏幕上能够显示预设电压值，实际电压值和相关的状态信息。

其中，主控制电路、高压脉冲电源、升压整流电路、电爆炸丝断路开关实验电路和高压测量电路安置于机柜内。主控制电路和高压脉冲电源安装在机柜上部的安装板I上，安装板I竖直放置；升压整流电路和高压测量电路位于机柜的底层，其中整流电路部分和高压测量电路位于机柜底层的安装板III上，安装板III也竖直放置；电爆炸丝断路开关实验电路置于安装板II上，安装板II水平放置，位于机柜中部；用于脉冲高压和电流测量的高压探头和Rogowski线圈同样放置在安装板II上。

在机柜周围布置有屏蔽网，屏蔽网留有门，方便实验人员进出。

脉冲高压电流测量电路和人机界面放置于屏蔽网外部的实验台上。

本发明具有以下有益效果：

(1)通过电爆炸丝断路开关实验，得到不同材料、几何尺寸金属丝在不同初始电压等条件下的开断参数，为电爆炸金属丝断路开关在电感储能型脉冲功率系统中高效应用提供理论和数据支持。

(2)实验装置具备较高自动化水平，在提高实验参数精度的前提下极大地减轻了操作人员的劳动强度。

(3)实验装置具备较强的安全性。实验装置涉及到高压，实验人员和设备的安全极为重要。为了保证安全性，在设计过程中，采取的设计方案确保了操作人员附近无高压，也通过技术手段切断高压向操作人员传输的通道。

(4)实验装置具备较高的可靠性。为了确保实验装置在运行中不会出现技术性故障和可靠性问题，在设计过程中着重解决了低压设备的抗电磁干扰问题、通信可靠性问题、高压节点连接的可靠性问题、设备的容错问题等。

(5)实验装置具备较强的可维护性。在设计实验装置时，考虑实验模块的安装、拆卸、替换等方面的问题，低压信号电缆有明确标注，合理走线，便于维护。当出现设备故障时，实验装置可进入诊断模式以排查故障点。

附图说明

图1为本发明的电感储能型脉冲功率系统中电爆炸丝断路开关实验装置框图。

图2为本发明实施例中电感储能型脉冲功率系统中电爆炸丝断路开关实验装置装配示意图。

图3为本发明的电感储能型脉冲功率系统中电爆炸丝断路开关实验装置的主控制电路原理图。

图4为本发明的电感储能型脉冲功率系统中电爆炸丝断路开关实验装置的高压脉冲电源原理框图。

图5为本发明的电感储能型脉冲功率系统中电爆炸丝断路开关实验装置的升压整流电路原理示意图。

图6为本发明的电感储能型脉冲功率系统中电爆炸丝断路开关实验装置的电爆炸丝断路开关实验电路原示意图。

图7为本发明实施例中主控制电路和人机界面的工作程序流程图。

图8为本发明实施例中典型的金属丝上脉冲电压电流波形图。

图中标记：1-主控制电路；2-高压脉冲电源；3-升压整流电路；4-电爆炸丝断路开关实验电路；5-高压测量电路；6-脉冲高压电流测量电路；7-人机界面；101-外围电路；102-光纤-串口转换电路；103- AD采集电路；104-接口电路；201-高隔离变压器；202-整流电路；203-储能电路；204-低压触发信号；205-光纤隔离传输电路；206-可控硅；207-脉冲变压器；301-自耦变压器；302-高压变压器；303-整流硅堆；304-限流电阻；401-脉冲电容器组；402-火花隙开关；403-储能电感；404-金属丝；405-空气开关；406-负载。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的工作原理和实施方法作进一步详细说明。

实施例：

实验装置的布置如图2所示，具体为：一种电感储能型脉冲功率系统中电爆炸丝断路开关实验装置，包括主控制电路1、高压脉冲电源2、升压整流电路3、电爆炸丝断路开关实验电路4、高压测量电路5、脉冲高压电流测量电路6和人机界面7。

