針對電熱化學(xué)發(fā)射實(shí)驗所觀(guān)察到的過(guò)電壓現象，基于系統的電路結構、主要元件特性和電熱化學(xué)炮負載特性，通過(guò)對比實(shí)驗、等離子體發(fā)生器電阻測量、等效參數測量和理論分析等研究得出過(guò)電壓的產(chǎn)生機理。
研究表明：過(guò)電壓現象僅在電熱化學(xué)炮發(fā)射過(guò)程中出現，與電熱化學(xué)炮膛內環(huán)境下發(fā)生器的特性直接相關(guān)；機理上過(guò)電壓由發(fā)生器表面斷弧引起。在脈沖放電臨近結束時(shí)刻，膛內環(huán)境使發(fā)生器表面電弧被強制熄滅，負載發(fā)生了突變，導致系統內部出現過(guò)電壓。
負載突變后調波電感的剩余磁能急劇轉換為系統各處雜散電容的電能，電路滿(mǎn)足過(guò)電壓諧振條件，發(fā)生電磁振蕩。根據主要元件的特性簡(jiǎn)要分析過(guò)電壓對絕緣配合的影響，總結過(guò)電壓帶來(lái)的危害，設計了過(guò)電壓緩沖電路。緩沖電路包括阻容電路、緩沖電阻和緩沖電感三部分。
實(shí)驗表明，緩沖電路能有效抑制發(fā)射過(guò)程中由發(fā)生器表面斷弧所引起的過(guò)電壓。當前電熱化學(xué)發(fā)射技術(shù)正向工程應用發(fā)展，研究結果可指導發(fā)射系統的絕緣小型化設計，有助于提高系統的可靠性。
電熱化學(xué)（Electrothermal-Chemical,ETC）發(fā)射技術(shù)利用高功率脈沖電源（Pulsed Power Supply, PPS）將電能以等離子體形式注入含能工質(zhì)藥床中以增強、控制點(diǎn)火與燃燒，改善內彈道性能。與常規發(fā)射技術(shù)相比，ETC發(fā)射技術(shù)具有點(diǎn)火延遲時(shí)間短、發(fā)射一致性好、動(dòng)能高等優(yōu)勢，具有良好的應用前景[1-6]。
由于應用環(huán)境的特殊性，與普通電氣設備相比，ETC系統的安全性更為關(guān)鍵。課題早期的研究中沒(méi)有空間和結構等限制，一般采用高裕度絕緣設計以確保系統發(fā)射安全。當前ETC的技術(shù)方案和技術(shù)途徑已明確，正向工程應用發(fā)展[7-10]，車(chē)載或艦載環(huán)境要求PPS具有高比能、小型化和特定形狀等特點(diǎn)，因此絕緣小型化成為一個(gè)研究重點(diǎn)。
絕緣小型化的主要技術(shù)途徑之一是降低作用到絕緣上的電壓，需要正確認識系統中的異常電壓特別是過(guò)電壓并采取合理的限制措施。本文基于實(shí)驗現象，研究得出ETC發(fā)射過(guò)程中過(guò)電壓產(chǎn)生的機理，簡(jiǎn)要討論過(guò)電壓對絕緣配合的影響與危害，同時(shí)提出抑制過(guò)電壓的具體措施，旨在幫助ETC系統的電源匹配設計和絕緣小型化設計。
1 實(shí)驗系統簡(jiǎn)介
為了開(kāi)展典型模擬環(huán)境驗證工作，研制了一套ETC發(fā)射系統，主要包括發(fā)射器（ETC炮）和兆焦量級PPS，基本組成如圖1所示。PPS使用同軸型脈沖功率電纜，經(jīng)中間匯流器、同軸炮尾輸電裝置向ETC炮供電。
ETC炮的原理結構如圖1a所示。等離子體發(fā)生器（簡(jiǎn)稱(chēng)發(fā)生器）是電熱轉換核心元件，位于藥室內，主要由中心桿式正極、金屬絲、串聯(lián)中間極、負極和絕緣體等組成。金屬絲分布在發(fā)生器的表面形成脈沖放電通路。
