高压脉冲电容器性能参数优选实验方法研究.pdf

2 2 爆破器材E x p l o s i v eM a t e r i a l s 第4 0 卷第3 期 高压脉冲电容器性能参数优选实验方法研究’ 韩克华任西周密钱勇 中国兵器工业第2 1 3 研究所应用物理化学国家级重点实验室 陕西西安，7 1 0 0 6 1 【摘要] 文章针对高压脉冲电容器的参数、特性以及性能等问题，利用国内目前所用到的不同种类材料的高压 脉冲电容器，提出高压脉冲电容器性能参数的优选实验方法。优选实验结果表明作为冲击片雷管发火的储能元 件高压脉冲电容器，陶瓷电容器的性能参数最优，耐压和使用寿命很难满足使用要求；云母电容器性能参数次之， 体积却相对较大，能够满足目前的爆炸箔起爆器的储能元件使用要求。 [ 关键词]脉冲功率电容器高压脉冲功率源爆炸箔起爆器冲击片雷管 [ 分类号】T J 4 3 0 引言 高压脉冲电容器是爆炸箔起爆器 E F I 系统中 的关键元件，是冲击片雷管 S l a p p e r 起爆的能量 源，是冲击片雷管可靠起爆的主要影响因素。冲击 片雷管作用过程中，由于内部的金属桥箔在高压脉 冲电容器放电时产生的大电流作用下，产生电爆炸 带动飞片撞击钝感炸药柱将其引爆。在此过程中， 金属桥箔需要在短时间内得到足以使其产生等离子 体的能量。这就要求高压脉冲功率源输出的脉冲大 电流在幅度和时间特性上都能满足要求⋯。冲击 片雷管发火电路中的高压脉冲电容器是核心器件， 和常规电容器 如用于电力系统的交流滤波电容 器、移向电容器等 有很大的差别，对高压脉冲电容 器的使用要求是容量大、耐压高、体积小、低电感 一般要求小于1 0 n i l 瞄J 、长寿命、高储能密度和高 重复率。到目前为止，各国都在寻求性能优良的高 压脉冲电容器，故高压脉冲电容器的种类、材料、性 能等成为引信界的重点研究对象。从近几年引信年 会的资料可以看出，国外的冲击片雷管技术发展迅 速，其发火能量不断下降。从1 9 8 0 年的7 ．8 J 降到 1 9 9 0 年的0 ．6 8 J ，再降到2 0 0 6 年的0 ．0 5 J p 刮，因此 高压脉冲电容器从材料、参数上发生很大变化。用 于起爆冲击片雷管的高压脉冲电容器型号规格从 0 。2 2 ”F 下降到0 ．1 p F ，耐压从3 ．0 k V 下降到1 ．0 k V ， 体积也大幅度缩减㈣j 。在2 0 0 9 年第5 3 届引信年 会上，V I S H A Y 公司叫介绍了一种可控放电高压脉 冲电容器 C D C C o n t r o lD i s c h a r g eC a p a c i t o r 的相关 参数及其应用，由于电容本身集成了一个5 0 0 M f l 电 阻，可对放电时间进行控制。2 0 1 0 年第5 4 届引信 年会上，S a n d i a 实验室u 介绍了一种高能量密度陶 瓷纳米技术电容器，减少原有电容器的体积，并且降 低成本以便系统集成。通过查阅大量的资料，目前 国内冲击片雷管发火用到的高压脉冲电容器材料有 纸介／油介电容器、有机薄膜电容器、云母电容器、陶 瓷电容器等。但是国内大部分资料报道的主要是对 脉冲功率源系统性能参数以及电路设计、分析等的 研究【l 5 1 ，却极少有报道各种高压脉冲电容器性能 参数以及参数优选实验测试的资料。本文针对高压 脉冲电容器的参数、特性以及性能等问题，利用国内 目前所用到的不同种类材料的高压脉冲电容器，提 出高压脉冲电容器性能参数的优选实验方法，以便 对爆炸箔起爆器 E F I 的优化设计、以及冲击片雷 管低能化、小型化、集成化设计提供参考。 l 实验数学模型 理想的高压脉冲功率源系统模型是高压脉冲电 容器提供脉冲放电能量，整个放电回路无电感，冲击 片雷管是唯一的负载，高压电容上储存的能量经高 压开关接通瞬间对冲击片雷管进行泄放，使其起爆。 但在实际系统中，高压电容器、高压开关及其连接线 不可避免地存在电阻和电感，所以脉冲功率源系统 整个电路从原理上可以等效成一个R L C 串联电路， 如图l 所示。 图1高压脉冲功率源等效电路图 收稿日期2 0 1 1 ．0 1 ．0 6 作者简介韩克华 1 9 8 1 一 ，男，硬士，研究方向高新火工技术。E - m e l l k e h u a h a n 1 2 6 ．