主控制电路1包含单片机及外围电路101、光纤-串口转换电路102、AD采集电路103和接口电路104。单片机采用的是C8051F020，具备较多的IO接口，片上AD，兼容51指令集，具有较好的电磁兼容性，能够很好地胜任作为该实验装置的主控芯片的工作。主控制电路1完成的主要功能包括：通过高压测量电路5对脉冲电容器组401两端电压值进行测量，并根据分压比进行换算，得出脉冲电容器组401上电压真实值；通过直流电机驱动器对自耦变压器301中的触点位置进行操控，从而改变自耦变压器301的输出电压；根据采集计算出的脉冲电容器组401电压值与接收的人机界面7发送的预算值的对比，对自耦变压器301的输出电压进行修正调节；向高压脉冲电源2发送低压脉冲信号9；通过光纤11与人机界面7进行通信，把采集的脉冲电容器组401电压信息实时的传输给人机界面7；同时接收并执行人机界面7传送过来的控制指令。

高压脉冲电源2包含高隔离变压器201、低压触发信号204、光纤隔离传输电路205、整流电路202、储能电路203、可控硅206和脉冲变压器207。高压脉冲电源2的主要功能是同步放大来自主控制电路1的低压脉冲信号9，产生高压脉冲信号10，触发火花隙开关402导通。其原理在专利（申请号：201310466487.8）中已有较详细叙述。

升压整流电路3包含自耦变压器301、高压变压器302、整流硅堆303和限流电阻304。其中自耦变压器301能够通过电机调节输出电压，其输入为市电，输出电压在0~250V之间连续可调。自耦变压器301接收来自主控制电路1发送的电机控制信号，改变输出电压并输送给高压变压器302。高压变压器302变压器的升压比为1:100，其输出的高压经整流硅堆303单相整流后通过限流电阻304给脉冲电容器组401充电。升压整流电路3能够给脉冲电容器组401充电的最高电压为35 kV。采用的整流硅堆303的最大反向耐压为80 kV。

电爆炸丝断路开关实验电路4由脉冲电容器组401、火花隙开关402、储能电感403、金属丝404、空气开关405和负载406组成。脉冲电容器组401由4台1.04μF/30kV的脉冲电容器并联组成。当脉冲电容器组401上的电压充至预设值时，可通过人机界面7上的按钮向主控制电路1发送放电指令，主控制电路1向高压脉冲电源2发送低压脉冲信号9，经放大为高压脉冲信号10后，触发火花隙开关402导通，脉冲电容器组401上的能量经火花隙开关402，储能电感403对金属丝404放电。当金属丝404经电加热，温度超过其沸点后熔断，断开此放电回路，储能电感403上感应出的高压使空气开关405导通，完成电流的切换，脉冲能量释放到负载406上。其中火花隙开关402的情况详见专利（专利号：201310000147.6）。

高压测量电路5由两支高压电阻组成。两支高压电阻的阻值之比为15000:1，当脉冲电容器组401上的电压为20kV时，输出的低压为1.33V。此低压信号通过屏蔽双绞线送至主控制电路1的AD采集电路103。

脉冲高压电流测量电路6包括测量金属丝404两端脉冲高压的高压探头、测量金属丝404上脉冲电流的Rogowski线圈、示波器。示波器为数字存储式，能够记录脉冲电压和电流波形，并存储至电脑。

人机界面7包括单片机控制电路、控制按钮和液晶点阵显示屏。人机界面7的主要功能有：监控操作人员通过按键发出的指令，并且把指令通过光纤11传输到主控制电路1；通过光纤11接收主控制电路1传输过来的当前脉冲电容器组401的电压值，并实时的显示在LED屏上。其中LED屏幕上能够显示预设电压值，实际电压值和相关的状态信息。