本文系統中發(fā)生器的固態(tài)電阻典型值為35 mΩ（LCR測試儀：HIOKI 3532-50型，測量頻率：1 kHz）。
圖1 電熱化學(xué)發(fā)射系統示意圖
目前，由多個(gè)電容儲能的脈沖形成單元（Pulse FormingUnit，PFU）并聯(lián)組成的PPS已被廣泛用作電熱化學(xué)發(fā)射技術(shù)研究和電磁軌道發(fā)射技術(shù)研究的電源平臺，這種類(lèi)型的電源不但成為實(shí)驗研究用電源的主流方案，而且成為未來(lái)工程應用的主要電源方案之一[11-19]。
本文的ETC系統中PPS由20個(gè)PFU并聯(lián)組成，電路原理如圖1b所示，ETC發(fā)射實(shí)驗研究中僅使用其中10個(gè)PFU。圖1b中，C、VT、L、VD分別表示儲能電容、脈沖開(kāi)關(guān)（觸發(fā)真空開(kāi)關(guān)）、調波電感和續流硅堆（整流管串聯(lián)組），下標k（k=1,2,…,20）表示各PFU及其元件相對應的編號。
PFU的主要元件的技術(shù)參數和設備類(lèi)型見(jiàn)表1。PPS工作時(shí)，可根據需要選擇不同數量的PFU，以同步方式或時(shí)序方式控制各PFU進(jìn)行脈沖放電。
表1 PFU主要元件和技術(shù)參數
2 過(guò)電壓現象
ETC發(fā)射實(shí)驗研究中發(fā)生了續流硅堆和調波電感損壞的現象。解剖損壞的整流管發(fā)現，受損元件管芯導電面一般僅出現一個(gè)或數個(gè)點(diǎn)狀燒蝕斑痕，且斑痕多靠近邊緣部位，初步判斷為過(guò)電壓擊穿損壞。調波電感的電極端子（圖1中連接A點(diǎn)的端子）周?chē)l(fā)生碎裂或出現裂痕。
解剖發(fā)現，碎裂電感的線(xiàn)圈匝間燒損嚴重，而裂痕電感的線(xiàn)圈僅連接電極的外層銅箔匝間具有明顯擊穿燒損痕跡，初步判斷故障由匝間過(guò)電壓擊穿造成。部分損壞的器件及其內部解剖照片如圖2所示。
圖2 PFU損壞的元件
為了弄清故障原因，后續實(shí)驗研究中對續流硅堆的作用電壓進(jìn)行了測量（高壓探針：PMK PHV4002型，測量點(diǎn)為圖1中A點(diǎn)）。某次ETC發(fā)射實(shí)驗PPS工作電壓為9.3 kV，采用同步方式脈沖放電，獲得的A點(diǎn)電壓uA波形如圖3所示，同時(shí)給出了脈沖電容電壓uC波形、負載電流iG波形。
對圖3中uA的te處電壓波形作局部放大處理，該處電壓存在劇烈波動(dòng)，表現出具有振蕩性質(zhì)的過(guò)電壓現象，過(guò)電壓幅值最高為19.29 kV，約為工作電壓的2.07倍。
圖3 發(fā)射實(shí)測電壓和電流波形
如圖3所示，在脈沖放電結束時(shí)刻（te），uA幅值明顯高出工作電壓，且具有周期振蕩特征，考慮到此時(shí)膛內火藥已經(jīng)燃燒，金屬絲已經(jīng)完成相變（固態(tài)-液態(tài)-氣態(tài)-電弧等離子體），過(guò)電壓振蕩恰好出現在iG快速下降為零的時(shí)刻附近，據此分析認為該過(guò)電壓應該由負載原因導致，可能與電熱化學(xué)炮膛內環(huán)境下發(fā)生器的特性直接相關(guān)。
3 機理研究
3.1 實(shí)驗對比
為了驗證初步分析結論，研制了一臺發(fā)生器脈沖放電實(shí)驗裝置，在與圖3相同的PPS初始條件下進(jìn)行發(fā)生器置于空氣中的脈沖放電實(shí)驗（空放實(shí)驗）?？辗艑?shí)驗所得波形如圖4所示，在放電結束時(shí)刻沒(méi)有出現過(guò)電壓現象。