c o r n 万方数据 2 0 11 年6 月 高压脉冲电容器性能参数优选实验方法研究韩克华等 2 3 根据基尔霍夫电压定律 K V L 可列出回路方 程为 比等椭警 ％ o 1 式中C 储能电容容量； 三等效回路总电感，包括储能电容、 传输线以及短路负载等的电感； R 等效回路总电阻，包括储能电容、 传输线以及负载等的电阻； ％储能电容初始电压值。 解方程 1 可得，放电电流公式为 i j U C e 一童s i n ∞‘ 2 式中 艿 暑 √ 轰 2 一壶 厢 知 j 『 厂刁 平均周期计算公式为 予攀 3 n 系统总电感推导公式为 毋 L2 4 L 7 r 2 C 4 系统电阻推导公式为 R 箐h 嘻 5 ∑A r 其中f 2 等，扣音 系统固有电感为L o L Z ，其中L 为系统总电 感，Z 为负载固有电感。系统固有电阻为R 。 R r ，其中尺为系统总电阻，r 为负载固有电阻。式 3 、 4 、 5 中的劝振荡平均周期，‘ 。、‘是正向 振荡电流峰值，f 为电流衰减平均系数。 2 实验部分 2 ．1 实验装置 实验装置原理如图2 所示，包括采样速率不低 于1G ／s 的数字存储示波器 D S O 、高压电源、高压 数字表、高压脉冲功率源系统、电流传感器、短路负 载等。利用高压直流源给高压脉冲功率源中高压脉 冲电容器充电，用高压数字表检测充电电压；当高压 开关经过控制回路与触发电路触发时，高压开关导 通，高压脉冲电容器上的高电压经过高压开关对短 路负载兄进行放电，回路中的电流用电流测量线圈 进行测量，数据用数字示波器进行检测并记录。由 于高压脉冲电容器上的电压是千伏级的，在放电过 程中，瞬间电流较大，所以电流测量线圈所测试的电 流是经过衰减过的，在读取电流数据时，示波器显示 的电流数据乘以电流测量线圈的衰减倍数，就是高 压脉冲电容器放电电流的实际值。 L ⋯⋯⋯⋯⋯．．。J 图2 实验装置原理框图 2 ．2 实验方法 按照实验装置原理框图，将各种高压脉冲电容 器分别装入脉冲功率源系统，外接短路负载，给高压 脉冲电容器两端加入直流高压，用示波器和电流传 感器对短路负载的放电波形进行测量，通过读取波 形数据，由公式 3 求出平均周期。短路放电振荡 波形如图3 所示。 图3 短路放电波形及测试参数 由平均周期的数值，再利用公式 4 、 5 可以 进行系统总电感和系统总电阻的计算，计算值再减 去负载固有的电感和电阻，结果就是脉冲功率源系 统的固有电感和固有电阻。图3 中所示缸为上升 时间。 2 ．3 实验结果 分别对几种材料的高压脉冲电容器进行放电性 能实验，高压脉冲电容器的电气参数测试对照表如 表l 所示。表1 中电容容量均为O ．2 0 心。 表l电容器电气参数对照 万方数据 爆破器材E x p l o s i v e M a t e r i a l s 第4 0 卷第3 期 从表l 的电气参数可以看出，陶瓷电容器的耐 压最低，体积最小；云母电容器体积较大，耐压较高。 在放电寿命实验过程中发现，纸介／油介电容器在放 电不到2 0 次、陶瓷电容器在放电不到3 0 次时，电容 器已经漏电较快，放电曲线峰值电流已经明显降低； 云母电容器的使用寿命最长，放电次数大于5 0 0 次， 电容器质量仍完好无损。 分别对以上几种高压脉冲电容器在2 ．Ok V 的 电压下对同一大功率负载进行放电，所测试的波形 参数以及计算的系统参数如表2 所示。短路负载的 固有电阻为5 4m Q ，固有电感为4 0 0n H 。 表2 电容器放电性能参数对照 电容器电压，。厶厶 ， r 厶风 种类／k V ／A／A ／A ’ ／妒 ／n i t ／m D 从表2 的数据可以看出，同在2 ．0 k V 的电压 下，云母电容器和陶瓷电容器的放电电流较大，但是 陶瓷电容器的振荡周期较短，上升时间也较短，这说 明陶瓷电容器输出能量密度较为集中，这有利于冲 击片雷管的起爆。由公式 4 可以看出，系统总电 感和周期的平方成正比关系，周期越长，说明系统的 总电感越大；表2 测试数据中的周期为平均周期，所 测试的电感为系统总电感减去负载电感4 0 0 n i l 后 的系统固有电感。从表2 的数据可以看出，在同一 个高压脉冲功率源的装置中，更换了不同的电容器 后，所测试的系统固有电感和固有电阻也不相同。 