触发管型气体开关导通时延的分析及估算

触发管型三电极气体开关导通时延的分析估算对于开关工程设计具有重要意义。结合近年来国内外对触发管型气体开关放电物理机制的研究进展,利用电子崩–流注理论分析解释了触发管气体开关主间隙的击穿过程,由Raether击穿判据推导了以空气为绝缘介质的触发管型气体开关导通时延的数值计算模型,并制作了一个触发管型气体开关及其触发装置进行验证性实验。仿真和实验结果的比较表明:Raether判据可用于判定快、慢导通机制的发生;高欠压比和低欠压比下,计算模型能够正确地反映出触发管型气体开关的导通时延特性,而且符合理论研究中的慢触发和快触发机制特点;触发间隙的击穿在中等欠压比值下,对促进主间隙流注的形成有作用,导致实测导通时延减小。分析计算模型可作为触发管型气体开关设计的参考依据。     

触发型3电极开关导通时延分析与数值计算

为提供触发型3电极开关导通时延定量分析估算的辅助方法,基于电子崩发展和流注理论推导了导通时延的数值计算模型。模型中,用场强是否满足Raether击穿判据中形成流注的条件来解释不同导通机制下开关的击穿。为验证该导通时延模型,研制了1个3电极开关,测试了其导通性能,并讨论了不同工作参数对其导通时延的影响。典型实验结果为在高的欠压比条件下更容易使开关工作在直接导通模式下。此外,实验与仿真结果表明,时延曲线可由2个欠压比拐点划分为3个区域。第1个拐点是开关导通进入可靠击穿的欠压比下限值,第2个拐点则为开关导通机制转化的拐点值。研究结果表明,基于开关的工作可靠性考虑,开关工作欠压比的合理范围是0.5～0.7,可作为触发型气体开关设计的参考依据。     

纳秒快脉冲下气体开关的过电压击穿

纳秒快脉冲过电压击穿方式适合应用于长寿命高同步两电极气体开关.基于过电压击穿型气体开关的工作机制,建立了气体间隙在脉冲过电压击穿模式下击穿电压和时延的统计数学模型,该模型证明电极表面微观场强、间隙气压、初始电流大小、触发电压上升陡度等关键电气参数对间隙击穿分散性有重要影响.提出了纳秒快脉冲下气体开关过电压击穿参数的等效计算方法.实验证明,对于一般工况条件下的石墨电极气体开关,随着气压间距乘积值的增大和脉冲变化梯度超过一定门限值,纳秒快脉冲过电压击穿过程会逐渐由经典流注理论向快电子击穿修正理论过渡.快电子效应导致的电场增强系数在1.2～2.4之间变化.     

低抖动大气压空气电晕均压多间隙气体火花开关

为了发展结构简单、便于维护的大功率气体火花开关,研制了大气压空气电晕均压多间隙气体火花开关,该开关采用电晕放电均压方式,由9个相同的间隙构成。利用有限元分析方法对9间隙电晕均压气体火花开关的电场进行了分析,发现适合长度的电晕针对开关主间隙的电场影响很小,且加载触发脉冲时可在中间间隙形成了强烈的畸变电场。在理论分析的基础上,开展了开关击穿特性研究,实验结果表明电晕均压有利于提升开关的稳定性,开关自击穿电压分散性降低,自击穿电压略微增大;同时多间隙开关实现了良好的触发导通,在工作电压60～85 kV(工作欠压比56.8%～80%)范围内,开关的击穿延时抖动均小于20 ns,当工作电压达到80 kV以上时,抖动可小于10 ns。文中设计的大气压空气电晕均压多间隙气体火花开关可用于直线脉冲变压器等脉冲功率系统,使用的基于电场模拟对电极结构进行优化的方法对设计其他类型的开关具有借鉴意义。     

火花放电喷射等离子体触发气体开关导通特性及工作模式分析

为理解喷射等离子体触发气体开关的导通过程和触发机理,利用高速分幅相机拍摄火花放电喷射等离子体触发气体开关的导通过程,结合开关导通时延测量,研究了该开关在10%~90%工作系数下的触发导通特性,分析了开关在高、低工作系数下的导通过程和工作模式。结果表明,火花放电喷射等离子体触发气体开关在10%~90%的极宽工作系数范围内能可靠触发导通,导通时延随工作系数提高而逐步从数十μs减小至数百ns。低工作系数时气体开关为慢导通模式,导通过程可分为喷射等离子体形成阶段、喷射等离子体快速发展阶段、喷射等离子体发展饱和阶段和主间隙放电4个阶段,其导通延时受工作系数和触发脉冲幅值的影响,为数μs至数十μs。随着开关工作系数提高,开关由慢导通模式逐步过渡到快导通模式,导通过程只包括喷射等离子体形成阶段和主间隙放电两个阶段,放电发展过程较为迅速,导通时延约为数百ns。     

