針對電熱化學(xué)發(fā)射實驗所觀察到的過電壓現(xiàn)象，基于系統(tǒng)的電路結(jié)構(gòu)、主要元件特性和電熱化學(xué)炮負(fù)載特性，通過對比實驗、等離子體發(fā)生器電阻測量、等效參數(shù)測量和理論分析等研究得出過電壓的產(chǎn)生機(jī)理。
研究表明：過電壓現(xiàn)象僅在電熱化學(xué)炮發(fā)射過程中出現(xiàn)，與電熱化學(xué)炮膛內(nèi)環(huán)境下發(fā)生器的特性直接相關(guān)；機(jī)理上過電壓由發(fā)生器表面斷弧引起。在脈沖放電臨近結(jié)束時刻，膛內(nèi)環(huán)境使發(fā)生器表面電弧被強(qiáng)制熄滅，負(fù)載發(fā)生了突變，導(dǎo)致系統(tǒng)內(nèi)部出現(xiàn)過電壓。
負(fù)載突變后調(diào)波電感的剩余磁能急劇轉(zhuǎn)換為系統(tǒng)各處雜散電容的電能，電路滿足過電壓諧振條件，發(fā)生電磁振蕩。根據(jù)主要元件的特性簡要分析過電壓對絕緣配合的影響，總結(jié)過電壓帶來的危害，設(shè)計了過電壓緩沖電路。緩沖電路包括阻容電路、緩沖電阻和緩沖電感三部分。
實驗表明，緩沖電路能有效抑制發(fā)射過程中由發(fā)生器表面斷弧所引起的過電壓。當(dāng)前電熱化學(xué)發(fā)射技術(shù)正向工程應(yīng)用發(fā)展，研究結(jié)果可指導(dǎo)發(fā)射系統(tǒng)的絕緣小型化設(shè)計，有助于提高系統(tǒng)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(qiáng)、控制點火與燃燒，改善內(nèi)彈道性能。與常規(guī)發(fā)射技術(shù)相比，ETC發(fā)射技術(shù)具有點火延遲時間短、發(fā)射一致性好、動能高等優(yōu)勢，具有良好的應(yīng)用前景[1-6]。
由于應(yīng)用環(huán)境的特殊性，與普通電氣設(shè)備相比，ETC系統(tǒng)的安全性更為關(guān)鍵。課題早期的研究中沒有空間和結(jié)構(gòu)等限制，一般采用高裕度絕緣設(shè)計以確保系統(tǒng)發(fā)射安全。當(dāng)前ETC的技術(shù)方案和技術(shù)途徑已明確，正向工程應(yīng)用發(fā)展[7-10]，車載或艦載環(huán)境要求PPS具有高比能、小型化和特定形狀等特點，因此絕緣小型化成為一個研究重點。
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(rèn)識系統(tǒng)中的異常電壓特別是過電壓并采取合理的限制措施。本文基于實驗現(xiàn)象，研究得出ETC發(fā)射過程中過電壓產(chǎn)生的機(jī)理，簡要討論過電壓對絕緣配合的影響與危害，同時提出抑制過電壓的具體措施，旨在幫助ETC系統(tǒng)的電源匹配設(shè)計和絕緣小型化設(shè)計。
1 實驗系統(tǒng)簡介
為了開展典型模擬環(huán)境驗證工作，研制了一套ETC發(fā)射系統(tǒng)，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(jié)構(gòu)如圖1a所示。等離子體發(fā)生器（簡稱發(fā)生器）是電熱轉(zhuǎn)換核心元件，位于藥室內(nèi)，主要由中心桿式正極、金屬絲、串聯(lián)中間極、負(fù)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(tǒng)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(tǒng)示意圖
目前，由多個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，這種類型的電源不但成為實驗研究用電源的主流方案，而且成為未來工程應(yīng)用的主要電源方案之一[11-19]。
