高储能密度脉冲电容器组保护研究

【摘要】： 脉冲功率技术在科学试验、国防、生物医学以及环境保护等领域有着广泛的应用。激光聚变能源系统采用高储能密度电容器作为储能方式,电容器并联运行,对氙灯负载放电,经过一系列的光学处理,产生高功率激光。 由于电容器并联运行,故障时短路电流大。脉冲电容器组短路故障类型有两种:一是单台电容器内部短路,此时,所有其它已充电的电容器对它放电,整个能源模块的能量在极短的时间内在故障支路上释放,会导致电容器发生爆炸。二是母排接地,其短路电流将达到几百kA,对母排及其它设备造成巨大的冲击。因此,电容器的保护是整个装置的关键技术之一。现有的保护采用保护电感加熔断器的策略,保护电感主要起限制短路电流尤其是单台电容器短路时的电流的作用;熔断器起截断电流的作用,在短路电流上升到某一值时,熔丝熔断,切断短路电流,使得电容器上的储能不能全部释放,减小故障造成的损失。该保护策略目前存在的主要问题在于:在熔丝切断电流的过程中,di/dt很大,造成电感两端很高的过电压,导致电感绝缘击穿,发生爆炸。电容器组的能量完全释放,会产生很大的电磁和机械破坏力,损坏装置中其他元件。本文着重研究了保护元件中的熔断器,对它的性能进行了分析,在熔丝熔断过程中的一些问题进行了讨论。 针对现有保护策略的问题,提出了三种新的保护方案: (1)在电感两端并联间隙和阻值小的大功率电阻,当电感两端电压达到间隙的击穿电压时,间隙导通,电阻吸收掉一部分能量,从而限制了电感两端的过电压。 (2)在电感两端并联氧化锌避雷器,由于氧化锌避雷器具有良好的非线性,使氧化锌避雷器工作在限压保护区,从而限制电感两端的电压。 (3)由于电感两端的过电压是熔断器在切断电流的过程中产生的,考虑不使用熔断器,直接用保护电感来吸收故障时电容器释放的能量,这样保护电感的设计比较困难。 本文对这三种保护方案进行了比较,理论及实验分析表明,这三种方案各有优缺点,哪个方案最适合该能源模块尚需进一步的理论和实验验证。