另外，iG與圖3中也不相同，電流峰值有所降低，達到峰值后衰減過(guò)程的波形相對平滑，衰減時(shí)間明顯變長(cháng)。
圖4 外置空放實(shí)測電壓和電流波形
后續又開(kāi)展多次不同工況下的實(shí)驗對比研究，相關(guān)實(shí)驗的電壓與電流波形對比結果與前述一致。實(shí)驗對比結果支持前述初步分析與推斷。
3.2 機理分析
實(shí)驗對比研究表明，過(guò)電壓由負載導致，與膛內環(huán)境下發(fā)生器的特性直接相關(guān)。為了研究發(fā)生器的負載特性，在實(shí)驗中對負載電阻進(jìn)行了測量。某次ETC發(fā)射實(shí)驗所得負載電阻曲線(xiàn)如圖5所示，該次實(shí)驗工況與圖3中相同，rG表示發(fā)生器電阻，p表示膛內壓力。
由圖5可知，放電開(kāi)始后不久rG平緩下降，整個(gè)放電過(guò)程中發(fā)生器電阻主要呈低阻特性。脈沖放電開(kāi)始后，在脈沖電流作用下發(fā)生器表面金屬絲經(jīng)歷了固態(tài)、液態(tài)、氣態(tài)等一系列相變后形成了具有低阻特性的高溫等離子體，發(fā)生器在性質(zhì)上屬于快速電爆炸負載，因此在主要放電過(guò)程中發(fā)生器是低阻值的。
在放電臨近結束時(shí)刻rG突然急劇上升（阻值陡升），由p曲線(xiàn)可知，此刻膛壓約為100 MPa，而且正迅速上升，表明已有很大部分的火藥開(kāi)始燃燒，據此分析認為，rG阻值陡升是因發(fā)生器表面被強制斷?。ㄏɑ。┧?，主要分析如下。
圖5 發(fā)生器電阻曲線(xiàn)和發(fā)射膛壓力曲線(xiàn)
1）快速電爆炸點(diǎn)火以后，膛內壓力和溫度隨著(zhù)火藥的燃燒急劇升高，壓力和溫度的升高又反過(guò)來(lái)加快了燃燒速度，燃燒產(chǎn)生的高壓氣流在膛內的高速運動(dòng)對電弧具有摻混、吹滅和降溫作用。
2）火藥燃燒生成的是水、氮氧化合物、碳氧化合物、氮以及其他含氮化合物等多種氣體，這些氣體絕緣性能較好，而且部分氣體不僅分子量較大、分子直徑也較大，是電負性的；同時(shí)，火藥燃氣急劇增大了膛內的氣體密度，由此增大了運動(dòng)質(zhì)點(diǎn)的碰撞概率，也不利于帶電質(zhì)點(diǎn)的運動(dòng)。
上述第1點(diǎn)應是導致發(fā)生器表面斷弧的主要因素。發(fā)生器屬于表面放電類(lèi)型負載，工作時(shí)電弧等離子體與膛內火藥燃氣直接接觸?；鹚幦細獾淖罡邷囟炔淮笥? 000 K，而膛內等離子體的溫度需要維持約6 000 K以上[20]。
隨著(zhù)火藥的劇烈燃燒，膛壓激劇升高，電弧等離子體與膛內氣相必然存在一個(gè)相互快速流入與流出的動(dòng)態(tài)過(guò)程。在脈沖電流較大時(shí)，盡管高壓燃氣能流入等離子體區域，但由于注入該區域的電能較大，該區域仍可繼續保持高溫，同時(shí)新的等離子體也會(huì )繼續迅速生成，因此放電通道能有效維持。
在脈沖放電臨近結束時(shí)刻，因脈沖電流相對較小，電能注入不足，火藥燃氣對等離子體的摻混、吹滅和降溫的作用則變得十分顯著(zhù)，導致發(fā)生器電阻迅速上升，直至發(fā)生斷弧熄滅。
需要說(shuō)明的是，由于電熱化學(xué)炮膛內環(huán)境的特殊性和物理場(chǎng)的復雜性，目前尚無(wú)法清晰和精準地認識膛內發(fā)生器的變化。多年來(lái)，膛內發(fā)生器瞬態(tài)時(shí)變模型的建立與仿真研究一直在有序開(kāi)展。