本文的ETC系統(tǒng)中PPS由20個PFU并聯(lián)組成，電路原理如圖1b所示，ETC發(fā)射實驗研究中僅使用其中10個PFU。圖1b中，C、VT、L、VD分別表示儲能電容、脈沖開關(guān)（觸發(fā)真空開關(guān)）、調(diào)波電感和續(xù)流硅堆（整流管串聯(lián)組），下標(biāo)k（k=1,2,…,20）表示各PFU及其元件相對應(yīng)的編號。
PFU的主要元件的技術(shù)參數(shù)和設(shè)備類型見表1。PPS工作時，可根據(jù)需要選擇不同數(shù)量的PFU，以同步方式或時序方式控制各PFU進(jìn)行脈沖放電。
表1 PFU主要元件和技術(shù)參數(shù)
2 過電壓現(xiàn)象
ETC發(fā)射實驗研究中發(fā)生了續(xù)流硅堆和調(diào)波電感損壞的現(xiàn)象。解剖損壞的整流管發(fā)現(xiàn)，受損元件管芯導(dǎo)電面一般僅出現(xiàn)一個或數(shù)個點狀燒蝕斑痕，且斑痕多靠近邊緣部位，初步判斷為過電壓擊穿損壞。調(diào)波電感的電極端子（圖1中連接A點的端子）周圍發(fā)生碎裂或出現(xiàn)裂痕。
解剖發(fā)現(xiàn)，碎裂電感的線圈匝間燒損嚴(yán)重，而裂痕電感的線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電壓擊穿造成。部分損壞的器件及其內(nèi)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(xù)實驗研究中對續(xù)流硅堆的作用電壓進(jìn)行了測量（高壓探針：PMK PHV4002型，測量點為圖1中A點）。某次ETC發(fā)射實驗PPS工作電壓為9.3 kV，采用同步方式脈沖放電，獲得的A點電壓uA波形如圖3所示，同時給出了脈沖電容電壓uC波形、負(fù)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，表現(xiàn)出具有振蕩性質(zhì)的過電壓現(xiàn)象，過電壓幅值最高為19.29 kV，約為工作電壓的2.07倍。
圖3 發(fā)射實測電壓和電流波形
如圖3所示，在脈沖放電結(jié)束時刻（te），uA幅值明顯高出工作電壓，且具有周期振蕩特征，考慮到此時膛內(nèi)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），過電壓振蕩恰好出現(xiàn)在iG快速下降為零的時刻附近，據(jù)此分析認(rèn)為該過電壓應(yīng)該由負(fù)載原因?qū)е?，可能與電熱化學(xué)炮膛內(nèi)環(huán)境下發(fā)生器的特性直接相關(guān)。
3 機(jī)理研究
3.1 實驗對比
為了驗證初步分析結(jié)論，研制了一臺發(fā)生器脈沖放電實驗裝置，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驗（空放實驗）?？辗艑嶒炈貌ㄐ稳鐖D4所示，在放電結(jié)束時刻沒有出現(xiàn)過電壓現(xiàn)象。
另外，iG與圖3中也不相同，電流峰值有所降低，達(dá)到峰值后衰減過程的波形相對平滑，衰減時間明顯變長。
圖4 外置空放實測電壓和電流波形
后續(xù)又開展多次不同工況下的實驗對比研究，相關(guān)實驗的電壓與電流波形對比結(jié)果與前述一致。實驗對比結(jié)果支持前述初步分析與推斷。
3.2 機(jī)理分析
實驗對比研究表明，過電壓由負(fù)載導(dǎo)致，與膛內(nèi)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(fù)載特性，在實驗中對負(fù)載電阻進(jìn)行了測量。某次ETC發(fā)射實驗所得負(fù)載電阻曲線如圖5所示，該次實驗工況與圖3中相同，rG表示發(fā)生器電阻，p表示膛內(nèi)壓力。
由圖5可知，放電開始后不久rG平緩下降，整個放電過程中發(fā)生器電阻主要呈低阻特性。脈沖放電開始后，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(fù)載，因此在主要放電過程中發(fā)生器是低阻值的。
在放電臨近結(jié)束時刻rG突然急劇上升（阻值陡升），由p曲線可知，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始燃燒，據(jù)此分析認(rèn)為，rG阻值陡升是因發(fā)生器表面被強(qiáng)制斷?。ㄏɑ。┧?，主要分析如下。
