用于脈沖放電的小型吸收水電阻的設(shè)計研究

沈陽理工大學(xué)自動化與電氣工程學(xué)院 程 旭 陳世鑫

在脈沖功率技術(shù)中常用電容器作為儲能元件、電容特性決定其放電后仍有殘余電壓存在、因此本文設(shè)計了一種小型吸收水電阻用來吸收儲能電容器殘余的電壓。本文給出了水電阻外形尺寸以及其吸收能量與溫升計算過程，同時又通過理論計算與COMSOL建模仿真測定水電阻的寄生電容值，本文以20nF云母電容充電5KVDC為例計算并實測其放電時間；綜合給出本文設(shè)計的水電阻的性能。

電容器作為脈沖功率技術(shù)中的核心器件、 是重要的儲能元件，由電容特性決定其需要一個吸能元件來吸收其殘余電壓、由于金屬電阻容易發(fā)生局部燒毀因此通常都是用溶液體電阻作為吸收電阻，本文采用圓柱體設(shè)計方案并對設(shè)計方案進(jìn)行理論計算、并且利用建模仿真以及實驗測量加以驗證。

1.水電阻結(jié)構(gòu)設(shè)計

水電阻設(shè)計結(jié)構(gòu)為圓柱體結(jié)構(gòu)、其結(jié)構(gòu)剖面如圖1所示：

圖1 水電阻結(jié)構(gòu)剖面圖

圖1中：1、3--為電極固定螺栓孔；2--為注水孔；4--為有機(jī)玻璃腔體；5--為進(jìn)線電極；6--為橡膠密封圈；7--為出線電極。

水電阻外形為φ30X50mm的圓柱體、腔內(nèi)容積為3.2毫升，進(jìn)線電極前端設(shè)計為圓臺狀是為了保證電阻在處于直立狀態(tài)時電極也能與水保持有效接觸，有機(jī)玻璃腔體外設(shè)有一個寬度為5毫米深度為2毫米的環(huán)形槽以此增大電極間的爬電距離、用萬用表多次測量得其平均電阻值為550KΩ。

2.水電阻吸能溫升計算

由于水電阻兩端電極是用黃銅制作而成并且通過水電阻的電流為毫安級別、所以電極吸收消耗的能量可以忽略不計，水電阻吸收能量公式用公式（1）和公式（2）計算：

式中：

Q ----為吸收的能量，J；

m ----為質(zhì)量，kg。

V ----為質(zhì)量，kg。

T1----為吸收能量后的溫度，℃；

T0----為初始溫度，℃。

3.水電阻寄生電容值測定

水電阻圓柱形結(jié)構(gòu)形成一個平行板電容器、根據(jù)平行板電容器電容計算公式可計算水電阻寄生電容值：

圖2 水電阻電場分布以及寄生電容值

式中：

C ----為水電阻寄生電容，F(xiàn)；

ε ----為水的相對介電常數(shù)，4—88；

k ----為靜電力常量，9×109Nm2/C；

d ----為電極板之間的間距，m。

水的介電常數(shù)與溫度有關(guān)、典型值對應(yīng)關(guān)系如表1所示：

表1 水介電常數(shù)與溫度對應(yīng)

本文選擇27℃（接近室溫）時的介電常數(shù)作為實際計算值、帶入公式（3）計算得水電阻寄生電容為：1.7778e-12F。由于計算值存在一定的誤差、因此利用COMSOL對水電阻建模仿真得其寄生電容為：1.5919e-12F；對比理論計算值和COMSOL仿真計算值可以看出水電阻的寄生電容值是皮法級別、且小于2pF、因此可以忽略掉寄生電容度水電阻的影響。COMSOL水電阻仿真電場分布以及電容值計算如圖2所示。

4.水電阻放電時間測定

充有一定電壓的電容通過水電阻釋放電能、放電時間呈現(xiàn)e指數(shù)關(guān)系、其放電時間可由放電公式反推得到：

式中：

Ut----為t時刻電容電壓，V；

U0----為電容初始電壓，V；

τ ----為時間常數(shù)。

本文20nF云母電容實際充電5KVDC、理論上水電阻經(jīng)歷553us的時間吸收掉云母電容所儲存的5KVDC電能，實測波形如圖3所示：

圖3 電容放電波形圖

實際測得放電時間約為1.2秒、實際測量時間大于理論計算時間，造成這種差距的原因可能是由于水電阻的阻抗值隨頻率的變化而變化；測量時所用的高壓探頭為Tektronix P6015A、其測試阻抗為100 MΩ、相當(dāng)于給水電阻并聯(lián)一個100 MΩ的大阻抗。綜合分析這兩個因素會對水電阻放電時間造成一定的影響，所以水電阻的放電時間應(yīng)當(dāng)以實測為準(zhǔn)。

5.結(jié)束語

本文給出了水電阻的結(jié)構(gòu)設(shè)計尺寸，同時對其吸能溫升以及寄生電容值進(jìn)行理論計算以及OMSOL建模分析、得出其寄生電容值不到2pF, 基本可以忽略掉寄生電容對水電阻的影響，通過理論計算分析以及示波器實測其放電時間為1.2秒。本文設(shè)計的水電阻能夠作為高壓儲能電容器的吸收電阻。

實際中由于水的摻雜不同會對水的性質(zhì)造成一定的影響、進(jìn)而對制作的水電阻性能造成影響、在實際應(yīng)用中應(yīng)以實際測量值為準(zhǔn)。