在系统的固有电感和固有电阻中，除去电路回路的 总电感 是定值 和总电阻 是定值 ，剩下的就是 电容器的内部电感和内部电阻。从表2 的计算结果 可以看出，陶瓷电容器的内部电感和内部电阻为最 小。为了进行以上实验结果的验证，分别在充电电 压为1 ．5 k V 、1 ．0 k V 的电压下对短路负载进行放电 实验，性能参数测试数据见表3 、表4 。 从表3 、表4 的实验数据可以看出，无论在任何 电压情况下，系统的固有参数没有太大变化，性能比 较稳定。表2 到表4 中所计算的结果有点差异是因 为系统误差以及计算误差，在读取数据时，电流的误 差范围为2 0 A 。各种电容器在2 ．0 k V 电压下放电 波形对比，放电波形如图4 所示，其中波形振荡方向 以向下为正方向。 表31 ．5 k V 电压下电容器放电性能参数对照 表41 ．0 k V 电压下电容器放电性能参数对照 ⋯一．一厂＼ V ‘j ≤／j a 纸f r ／油介电容器 b 有机薄膜电容器 c 云母电容器 一八／、．{ 、一 ⋯． V ＼／2 丫 ＼／⋯ d 陶瓷电容器 图4 各种电容器在2 ．O k V 电压下放电波形图 从公式 5 可以得出，系统总电阻不仅与系统 总电感有关外，还与电流衰减系数有关，电流衰减系 数越大，系统电阻越大，电流衰减越快，震荡次数越 万方数据 2 0 1 1 年6 月高压脉冲电容器性能参数优选实验方法研究韩克华等 2 5 少，从图4 的测试波形也验证了这一关系。从图4 的放电波形中可以看出，波形 a 只有2 个正向振 荡波形，是因为纸介／油介电容器的内部电阻较大， 电流衰减系数较大，故电流衰减较快。波形 d 有5 个正向振荡波形，这与陶瓷电容器的内部电阻较小 有直接关系，由于内部电阻较小，电流衰减系数较 小，故电流衰减次数较多，振荡次数越多。从以上的 实验结果可以看出，作为冲击片雷管发火的储能元 件高压脉冲电容器，陶瓷电容器的性能参数最优，体 积较小便于集成，但是陶瓷电容器使用寿命较短，耐 压很难达到M I L _ 阿．_ ．2 3 6 5 9 D 中发火电容器耐压 最少应为E F I 设计发火电压l - 5 倍的要求1 2 J 。云母 电容器性能参数次之，耐压和使用寿命都可以达到 文献[ 2 ] 的要求，体积却相对较大。 3 结论 本文针对高压脉冲电容器的参数、特性以及性 能等问题，利用国内目前所用到的不同种类材料的 高压脉冲电容器，提出高压脉冲电容器性能参数的 优选试验方法。实验结果表明作为冲击片雷管发 火的储能元件高压脉冲电容器，陶瓷电容器的性能 参数最优，体积较小便于集成化，耐压和使用寿命却 很难满足使用的要求。云母电容器性能参数次之， 体积却相对较大，能够满足目前的爆炸箔起爆器的 储能元件使用要求。期待国内高压脉冲电容器的生 产厂商加快研究进度，在高压脉冲电容器的生产方 面早日实现标准化和系列化，生产出高质量的高压 脉冲电容器。 参考文献 [ 1 ] 谭迎新，张景林，谭汝媚．飞片起爆试验装置中能源供 给系统的性能[ J ] ．火炸药学报，2 0 0 5 ，2 8 1 2 2 - 2 4 ． 【2 ]M I L - 叩一3 6 5 9 D 电起爆器通用设计规范[ S ] ． 2 0 0 3 ． 【3 ] N i c k o l i nT ．H i g h l yi n t e g r a t e df i r i n gm o d u l e [ R ] ．躬l d 胁 n u a lF u z eC o n f e m n c ea n dM u n i t i o n sT e c h n o l o g yS y m p o s i - 岫V I ．1 9 9 9 ． [ 4 ] M i k e S o w d e r ．E l e c t r o n i cs a f e t ya n da r m i n gf u z e s E S A F f o rc o n v e n t i o n a lb o m bw e a p o n s “t e c h n o l o g yi nb o m bi l l - r i n g ”[ R ] ．4 8 t hA n n u a lF u z eC o n f e r e n c e ，2 0 0 4 ． [ 5 ] C u o n gN g u y e n ．