圖5 發(fā)生器電阻曲線和發(fā)射膛壓力曲線
1）快速電爆炸點火以后，膛內(nèi)壓力和溫度隨著火藥的燃燒急劇升高，壓力和溫度的升高又反過來加快了燃燒速度，燃燒產(chǎn)生的高壓氣流在膛內(nèi)的高速運動對電弧具有摻混、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(fù)性的；同時，火藥燃?xì)饧眲≡龃罅颂艃?nèi)的氣體密度，由此增大了運動質(zhì)點的碰撞概率，也不利于帶電質(zhì)點的運動。
上述第1點應(yīng)是導(dǎo)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型負(fù)載，工作時電弧等離子體與膛內(nèi)火藥燃?xì)庵苯咏佑|?；鹚幦?xì)獾淖罡邷囟炔淮笥? 000 K，而膛內(nèi)等離子體的溫度需要維持約6 000 K以上[20]。
隨著火藥的劇烈燃燒，膛壓激劇升高，電弧等離子體與膛內(nèi)氣相必然存在一個相互快速流入與流出的動態(tài)過程。在脈沖電流較大時，盡管高壓燃?xì)饽芰魅氲入x子體區(qū)域，但由于注入該區(qū)域的電能較大，該區(qū)域仍可繼續(xù)保持高溫，同時新的等離子體也會繼續(xù)迅速生成，因此放電通道能有效維持。
在脈沖放電臨近結(jié)束時刻，因脈沖電流相對較小，電能注入不足，火藥燃?xì)鈱Φ入x子體的摻混、吹滅和降溫的作用則變得十分顯著，導(dǎo)致發(fā)生器電阻迅速上升，直至發(fā)生斷弧熄滅。
需要說明的是，由于電熱化學(xué)炮膛內(nèi)環(huán)境的特殊性和物理場的復(fù)雜性，目前尚無法清晰和精準(zhǔn)地認(rèn)識膛內(nèi)發(fā)生器的變化。多年來，膛內(nèi)發(fā)生器瞬態(tài)時變模型的建立與仿真研究一直在有序開展。
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、溫度場、高壓流場等多場問題，模型建立的難度非常大。
發(fā)生器表面斷弧使負(fù)載電流突然遮斷，對正處于放電狀態(tài)的PFU而言，意味著負(fù)載電阻發(fā)生了突變。負(fù)載突變會在調(diào)波電感上產(chǎn)生較高幅值的端電壓，同時使得調(diào)波電感中的剩余磁場能量急劇轉(zhuǎn)換為電場能量，并由此引起一個復(fù)雜的電磁振蕩過程。
負(fù)載突變時調(diào)波電感剩余磁能越大（電流越大），過電壓幅值就越高。從圖3所示的局部放大波形可看出，uA波動具有類似于諧振過電壓的明顯特征。
現(xiàn)在的問題是：①斷弧后系統(tǒng)電路是什么樣的，是如何滿足諧振條件的？②為什么過電壓出現(xiàn)在A點？
發(fā)生器斷弧前，PFU中觸發(fā)真空開關(guān)（Trigger VacuumSwitch，TVS）處于關(guān)斷狀態(tài)，續(xù)流硅堆處于導(dǎo)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(fù)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首先迅速轉(zhuǎn)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(dá)到峰值，后續(xù)必然進(jìn)行能量的反向轉(zhuǎn)換。能量反向轉(zhuǎn)換過程中，續(xù)流硅堆將承受反壓而關(guān)斷，之后該PFU內(nèi)包括處于關(guān)斷狀態(tài)的TVS、續(xù)流硅堆等電感前的元件也將被充電，它們同樣存在著一定量值的雜散電容。
TVS的極間電容非常小，而續(xù)流硅堆是低頻大功率整流管串聯(lián)組，在振蕩頻率遠(yuǎn)大于工頻的情況下電容效應(yīng)明顯，故應(yīng)重點考慮續(xù)流硅堆結(jié)電容的影響。由前述分析得到的發(fā)生器斷弧后PFU的簡化等效電路如圖6所示。