场击穿型真空触发开关控制器设计及时延特性

开关元件是脉冲功率系统的核心元件之一,也是主要的技术瓶颈。真空触发开关作为能量的快速关合(释放)开关,是近年来非常有发展潜力脉冲功率开关器件。提出了一种新的场击穿型真空触发开关控制器的研制思路,并通过实验研究,获得控制器的触发能量与触发时延、触发分散性的关系,可以指导高性能真空触发开关控制器的设计与应用。主触发点火回路采用三电极间隙产生陡化的高压触发脉冲,使真空触发开关导通时间的分散性被控制<2μs。触发控制回路采用光发射器和光接收器作执行元件,抗干扰能力增强,消除了级间互扰造成的误触发。光发射器和光接收器之间采用光纤连接,实现高压触发部分和低压控制部分的隔离。控制器的触发能量灵活可调,实验研究表明,真空触发开关的导通时延和时延分散性随控制器提供的触发能量的增加而迅速减小。在触发能量为1.6 J时,导通时延可缩小为15.57μs,时延分散性可达1.358μs。     

一种多间隙气体开关击穿特性的实验研究

快前沿直线型变压器驱动源(FLTD)是一种可以直接获得100 ns脉宽的脉冲功率源新技术,在Z箍缩、闪光照相、强激光和高功率微波方面具有重要应用。为了寻求用于FLTD的多间隙气体开关的合适结构,设计了一种场畸变多间隙气体开关。该开关含有6个间隙,各个间隙距离相等,开关间隙总长度为30 mm。开关中间电极为锚式固定结构,每个电极由3只螺钉固定在绝缘筒壁内侧,数值计算了开关的电场分布,实验研究了开关的自击穿及触发特性。结果表明,开关自击穿特性曲线与经验公式曲线基本符合,自击穿电压的分散性<3.2%;在工作系数为50%时,开关仍能正常触发,触发时延约百ns;在工作系数为60%时,触发脉冲为150 kV/15 ns的情况下,开关触发时延约60 ns,抖动时间约5 ns。     

激光触发真空开关触发稳定性及时延特性

为了研究影响激光触发真空开关(LTVS)导通时延及抖动特性的关键因素,搭建LTVS高电压大电流实验平台,分别改变触发激光能量、工作电压、触发极性以及触头间距等参数,考察其对LTVS导通时延和抖动特性的影响,并对LTVS的导通机制及触发稳定性进行理论分析。实验结果表明:在一定范围内,增加触发激光能量、增加主间隙电压、采用阴极触发方式或者缩短触头间距均可减少开关的导通时延及时延抖动;LTVS的导通是激光轰击触发极产生初始等离子体的热过程与主间隙两端电场加速初始等离子体扩散过程共同作用的结果,实验中所得到的结论对LTVS的优化具有重要意义。     

平面圆盘型激光触发真空开关触发机制研究

高压强流脉冲开关是脉冲功率技术的重要控制单元,触发真空开关(Triggered Vacuum Switch,TVS)具有通流容量大,介质恢复速度快、欠压比小等特点,但它存在导通时延长、抖动大、容易误触发等问题。设计了长间隙激光触发真空开关(Laser Triggered Vacuum Switch,LTVS),LTVS的导通机制涉及激光烧蚀,激光照射目标材料,参与导电的物质有原子、离子、自由电子和微粒。当LTVS间隙距离为12 mm、耐受电压为30 k V时,为保证LTVS可靠导通,使用激光能量为50 m J,激光波长为1 064 nm,距离阴极端面为0 mm时,LTVS的导通时延为1μs,抖动时延为50 ns,由于激光的能量稳定,保证了LTVS的抖动时延小。使用激光触发的方式,可以缩短导通时延,隔离电磁干扰,消除开关的误触发现象。     