H i g h t Gm o r t a re l e c t r o n i cS Ad e v d o p - m e r i ta n dn i g h tt e s t [ R ] ．5 0 t hA n n u a lF u z eC o n f e r e n c e ， 2 0 0 6 ． [ 6 ] W a l k e rF E a n dW 锄l e yRJ ．C r i t i c a lE n e r g yf o rS h o c kI n i t i a t i o n0 fH e t e m g e n e o u sE x p l o s i v e s [ J ] ．E x p l o s i v eS t o f f e 。 1 9 6 9 ，1 7 1 9 1 4 ． [ 7 】S t r o u dJRa n dO m e l l a sDL ．n y - P l a t eD e t o n a t o rU s i n ga H i - d e s i t yH i g l lE x p l o s i v e U S ，4 7 8 8 9 1 3 [ P ] ．1 9 8 8 ． f 8 ] N i c k o l i nT o m ．H i g l l l yi n t e g r a t e d 丘r i I l gm o d u l e [ R ] ．4 3 耐 A n n u a lF u z eC o n f e l r a l e e ，1 9 9 9 ． [ 9 ] D a v eG r i l l i o t ，C o r yH a t c h ．M u l t i p l eh u n c hr o c k e ts D t e m M L B S r u i n ge v o l v i n gt om e e te n du s e rr e q u i r e m e n t s [ R 】．5 1 s tA n n u a lN D I AF u z eC o n f e r e n c e ，2 0 0 7 ． [ 1 0 ] J ．R o g e r s ，J ．J i a n g ，G ．D a m o n ．H i g h tV o l t a g eC e r a m i cC a - p a c i t o r sf o rH i 【g l lP u l s eC u r r e n tA p p l i c a t i o n s [ R ] ．5 3 t h A n n u a lF u z eC o n f e r e n c e ，2 0 0 7 ． [ 1 1 】T o d dc ．M o n s o n ，C h r i sB ．D i a n t o n i o ，M i c h a e lR ．W i m e r ． D e v e l o p m e n to fL o w - C o s t ，C o m p a c t ，R e l i a b l e ，H i g h tE n - e r g yD e n s i t yC e r a m i cN a n o c o m p o s i t eC a p a c i t o r s [ R ] ． 5 3 t hA n n u a lF u z eC o n f e r e n c e ，2 0 1 0 ． 1 2 ]王建华，高敏，曹营军．高压开关及其对冲击片雷管 起爆电流的影响[ J ] ．现代引信，1 7 7 7 2 3 1 - 3 5 ． [ 1 3 ]朱鸿志，杨永辉，李华梅．点火回路电感的计算机辅 助测量[ J ] ．电力电子，2 0 1 0 1 2 4 - 2 6 ． [ 1 4 ] 刘海，王佩兰。曾庆轩．冲击片发火控制电路的可靠 性预计[ J ] ．制导与引信，2 0 0 5 ，2 6 1 5 0 - 5 2 ． [ 1 5 ]司怀吉，崔占忠，冀建平．引信微型高频高压点火电 源的研究[ J ] ．制导与引信，2 0 0 5 ，2 6 3 3 4 ．