圖中CA表示A點的等效電容，包括續(xù)流硅堆的等效電容、TVS的等效電容等；CB表示B點的等效電容，包括線纜雜散電容、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(diào)波電感、線纜雜散電感等；Re表示總等效電阻，包括調(diào)波電感的雜散電阻、線纜的雜散電阻等。
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(shù)能滿足欠阻尼諧振條件，且當(dāng)CB比CA大得多時，諧振過程中A點處電壓幅值會比B點處電壓幅值高出很多，本文故障機(jī)理也就隨之明確。
為此，對圖6電路中各等效參數(shù)進(jìn)行了測量，所得數(shù)據(jù)見表2。結(jié)果表明，等效參數(shù)能滿足圖6電路發(fā)生諧振的條件，而且CB確實遠(yuǎn)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(xù)流硅堆的等效電容。
由表2中 200 kHz下的測量數(shù)據(jù)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個周波約24 μs），二者存在偏差，但偏差在合理范圍之內(nèi)，應(yīng)是由于實際放電中元件等效參數(shù)略有不同以及測量誤差等因素造成。因此，測量結(jié)果支持了本文的機(jī)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(jié)的勢壘電容和擴(kuò)散電容，勢壘電容非常小，擴(kuò)散電容隨頻率的增加而減小[21]。
表2 等效參數(shù)測量結(jié)果
綜上可知，過電壓的形成機(jī)理已經(jīng)清楚：在脈沖放電臨近結(jié)束時刻，電熱化學(xué)炮膛內(nèi)環(huán)境使發(fā)生器表面電弧被強(qiáng)制熄滅，對脈沖放電未盡的PFU而言，電弧熄滅意味著負(fù)載電阻發(fā)生了突變，調(diào)波電感端電壓將激劇升高，電感的剩余磁能迅速轉(zhuǎn)換為系統(tǒng)各處雜散電容的電能，并由此引起了電磁振蕩，斷弧后的電路滿足發(fā)生過電壓諧振的條件。
分析圖6等效電路可知，過電壓幅值與發(fā)生器斷弧時調(diào)波電感的電流（剩余磁能）密切相關(guān)。大量實驗表明，剩余磁能具有一定的隨機(jī)性，其值受到PFU電路參數(shù)、開關(guān)觸發(fā)特性、發(fā)生器、火藥、電熱化學(xué)炮內(nèi)膛結(jié)構(gòu)以及膛內(nèi)氣體氣壓與氣流等諸多因素的影響。
就本文ETC系統(tǒng)而言，統(tǒng)計表明過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(shù)的測量值為例計算可知，發(fā)生器斷弧時調(diào)波電感的電流約為0.35 kA就可以造成A點部位出現(xiàn)2倍于工作電壓幅值的過電壓。
4 過電壓保護(hù)
4.1 過電壓的危害
由于ETC應(yīng)用的特殊性，絕緣配合至關(guān)重要。下面根據(jù)主要元件的特性簡要地討論過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，且過電壓發(fā)生過程中被TVS隔離，因此可不必考慮過電壓的影響，只需根據(jù)工作電壓進(jìn)行設(shè)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，過電壓將主要作用于TVS上，因此需要根據(jù)過電壓特性進(jìn)行設(shè)計與選擇。受限于單管的電壓水平，續(xù)流硅堆必須由多個整流管串聯(lián)組成。
由于實際管件特性的分散性和應(yīng)用環(huán)境的惡劣性，續(xù)流硅堆因電壓損壞的可能性最大，原因主要是串聯(lián)組的不均壓問題，特別是動態(tài)不均壓問題。本文整流管的損壞與動態(tài)不均壓問題更是密切相關(guān)，過電壓將使得串聯(lián)組器件數(shù)量更多，動態(tài)均壓更為困難，元件更易損壞。
