电感储能线圈在大功率脉冲电源中的应用
Applicition of Inductive Energy Storage Coil in Meg-Power Pulsed Power Supply

摘 要：大功率脉冲电源具有储藏能量大、脉冲峰值功率大、脉冲时间短、重复提供脉冲和便于调制以脉冲形式释放能量的特点。大能量固体激光器选用电感储能脉冲电源，设计制造了储能量200MJ的电感储能线图，分析了电感储能线圈参数与几何尺寸的关系，线圈绝缘要根据放电时出现的峰值电压采取相应的措施，线圈的结构要满足线圈的热稳定性和电动稳定性。
关键词： 电感储能 储能线圈 大功率 脉冲电源

1.引言
大功率脉冲电源是为脉冲功率装置的负载提供电磁能量的装置。它包括初级电源、中间储能脉冲成形系统及转换系统等几部分。
电感储能大功率脉冲电源，以磁场方式进行储能，因为它的储能密度大和传输功率大，可以将电感储能装置体积做得小，成本低。在现代科学技术领域，人们对电感储能技术发生了兴趣，并受到了多方面的重视。
电感储能线圈的特点是供短时充电储能之用，除了作为能量储存的电感值外，尚须满足电流的电阻值，即电感线圈的时间常数有一定的要求。每次放电过程，电感线圈两端将出现脉冲电压，需考虑整个线圈的绝缘强度，因此对绕组的排列布置有特殊的要求。
大能量固体激光器选用电感储能脉冲电源。为此设计制造了电感值26mH、电阻值2.9mΩ，时间常数9s，最大工作电流125kA，储藏能量200MJ的电感储能线圈。分析了电感储能线圈参数与几何尺寸的关系。线圈的绝缘，根据放电时出现的峰值电压采取了相应的措施。线圈的结构能很好地满足线圈的热稳定性和电动稳定性。

2.大功率脉冲电源概况
2.1.大功率脉冲电源的进展与应用
现代科学技术的发展，需要使用大功率脉冲电源，根据不同负载的性质，提出了对脉冲电源的要求：储藏能量大，一个脉冲消耗能量几兆（）焦耳到几千兆（）焦耳；脉冲峰值功率大，一个脉冲的功率从几十兆（）瓦到几十兆兆（）瓦；脉冲时间短，从毫微秒（ns)、微秒、毫秒直到秒（s)级，长脉冲到几十秒（10s)；重复频率从几分钟一次到每秒一万次；即需要在短时间内提供多个这样的脉冲；脉冲负载变化快，属于瞬时变化，即以脉冲形式要求在几秒种内把大能量储存起来，并以高频率、短时间和便于调制的脉冲形式释放出来。根据不同负载性质的要求，将选用各种不同的电源。
大功率脉冲电源研究的主要内容是如何经济地和可靠地储存能量，并将大能量和大功率有效地传输到负载上［1］。
大功率脉冲电源之所以能出现并得以迅速发展，是因为以下诸领域的需求:等离子体物理与受控核聚变研究;高速风洞;核爆炸模拟；闪光X射线照相；大功率激光；大功率微波；电磁脉冲；电磁发射（或推进）;粒子束武器和电磁成形等。
2.2大功率脉冲电源工作过程
大功率脉冲电源包括初级能源、中间储能和脉冲成形系统，转换系统等几部分。图1示出大功率脉冲电源装置示意图。

初级电源的种类很多，它包括以电场形式的电容器；具有磁能的电感器（线圈）或脉冲变压器；具有一定转动惯量的各类机械能发电机；电网供电装置；化学能装置；核能装置。
中间储能和脉冲成形系统，除具有储能和成形脉冲的功能外，有时还起到转化能量作用。它 包括：容性传输（或成形）线;感性储能器；脉冲变压器；磁通压缩发生器的变感器；磁流体发电机的通道发电系统；以及使用机械能的感应发电系统等。
转换系统是指电源内各种转换开关。视应用不同，有时只有闭合开关，有时仅用断路开关，有时联合使用。
大功率脉冲电源工作过程如下：首先经过慢储能，使初级能源具有足够的能量；其次，向中间储能和脉冲形成系统充电（或注入能量），能量经过储存、压缩、形成脉冲；再经转换系统等某些复杂过程，最后快速放电给负载。
2.3能量压缩的概念
大功率脉冲电源的工作，实质是能量的压缩。能量压缩就是在空间和时间上增加能量密度的过程。在空间上压缩能量，即减小其体积。包括提高初级能源的储能密度，选用合适的中间储能和脉冲形成系统并提高它的储能密度。在能量守恒条件下，在时间上压缩能量，从而提高功率，其实质是缩短释能时间。在储能元件和受能元件之间增添第三物体（压缩元件)，通常是中间储能和脉冲成形系统，或者是开关转换系统。