气体间隙开关喷射等离子体触发性能劣化及剩余触发寿命预测研究

喷射等离子体诱导型气体间隙开关用于电力系统过电压防护具有明显优势,但高注入触发能量下多次放电累积效应引起的触发失效问题严重,极限可触发次数具有不确定性,亟须开展触发寿命与触发有效参数的关联规律以及剩余触发寿命预测研究。为此该文搭建了气体间隙开关触发寿命研究平台。结果表明,低容值触发电路可迅速建立触发放电主通道,电弧电流可达3.7kA;高容值触发电路提高了用于解离产气材料而形成喷射等离子体的能量,显著提升了触发腔等离子体喷射触发能力。触发回路电容C1距C2放电时延Δt0、击穿时延Δt1、触通时延Δt2可分别用于表征触发一级腔、二级腔、气体开关导通性能的劣化程度,其变化过程可用于表征气体开关触发失效的阈值范围。以等离子体喷射高度作为预测因子,建立了气体开关剩余触发寿命预测模型ARIMA(1, 1, 2),预测值与试验结果基本吻合,剩余触发寿命预测误差在10%以内。研究结果可为气体间隙开关实现稳定触通及触发寿命预测提供理论参考和工程应用指导。     

预电离开关触发间隙击穿时延特性

为了研究预电离开关触发间隙在是否叠加主间隙电场时的击穿时延特性,采用基于气体放电流体模型和有限容积法的二维程序对氮气中气压0.1～0.7MPa、电极间距0.5mm和1mm、间隙上脉冲电压上升速率与气压的比值d(u/p)/dt等于0.8 kV/(ns·MPa)和0.4 kV/(ns·MPa)、主间隙与触发间隙之间分压比不同时叠加主间隙径向电场下触发间隙的击穿过程进行模拟并对比实验数据。结果表明,由于d(u/p)/dt影响间隙中的平均归一化电场Eav/p的变化过程,d(Eav/p)/dt值确定时,气压、初始电子产生的时刻和电极间距等是影响间隙击穿时延的主要因素。叠加主间隙径向电场会增强触发间隙中的空间电场并加快电子崩的发展过程,但也会使电子沿径向漂移,导致击穿时延增长。为削弱叠加径向电场的影响,可以减小分压比、增大d(u/p)/dt和阳极直径。     

激光触发开关同步特性的研究

利用高压电容放电开关试验平台,对两个氮气气体开关在266nm脉冲激光触发作用下开关的工作特性进行了研究。实验结果表明:两个开关的延时、抖动随激光能量的增加、欠压比的增大而减小。激光能量5.5mJ时,每个开关电压抖动时间达到了亚纳秒量级,但是两个开关的延时时间差大于1ns;当激光能量大于8mJ时,两开关导通的延时时间差达到了亚纳秒量级,可认为两开关同步导通。     

脉冲等离子体作用下SF6气体间隙的极限导通特性

为了探究脉冲等离子体作用下SF6气体间隙的极限触发特性,搭建了SF6气体开关间隙平台,设计实验研究了不同间隙距离、气压、触发能量下毛细管放电等离子体触发SF6气体间隙的最低工作系数和导通时延.实验结果表明,SF6气体开关最低工作系数随气体开关间隙增大而提高,随工作气压增高而提高,随触发能量的增大而降低,毛细管脉冲等离子体喷射触发技术能在5％的工作系数以下可靠触发导通工作气压为0.1～0.3 MPa,间隙距离不超过50 mm的SF6气体开关间隙,并给出了不同气压、间距条件下最低工作系数的经验公式.     

快放电直线变压器型驱动源用场畸变型低电感气体火花开关

快放电直线变压器型驱动源（FLTD）是组建大型脉冲功率源的新技术,作为其中的关键器件,气体火花开关的动态工作特性对FLTD驱动的负载电流参数有重要影响。为了减小开关电感,简化开关结构,设计了一种三电极场畸变气体火花开关。根据开关内部充电过程和触发过程电场分布的数值计算结果,优化了开关结构,并对开关的静态充电特性和动态触...     