由于涉及了PPS放電模型、金屬絲電爆炸模型、材料消融、等離子體的生成與射流、固體火藥燃燒模型以及包括電磁場(chǎng)、溫度場(chǎng)、高壓流場(chǎng)等多場(chǎng)問(wèn)題，模型建立的難度非常大。
發(fā)生器表面斷弧使負載電流突然遮斷，對正處于放電狀態(tài)的PFU而言，意味著(zhù)負載電阻發(fā)生了突變。負載突變會(huì )在調波電感上產(chǎn)生較高幅值的端電壓，同時(shí)使得調波電感中的剩余磁場(chǎng)能量急劇轉換為電場(chǎng)能量，并由此引起一個(gè)復雜的電磁振蕩過(guò)程。
負載突變時(shí)調波電感剩余磁能越大（電流越大），過(guò)電壓幅值就越高。從圖3所示的局部放大波形可看出，uA波動(dòng)具有類(lèi)似于諧振過(guò)電壓的明顯特征。
現在的問(wèn)題是：①斷弧后系統電路是什么樣的，是如何滿(mǎn)足諧振條件的？②為什么過(guò)電壓出現在A(yíng)點(diǎn)？
發(fā)生器斷弧前，PFU中觸發(fā)真空開(kāi)關(guān)（Trigger VacuumSwitch，TVS）處于關(guān)斷狀態(tài)，續流硅堆處于導通狀態(tài)。由圖1b可知，PFU電路處于R-L一階放電狀態(tài)。由于負載突變，為了維持電感電流，斷弧發(fā)生后，電感將對其后的部件充電，這些部件包括連接線(xiàn)纜、中間匯流器、ETC炮本體和連接在中間匯流器上的其他PFU等，它們具有一定量值的雜散電容。因此，電感的剩余磁能此時(shí)首先迅速轉換為雜散電容的電能。
由于雜散電容量值相對較小，故電磁振蕩頻率相對較高。一旦存儲電能達到峰值，后續必然進(jìn)行能量的反向轉換。能量反向轉換過(guò)程中，續流硅堆將承受反壓而關(guān)斷，之后該PFU內包括處于關(guān)斷狀態(tài)的TVS、續流硅堆等電感前的元件也將被充電，它們同樣存在著(zhù)一定量值的雜散電容。
TVS的極間電容非常小，而續流硅堆是低頻大功率整流管串聯(lián)組，在振蕩頻率遠大于工頻的情況下電容效應明顯，故應重點(diǎn)考慮續流硅堆結電容的影響。由前述分析得到的發(fā)生器斷弧后PFU的簡(jiǎn)化等效電路如圖6所示。
圖中CA表示A點(diǎn)的等效電容，包括續流硅堆的等效電容、TVS的等效電容等；CB表示B點(diǎn)的等效電容，包括線(xiàn)纜雜散電容、中間匯流器的等效電容、ETC炮本體的等效電容以及連接在中間匯流器上其他PFU的等效電容等；Le表示總等效電感，包括調波電感、線(xiàn)纜雜散電感等；Re表示總等效電阻，包括調波電感的雜散電阻、線(xiàn)纜的雜散電阻等。
圖6 斷弧后PFU的等效電路
對圖6電路進(jìn)行定性分析可知，若斷弧后的等效電路參數能滿(mǎn)足欠阻尼諧振條件，且當CB比CA大得多時(shí)，諧振過(guò)程中A點(diǎn)處電壓幅值會(huì )比B點(diǎn)處電壓幅值高出很多，本文故障機理也就隨之明確。
為此，對圖6電路中各等效參數進(jìn)行了測量，所得數據見(jiàn)表2。結果表明，等效參數能滿(mǎn)足圖6電路發(fā)生諧振的條件，而且CB確實(shí)遠大于CA。其主要原因是CB包含了并聯(lián)在中間匯流器上其他PFU的等效電容，而它們的主要成分之一是各續流硅堆的等效電容。
由表2中 200 kHz下的測量數據計算可知，圖6等效電路的固有頻率約為186.98 kHz，而圖3中uA的振蕩頻率約為166.67 kHz（較明顯的4個(gè)周波約24 μs），二者存在偏差，但偏差在合理范圍之內，應是由于實(shí)際放電中元件等效參數略有不同以及測量誤差等因素造成。因此，測量結果支持了本文的機理分析。