3.电感储能大功率脉冲电源
电感储能是以磁场方式进行储能的。电感储能技术在现代科学技术领域中，有着极为重要的应用。20世纪50年代，开始在超音速风洞、固体激光脉冲氙灯、核聚变托卡马克磁场系统等慢放电装置中使用电感储能电源。60年代，超导体的研究和应用使电感储能技术发展较快。近来备受重视的定向能（尤其是粒子束）武器和其它应用，要求连续发射，促使产生连续大功率脉冲的技术快速发展。近来电磁发射技术又迅速发展起来，采用电感储能的脉冲电源，这就极大的刺激着大功率脉冲电源向多样化、高比能、小体积和低成本方向发展。

大能量固体激光器电感储能电路示于图2［2］，电感储能装置包括充电电源E（采用铅酸蓄电池），电感储能线圈L.转换装置（包括主开关，辅助开关，换流熔丝F)，负载Z(脉冲氙灯）。
充电过程：合上主开关，蓄电池向电感储能线圈L充电，电流按指数曲线上升（1）式中—蓄电池组内电阻，Re—电感储能线圈电阻加上回路电阻），在此过程中，电源提供的电能除回路欧姆损耗外，以磁场能量 的形式储能于电感储能线圈内；当充电电流（亦即磁场能量）达到给定值时，合上辅助开关 ，再切断主开关 ，迫使电流由主开关电路转入熔断器F回路。熔断器F中的熔丝受到所转入的电流加热，根据电流密度的不同，经过几个到十几毫秒的延时即行熔断 ；熔丝熔断过程中形成多级电弧产生较高的电压，供给点燃氙灯Z使用。
由主开关打开起到电流全部转入氙灯回路止的整个过程是电流由充电回路转入放电回路的换流过程，此处应用熔断器来进行二次换流的目的在于提供点燃氙灯所需要的电压，和减轻主开关在开断时的灭弧负担。当电流转入氙灯回路后在氙灯中产生放电，在放电过程中电流迅速下降至零，而电感线圈所储存的磁场能量即转化为激励工作物质所需的光能。

电感储能线圈的特点是供短时充电储能之用，除了作为能量储存的电感值之外，尚须满足电流的电阻值。即对线圈的时间常数有一定的要求；每次放电过程，线圈两端将出现脉冲电压，需考虑线圈的绝缘，并对绕组的排列布置有特殊的要求。
1）线圈的电感与几何尺寸有关

对于绕组均匀分布，绕组沿园周安放，并且绕组的截面是矩形的线圈（见图3），可采用下列 公式计算［3］:
式中μo—磁导系数，H/m，
W—线圈绕组的总匝数，
D—线圈绕组的平均直径，m.
φ—与线圈绕组尺寸有关的系数，是线圈绕组高度对直径比值与线圈绕组宽度对直径比值的函数:
式中φ值一般约为6~8，
h—线圈绕组的轴向高度，m，b—线圈绕组的径向宽度，m.
2）线圈的欧姆电阻
按50oC计算，这是因为50oC是线圈工作时的平均温度，可由下式决定
式中—50oC时导线材料的电阻率，
kw—绕组截面的填充系数，
（5）一般约为0.2~0.4
S—绕组导线截面，.
3）线圈时间常数

假设代入（6）式，可以得到时间常数与绕组平均直径关系:
式中K—常数

将（7）式变换得绕组平均直径与时间常数的关系:
式中C—常数

由（9）式可以从设计所要求的时间常数，根据所选用导线材料初步选择线圈的绕组平均直径：如果取则系数φ=6，常数K将等于

则
4）初步选择线圈总匝数

根据线圈放电电压及绕制工艺，选择每层每支路绕组匝数及绕组串联层数，最后确定总匝数。
5）绕组的串联层数与放电时出现的峰值电压，线圈绕组的布置有关。放电时在绕组串联层间出现的电压峰值的平均值为