一种结构紧凑的场畸变型低电感的气体火花开关

气体火花开关是脉冲功率技术的关键部件之一,笔者介绍了一种低电感场畸变触发的气体火花开关,通过绝缘子电场分布和力学可靠性分析优化了开关结构,减小了开关的轴向尺寸,从而有效地减小了开关电感。试验结果表明,在干燥空气条件下,当开关工作的工作系数为70%时,其击穿时延约为90 ns,抖动约为10 ns。     

场畸变触发开关新型触发电极的设计与实验

气体触发开关是脉冲功率电路的重要组成器件。针对工程中对低抖动、长寿命气体触发开关的需求,结合三电极场畸变型触发开关,设计一种拥有较多孔隙的多环型触发极结构。对三种主电极-触发极分别为平板-多环、平板-圆盘、球冠-圆盘的开关进行击穿特性实验研究,结合电场仿真对比分析实验结果。实验结果表明:在22.4k V/40ns的触发脉冲和5.0~7.5k V的工作电压下,平板-多环结构的开关时延及抖动比较稳定,开关时延基本在81.0~84.5ns之间,抖动为0.8~1.1ns。平板-多环电极结构开关时延、抖动均明显优于平板-圆盘结构,其开关时延、抖动与球冠-圆盘结构基本相同但使用寿命优于球冠-圆盘结构。     

小型高压冷阴极触发管性能分析

介绍了一种能承受数千安培脉冲大电流的小型高压冷阴极触发管 ,分析和讨论了影响其特性 (导通时间、自击穿电压、击穿电压 )的因素 ,着重阐述了导通时间的影响因素即间隙电压越高 ,触发脉冲能量越大 ,导通时间越短     

石墨电极空气间隙的自击穿统计特性分析

在惯性约束聚变能源系统这类采用多支路并联结构的同步供电装置中,气体开关的放电分散性也即随机性可能带来严重的工作可靠性和稳定性难题。石墨电极具有较好的耐烧蚀能力,但石墨电极气体开关的自击穿概率必须控制在极低的范围才能使其满足严酷的工况要求。通过模拟工况的直流静态耐压实验,分析比较了各种石墨型材空气间隙的自击穿特性,结果表明平均粒径较小的纯石墨材料制作的空气间隙具有更狭窄的自击穿电压统计分布。彼得森(Pedersen)准则可以解释此现象,同时从数学上证明了自击穿故障发生的概率服从威布尔(Weibull)分布。合理地设计工作场强对静态耐压平均值的占比(即欠压比),可以较好地将单个气体开关及整个并联供电系统的误导通概率控制在设定值之下。所得结论对石墨型气体开关在大型并联脉冲供电装置中的研制和使用具有参考意义。     

双极性加载脉冲源中储开关同步击穿特性

采用2级压缩回路和双极性脉冲叠加技术可以获得高电压快脉冲,但这对脉冲源各级开关同步特性要求较高。为研究初级源对中间储能电容器充电时间约120 ns时中储开关击穿特性对脉冲源运行的影响,文中分析了一种双极性加载脉冲源对中储开关同步击穿的要求,通过实验获得了自触发预电离中储开关在相应充电时间下的击穿电压、时延及抖动特性,并根据实验数据计算了正、负极性脉冲下中储开关击穿时延差值的概率分布。结果表明,该双极性脉冲源需要控制中储开关击穿时延差值小于10 ns;自触发预电离中储开关在0.2～0.7 MPa氮气中、不同极性脉冲下的击穿时延抖动均小于3 ns;取99.99%置信区间时,气压0.5～0.7 MPa时正、负极性中储开关击穿时延差值小于10.8 ns。该结果可作为考核中储开关同步特性和分析峰化电容器绝缘裕度设计要求的参考。     

双间隙伪火花开关的触发及导通特性

伪火花开关是一种工作于巴申曲线左半支、引燃于空心阴极结构、主放电通道呈现弥散特征的低气压脉冲放电开关,具有导通电流大、重复频率高、工作范围宽、寿命长、抖动低和烧蚀小等优点,在重复频率脉冲功率中具有非常大的应用潜力。文中研制了一款双间隙多通道伪火花开关,采用陶瓷金属半密封结构,工作气体为氦气,触发单元为基于高介钛酸钡薄片的电荷注入式结构。研究了不同触发脉冲作用下触发单元的放电特征和工作模式,以及气压、阳极电压和脉冲参数对触发单元电荷注入特性、开关导通时延与抖动及阳极电压跌落速率等的影响规律。此外,根据电极烧蚀形貌分析了开关的多通道同步触发特性,根据放电波形讨论了实验中遇到的电流淬灭现象。实验结果表明:触发单元放电存在脉冲电晕和沿面闪络两种工作模式;高气压和大能量的触发脉冲有利于降低开关时延、抖动和阳极电压跌落时间;快前沿的触发脉冲有利于降低开关抖动;阳极电压对触发时延和抖动的影响不大;开关能够实现多通道的同步触发和导通,且在小电流条件下存在两种淬灭形式。