其中，主控制电路1、高压脉冲电源2、升压整流电路3、电爆炸丝断路开关实验电路4和高压测量电路5安置于机柜内。主控制电路1和高压脉冲电源2安装在机柜上部的安装板I上，安装板I竖直放置；升压整流电路3和高压测量电路5位于机柜的底层，其中整流电路部分和高压测量电路5位于机柜底层的安装板III上，安装板III也竖直放置；电爆炸丝断路开关实验电路4置于安装板II上，安装板II水平放置，位于机柜中部；用于脉冲高压和电流测量的高压探头和Rogowski线圈同样放置在安装板II上。

在机柜周围布置有屏蔽网，屏蔽网留有门，方便实验人员进出。

脉冲高压电流测量电路6和人机界面7放置于屏蔽网外部的实验台上。

在利用本实施例的实验装置进行电爆炸丝断路开关实验时，需要两名实验操作人员，分别为人员1和人员2。

首先确保实验装置断电，脉冲电容器组401放电完毕的前提下，人员1和人员2通过隔离门进入隔离网，放置接地棒。人员1检查设备情况，接线是否牢靠，设备安装是否到位等，人员2安装金属丝404，放置测量探头和线圈。检查无故障并安装好金属丝后取下接地棒，所有人员撤出隔离网，并关闭隔离门。

人员2记录环境参数，金属丝材料、几何尺寸，预设充电电压等实验参数，人员1给实验设备通电，待主控制电路1，脉冲高压电流测量电路6和人机界面7完成自检并正常后，人员1通过人机界面7设置预设充电电压，完毕后下达开始充电按钮，人员2观察设备运行情况。

人机界面7通过光纤11向主控制电路1发送预设的脉冲电容器组401充电电压和开始充电命令，主控制电路1向自耦变压器301中的直流电机发送驱动命令，自耦变压器301逐渐提高输出电压到高压变压器302，高压变压器302输出高压经整流后给脉冲电容器组401充电，脉冲电容器组401上的充电电压经高压测量电路5转换为低压信号后送与主控制电路1，以判断脉冲电容器组401上的电压是否达到预设值。当充电完成后，主控制电路1驱动电机使自耦变压器301输出电压为0。主控制电路1把脉冲电容器组401上的电压实时发送给人机界面7，并在充电完成后发送充电完成信息。此时人机界面7上显示充电完成标志，以提示实验人员可以进行放电操作。在此过程中，所有人员观察设备运行情况，如有异常，按急停按钮以终止实验。

人员1按动放电按钮，人机界面7向主控制电路1发送放电命令，主控制电路1向高压脉冲电源2发送低压脉冲信号9，经放大后形成高压脉冲信号10触发火花隙开关402，储存在脉冲电容器组401上的能量通过储能电感403释放到电爆炸丝404上，金属丝404温度急剧上升，当达到沸点后，金属丝404断开，储能电感403感应出高压使空气开关405击穿导通，脉冲能量释放到负载406上，完成脉冲能量的切换。在此过程中脉冲高压电流测量电路6自动记录金属丝404上的脉冲高压和电流波形。

放电结束后，人员1按动结束按钮，辅助电路释放掉脉冲电容器组401的剩余能量，释放完毕后在人机界面7上显示相应标志。此过程中人员2继续观察实验装置的运行情况。

人员1操作示波器，存储电压和电流波形，人员2记录存储的数据文件名。人员1设置示波器，以便记录新的数据。

人员1断开实验装置电源，打开隔离门，放置放电棒到脉冲电容器组401正极后，所有人员进入隔离网，准备下一次实验。

实验完毕后，给实验装置断电，打开隔离门，放置放电棒后，关闭隔离门，所有人员撤离。人员1把示波器中存储的波形转存到计算机上，研究人员结合实验参数对实验波形进行分析，判断不同参数下金属丝的开断时间和开断能力，总结金属丝开断规律，形成电爆炸金属断路开关的工作原理。图8是电爆炸丝断路开关工作时典型的电压电流波形。