式中 P —绕组串联层数.
6）根据总匝数选择绕组每层每支路匝数

7）绕组导线截面积

8）绕组并联支路数
式中q—单根导线（或电缆）实际截面，mm2。
设计中选择尽可能大的导线截面，可以减少绕组并联支路数和引线头，提高绕组截面的填充系数。同时可以改善绕组匝间，层间导线周围空间电场的均匀性，可以减少主绝缘的消耗量，绕制线圈的工时也可节省些。
线圈绕组采用先并联后串联，单饼（层）绕法，为了使引线端头都在外面一端出线，绕组串联层必须选择偶数。绕制时采用每饼（层）2根导线并绕，可以得到较佳的几何尺寸，因此并联支路数也必须选择偶数。
9）线圈绕组导线重量
(17)式中γ—导线材料的密度，g/。
由上初步选择电感储能线圈几何尺寸，可以对给定的电感L，电阻R，选取可能的绕组平均直径D，总匝数W，绕组串联层数p，每层每支路匝数W’，导线截面积S和并联路数m，然后加以比较确定一最合适的方案。
10)线圈的绝缘
整个线圈的绝缘包括绕组匝间绝缘，绕组层间绝缘和对地绝缘三部分。根据出现的不同电压峰值，来选择相应的绝缘水平。

5.1线圈的热稳定性
电感储能线圈采用空气冷却，干式绝缘的导线材料长期允许工作温度为80oC，短时允许200oC。线圈在充电过程中，假定导线处于绝热状态，不向外散热，导体中所产生的热量几乎全用以升高导体的温度，只有极小的一部分为冷却的介质所携走，导线温度可按下式决定
式中α0—温度0oC时导线电阻温度系数，1/oC。
ρ0—0oC时导线的电阻系数，Ω.mm2/m。
δk—冲击电流密度，A/mm2。
tk—冲击电流的延续时间，假定30s.
θn—充电开始时导线的温度，设为50oC.
C—导线的比热容，J/0C.g.
γ—导线的密度，g/.
温升

热稳定性

式中—经过时间t为30s后绕组温度，设为200oC。
5.2线圈的电动稳定性

当大电流通过线圈时，在绕组的内部产生电动力。电动力的方向总是要使整个系统的电感增大，就是使绕组受到挤压，并力图增大它的直径（见图4）。随着绕组匝在磁场中的位置不同，力的大小和方向也不相同，因而绕组各个地方所产生的机械应力也不相同。
1）作用在绕组上的总径向力
由前（2）式

其中

当 时，则
2）作用在绕组上的总轴向力

实际上绕组匝受到电动力作用时，可以认为作用在绕组匝单位长度上的力是两个力（径向力F及轴向力F的和），这些力是由相应的纵向磁场和横向磁场产生的。由纵向磁场所产生的单位长度的最大径向力系位于绕组匝的内层，同时最大值位于线圈高度的中部，即位于中部绕组匝的内层上（点A）。
3）导体单位长度（1cm)上所受到的力



式中与线圈形状有关的系数见图5。

由上计算，虽然作用在绕组匝单位长度上的最大力位于中部绕组匝的内层上（图4点A)，但是以最外层绕组匝的机械应力为最大。事实上，A点最大力仅作用在径向方向，力图使绕组匝断裂，而垫块支柱的反力抵抗了这个力，因而导线机械强度的危险一般是不大的，在点C及与它对称的下面一点，发生最大的轴向弯曲力，并且结构上此处导线的跨度最大，设计时校验此处导线的强度。

6.结束语
200MJ电感储能线圈建成后经过多年的实验运行，作为大能量固体激光器的电感储能电源，性能满足要求，为此发展了等离子体物理受控热核聚变，定向能武器和电磁发射技术的研究。并应用到直流开关开断试验和大型同步发电机非线性电阻灭磁与过电压保护。电感储能大功率脉冲电源的继续发展，对科学技术，战略防御，乃至社会的发展，必将产生重大影响。■
参考文献
［1］季幼章 冯士芬 大功率脉冲电源， 北京 中国电源学会第十四届全国电源技术年会论文集 2001年9月 361页
［2］季幼章 大能量固体激光器电感储能脉冲电源， 天津 第三届全国电源技术年会论文集 1980年11月 214页
［3］Ⅱ. A.卡兰达格夫·采特林 感应系数计算手册 北京 电力工业出版社，1957
［4］西安交通大学 浙江大学 高压电器 北京 中国工业出版社 1961年