另外，表2中CA隨頻率的升高而明顯降低，原因是整流管的等效電容主要包括PN結的勢壘電容和擴散電容，勢壘電容非常小，擴散電容隨頻率的增加而減小[21]。
表2 等效參數測量結果
綜上可知，過(guò)電壓的形成機理已經(jīng)清楚：在脈沖放電臨近結束時(shí)刻，電熱化學(xué)炮膛內環(huán)境使發(fā)生器表面電弧被強制熄滅，對脈沖放電未盡的PFU而言，電弧熄滅意味著(zhù)負載電阻發(fā)生了突變，調波電感端電壓將激劇升高，電感的剩余磁能迅速轉換為系統各處雜散電容的電能，并由此引起了電磁振蕩，斷弧后的電路滿(mǎn)足發(fā)生過(guò)電壓諧振的條件。
分析圖6等效電路可知，過(guò)電壓幅值與發(fā)生器斷弧時(shí)調波電感的電流（剩余磁能）密切相關(guān)。大量實(shí)驗表明，剩余磁能具有一定的隨機性，其值受到PFU電路參數、開(kāi)關(guān)觸發(fā)特性、發(fā)生器、火藥、電熱化學(xué)炮內膛結構以及膛內氣體氣壓與氣流等諸多因素的影響。
就本文ETC系統而言，統計表明過(guò)電壓幅值多略大于工作電壓的2倍。以表2所示100 kHz下電路參數的測量值為例計算可知，發(fā)生器斷弧時(shí)調波電感的電流約為0.35 kA就可以造成A點(diǎn)部位出現2倍于工作電壓幅值的過(guò)電壓。
4 過(guò)電壓保護
4.1 過(guò)電壓的危害
由于ETC應用的特殊性，絕緣配合至關(guān)重要。下面根據主要元件的特性簡(jiǎn)要地討論過(guò)電壓對絕緣配合的影響及其危害性。
脈沖電容的容量相對很大，自身就具有限制電壓突升的能力，且過(guò)電壓發(fā)生過(guò)程中被TVS隔離，因此可不必考慮過(guò)電壓的影響，只需根據工作電壓進(jìn)行設計與選擇。TVS與脈沖電容串聯(lián)，在關(guān)斷狀態(tài)下極間電容很小，過(guò)電壓將主要作用于TVS上，因此需要根據過(guò)電壓特性進(jìn)行設計與選擇。受限于單管的電壓水平，續流硅堆必須由多個(gè)整流管串聯(lián)組成。
由于實(shí)際管件特性的分散性和應用環(huán)境的惡劣性，續流硅堆因電壓損壞的可能性最大，原因主要是串聯(lián)組的不均壓?jiǎn)?wèn)題，特別是動(dòng)態(tài)不均壓?jiǎn)?wèn)題。本文整流管的損壞與動(dòng)態(tài)不均壓?jiǎn)?wèn)題更是密切相關(guān)，過(guò)電壓將使得串聯(lián)組器件數量更多，動(dòng)態(tài)均壓更為困難，元件更易損壞。
為了減少串聯(lián)管件數量，續流硅堆設計時(shí)應根據過(guò)電壓特性盡量選取電壓水平高的管件，同時(shí)要嚴格考查所選管件的性能，使它們的動(dòng)態(tài)特性盡可能一致。在過(guò)電壓對調波電感的絕緣影響方面不能僅考慮過(guò)電壓對其主絕緣（整體絕緣）的影響，還應根據分布參數充分考慮對匝間絕緣的影響。
由于匝間存在分布電容，動(dòng)態(tài)過(guò)程中調波電感繞組中各處電壓分布并不均勻，各點(diǎn)的電位梯度也不同，首、尾端附近的電位梯度最大，因此需要根據過(guò)電壓幅值加強首、尾端的匝間絕緣。另外，之前實(shí)驗中調波電感損壞部位主要在電極端子附近，后續器件提高了電極端子附近的匝間絕緣，沒(méi)有再次發(fā)生類(lèi)似故障。