為了減少串聯(lián)管件數(shù)量，續(xù)流硅堆設(shè)計時應(yīng)根據(jù)過電壓特性盡量選取電壓水平高的管件，同時要嚴(yán)格考查所選管件的性能，使它們的動態(tài)特性盡可能一致。在過電壓對調(diào)波電感的絕緣影響方面不能僅考慮過電壓對其主絕緣（整體絕緣）的影響，還應(yīng)根據(jù)分布參數(shù)充分考慮對匝間絕緣的影響。
由于匝間存在分布電容，動態(tài)過程中調(diào)波電感繞組中各處電壓分布并不均勻，各點的電位梯度也不同，首、尾端附近的電位梯度最大，因此需要根據(jù)過電壓幅值加強(qiáng)首、尾端的匝間絕緣。另外，之前實驗中調(diào)波電感損壞部位主要在電極端子附近，后續(xù)器件提高了電極端子附近的匝間絕緣，沒有再次發(fā)生類似故障。
簡言之，過電壓所帶來的危害主要包括：①對系統(tǒng)絕緣要求變高，不利于小型化設(shè)計，增加了系統(tǒng)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(xù)流硅堆串聯(lián)元件數(shù)量增多，增大了動態(tài)均壓的難度，元件更容易損壞；④系統(tǒng)造價和維護(hù)費用變高，經(jīng)濟(jì)性變差。
4.2 保護(hù)措施
過電壓危害很大，必須采取合適的措施來抑制和削弱。本文的過電壓現(xiàn)象是由于發(fā)生器表面斷弧、電阻突變導(dǎo)致，過電壓因電路滿足串聯(lián)諧振條件而產(chǎn)生。有效應(yīng)對措施之一是設(shè)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(tǒng)，常用方法是在回路中串聯(lián)電阻來增大阻尼比，然而ETC系統(tǒng)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?fù)?，同時提高阻尼比來抑制諧振和削弱過電壓。
就本文系統(tǒng)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點與地之間增加阻容吸收電路；②在A點與B點之間增加阻值適當(dāng)?shù)木彌_電阻；③為續(xù)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(jù)PPS電路參數(shù)和ETC發(fā)射工況設(shè)計與選取，通過理論計算和Matlab/Simulink仿真分析，設(shè)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)射實驗表明，電路設(shè)計得當(dāng)，達(dá)到了抑制過電壓的目的。與圖3相同初始條件下，發(fā)射實驗所得的電壓曲線如圖7所示，在脈沖放電結(jié)束時刻，A點電壓幅值僅約為1.38 kV，振蕩幾乎被完全消除，緩沖電路對過電壓起到了很好的抑制效果。
圖7 安裝緩沖電路后A點電壓曲線
研究認(rèn)為，另一個可行的方法是采用金屬氧化物限壓元件來抑制過電壓[22,23]。金屬氧化物限壓元件具有保護(hù)特性好、動作反應(yīng)快、通流容量大、結(jié)構(gòu)簡單和體積小等優(yōu)點。根據(jù)其技術(shù)特點分析，用于ETC系統(tǒng)預(yù)計能有效抑制過電壓。
但由于ETC系統(tǒng)應(yīng)用的特殊性，適用器件需要專門研制，故目前未開展研究嘗試。下一步將根據(jù)ETC炮系統(tǒng)工程化的發(fā)展與需要，開展相關(guān)實驗研究。
5 結(jié)論
1）對比實驗表明，過電壓只出現(xiàn)在電熱化學(xué)炮發(fā)射過程中的脈沖放電結(jié)束時刻，與電熱化學(xué)炮的負(fù)載特性直接相關(guān)。機(jī)理研究表明，過電壓由發(fā)生器表面斷弧、負(fù)載突變引起，因系統(tǒng)存在雜散電容，斷弧后的電路滿足發(fā)生過電壓諧振的條件。
2）根據(jù)主要元件的特性簡要分析了過電壓對絕緣配合的影響，總結(jié)了過電壓帶來的危害，并為本文的ETC系統(tǒng)設(shè)計了過電壓緩沖電路。過電壓緩沖電路包括阻容電路、緩沖電阻和緩沖電感等。實驗表明，緩沖電路能有效抑制過電壓，效果良好。
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