3 7 ． S t u d yo nt h eC h a r a c t e r i s t i c sP a r a m e t e r sO p t i m i z a t i o nE x p e r i m e n tw i t hM e a s u r e m e n t M e t h o df o rH i i g hV o l t a g eP u l s e dP o w e rC a p a c i t o r H A NK e h u a ．B E NX i ，Z H O UM i ，Q I A NY o n g N a t i o n a lK e yL a b o r a t o r y0 fA p p E e dP h y s i c sa n dC h e m i s t r y 。t h e2 1 3 t hR e s e a r c hI n s t i t u t eo f C h i n aO t d n a n o e S h a a n 五X i ’∞，7 1 0 0 6 1 [ A B S T R A C T ] A sf a r 雎t h ed a t ao ft h es h o r te i r c n i td i s c h a r g e ，c h a r a c t e r i s t i c s ，c a p a b i l i t i e sa n de l e c t r i cp a r a m e t e r so f h i v o l t a g ep u l s e dp o w e rc a p a c i t o r sb ec o n c e r n e d ，t h ee x p e r i m e n tw i t hm e a s u r e m e n tm e t h o do fh i 曲v o l t a g ep u l s e dp o w e r c a p a c ／t o mw 啪i n t r o d u c e d ，t h ee l e c t r i cp a r a m e t e ra n ds h o r tc i r c u i td i s c h a r g ed a t ao fs e v e r a lc a t e g o r i e sh i g l lv o l t a g ep u l s e d p o w e Tc a p a c i t o r sw i t hv a r i o u sm a t e r i a l sw e r ed e s c r i b e di nt h i sp a p e r ．T h er e s u l t0 fe x p e r i m e n to b t a i n e dt h a tt h ec a p a b i l i t i e s ． c h a r a c t e r i s t i c sa n de l e c t r i cp a r a m e t e r so ft h ec 魍a n l l cc a p a c i t o ri st h eb e s t ，b u tt h ec o m p r e s s i o nr e s i s t a n c ea n dn 8 m 1 “ 8 1l i f e d o n ’tf i tf o ru s a g e ．T h em i c ac a p a c i t o ri st h es e c o n d ，b u tt h ee u b a g ei sb i g g e r ．T h ed a t ai n d i c a t e st h a tm i c ac a p a c i t o rC a n b eu s e d ∞as u p p l yp o w e rc a p a c i t o rf o rt h ee x p l o d i n gf o i li n i t i a m r E F I ． [ K E YW O R D S ] p u l s e dp o w e rc a p a c i t o r ，h i 曲v o l t a g es , , p p l y i J l gp o w e rs y s t e m ，e x p l o d i n gf o i li n i t i a t o r E F I ，s l a p p e r 万方数据