簡(jiǎn)言之，過(guò)電壓所帶來(lái)的危害主要包括：①對系統絕緣要求變高，不利于小型化設計，增加了系統工程化的困難；②增加了電壓擊穿故障發(fā)生的概率，迫使元件大幅度地提高絕緣水平；③使續流硅堆串聯(lián)元件數量增多，增大了動(dòng)態(tài)均壓的難度，元件更容易損壞；④系統造價(jià)和維護費用變高，經(jīng)濟性變差。
4.2 保護措施
過(guò)電壓危害很大，必須采取合適的措施來(lái)抑制和削弱。本文的過(guò)電壓現象是由于發(fā)生器表面斷弧、電阻突變導致，過(guò)電壓因電路滿(mǎn)足串聯(lián)諧振條件而產(chǎn)生。有效應對措施之一是設法避免或消除電路發(fā)生諧振的條件。
對于串聯(lián)諧振系統，常用方法是在回路中串聯(lián)電阻來(lái)增大阻尼比，然而ETC系統發(fā)射需要高幅值脈沖電流，若采用串聯(lián)電阻消諧，則必然使PFU輸出電流降低，電能利用效率減小。
研究表明，可行的方法是并聯(lián)緩沖電路，利用緩沖電路改變原電路拓撲，同時(shí)提高阻尼比來(lái)抑制諧振和削弱過(guò)電壓。
就本文系統而言，為了盡可能地減少附加影響，緩沖電路的主要方案采用了并聯(lián)阻容吸收電路，具體措施包括：①在A(yíng)點(diǎn)與地之間增加阻容吸收電路；②在A(yíng)點(diǎn)與B點(diǎn)之間增加阻值適當的緩沖電阻；③為續流硅堆串聯(lián)小量值的緩沖電感。
阻容電路和緩沖電感需依據PPS電路參數和ETC發(fā)射工況設計與選取，通過(guò)理論計算和Matlab/Simulink仿真分析，設計的緩沖電路為：①阻容電路5 Ω-0.5 μF；②緩沖電阻200 Ω；③緩沖電感0.2 μH。
緩沖電路安裝以后進(jìn)行的ETC發(fā)射實(shí)驗表明，電路設計得當，達到了抑制過(guò)電壓的目的。與圖3相同初始條件下，發(fā)射實(shí)驗所得的電壓曲線(xiàn)如圖7所示，在脈沖放電結束時(shí)刻，A點(diǎn)電壓幅值僅約為1.38 kV，振蕩幾乎被完全消除，緩沖電路對過(guò)電壓起到了很好的抑制效果。
圖7 安裝緩沖電路后A點(diǎn)電壓曲線(xiàn)
研究認為，另一個(gè)可行的方法是采用金屬氧化物限壓元件來(lái)抑制過(guò)電壓[22,23]。金屬氧化物限壓元件具有保護特性好、動(dòng)作反應快、通流容量大、結構簡(jiǎn)單和體積小等優(yōu)點(diǎn)。根據其技術(shù)特點(diǎn)分析，用于ETC系統預計能有效抑制過(guò)電壓。
但由于ETC系統應用的特殊性，適用器件需要專(zhuān)門(mén)研制，故目前未開(kāi)展研究嘗試。下一步將根據ETC炮系統工程化的發(fā)展與需要，開(kāi)展相關(guān)實(shí)驗研究。
5 結論
1）對比實(shí)驗表明，過(guò)電壓只出現在電熱化學(xué)炮發(fā)射過(guò)程中的脈沖放電結束時(shí)刻，與電熱化學(xué)炮的負載特性直接相關(guān)。機理研究表明，過(guò)電壓由發(fā)生器表面斷弧、負載突變引起，因系統存在雜散電容，斷弧后的電路滿(mǎn)足發(fā)生過(guò)電壓諧振的條件。
2）根據主要元件的特性簡(jiǎn)要分析了過(guò)電壓對絕緣配合的影響，總結了過(guò)電壓帶來(lái)的危害，并為本文的ETC系統設計了過(guò)電壓緩沖電路。過(guò)電壓緩沖電路包括阻容電路、緩沖電阻和緩沖電感等。實(shí)驗表明，緩沖電路能有效抑制過(guò)電壓，效果良好。
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