密封腔体、大电流条件下重复频率长寿命气体开关的烧蚀特性

为进一步提高铜钨合金(质量分数为30%的铜和70%的钨)二电极自击穿气体开关的性能,在干燥空气为绝缘气体、气腔温度最高达80℃、不可换气的有限密闭腔体(1.2 L)内,以及30 kV自击穿电压、75 kA通流能力、0.1 Hz重复频率且工作寿命达至少5 000次等极端工作条件下,实验研究了电极烧蚀量、表面烧蚀特性随放电次数的变化,进而分析了开关工作性能及失效原因。结果表明:阴极电极头烧蚀更为严重,电极烧蚀率为6.3×10-6cm3/C,阳极电极头的电极烧蚀率为5.5×10-6 cm3/C,阴、阳极电极头表面均存在大量蚀坑、凸起和裂纹;自击穿电压呈现较明显上升趋势,5 800次放电时加压至45 kV开关未击穿,判定开关失效;聚四氟乙烯绝缘子表面损失大量氟元素并新增铜、钨等元素。因此推断开关失效的主要原因为在密封腔体、大电流条件下,电极烧蚀的喷溅产物与绝缘子表面发生复杂化学反应并生成强电负性气态产物,造成开关自击穿电压骤升。     

气体火花开关电极烧蚀形貌研究

开展了不同放电条件下气体火花开关单次放电实验,研究发现表面电极材料喷溅程度随着峰值电流和传递电荷量增大而逐渐变大,电极表面形成的烧蚀坑熔融化越明显,凹坑直径越大。分别采用钼和钨作为开关电极材料,研究多次放电过程中气体火花开关电极烧蚀形貌的变化规律和电极烧蚀率。结果表明,Mo和W开关的电极烧蚀率分别为9.0×10-6g·C-1和5.0×10-6g·C-1。在放电过程中,烧蚀区域由电极中心扩宽至边缘,表面粗糙度逐渐增大,中心区烧蚀严重。Mo电极表面呈现大量宽裂纹以及少量粒径达30μm的突起颗粒;W电极表面形成的凹坑较小,裂纹较窄,突起颗粒较小。对比两种开关电极,Mo开关电极烧蚀率较大(9.0×10-6g·C-1),烧蚀较严重,表面呈明显熔融态;而W开关电极烧蚀率较小(5.0×10-6g·C-1),表面整体较平整。因此在长寿命应用等场合,可优先选用W作为电极材料,以减少电极烧蚀程度。     

高压气体开关放电电极的显微结构表征

在不同放电条件下对高压气体开关进行单次放电实验,结果表明,随着峰值电流和传递电荷量增大,电极烧蚀范围逐渐增大,烧蚀坑面积和深度增大(凹坑深度达5.4μm),表面熔融化、熔融液滴铺展和表面微突起现象越显著,其中微突起主要来源于相对电极材料的溅射作用。针对钼和钨2种电极材料,研究高压气体开关多次工作电极的显微结构。可知开关表面均出现突起和裂纹等特征;钼开关电极表面烧蚀程度较严重,形成的颗粒突起较大(直径达30μm、高度达34μm),表面呈现的裂纹较宽(20μm)、较深(18μm)且数量较多,而且表面呈明显熔融态;而钨开关电极烧蚀程度较轻,表面出现一定数量尺寸较小的突起(最大直径为20μm,最大高度为18μm),裂纹少且尺寸小(宽度为5μm,深度为8μm)。     

空腔悬浮极对二级赝火花开关耐受电压的影响

设计了一种新型二级赝火花开关，其特点是中间悬浮极为空腔电极。研究了该种开关的耐受电压特性，并与单级赝火花开关和普通平板悬浮极（含中孔）的二级赝火花开关进行了比较。结果表明，这种新式赝火花开关比单级和普通二级赝火花开关的耐受电压高，其自击穿电压曲线向高气压区移动，提高了赝火花开关的工作电压，在同等条件下减弱了放电对电极的烧蚀，延长了电极寿命。     

空腔悬浮极对二级赝火花开关耐受电压的影响

设计了一种新型二级赝火花开关，其特点是中间悬浮极为空腔电极。研究了该种开关的耐受电压特性，并与单级赝火花开关和普通平板悬浮极（含中孔）的二级赝火花开关进行了比较。结果表明，这种新式赝火花开关比单级和普通二级赝火花开关的耐受电压高，其自击穿电压曲线向高气压区移动，提高了赝火花开关的工作电压，在同等条件下减弱了放电对电极的烧蚀，延长了电极寿命。     

强激光能源系统用气体开关的研究

针对强激光能源系统对开关元件的要求,在比较高库仑量大电流气体开关的3种主要类型:三电极场畸变开关、两电极同轴结构开关、旋弧开关后提出并研制了强激光能源系统开关定型上应优先考虑的两电极同轴结构开关。对开关电极材料的选取进行了理论和实验上的探讨,为了减少电极的烧蚀,需选择比热、密度、相变潜热大、熔点高的电极材料。理论分析和15 kV、200 kA下的开关样机实验结果表明,高密度石墨较为适合做大电流气体火花开关电极,电极材料的显微结构对开关电极的烧蚀和寿命影响较大。     

脉冲电弧侵蚀电极材料时的热分析

气体火花开关在大电流工作形下，会因为开关电极受到高能量，大电流电弧的烧蚀作用而影响其工作性能和寿命。本文根据电极电弧的烧蚀模型，通过热传导的计算，推导出了几个实用的公式，指出了选择耐烧蚀电极材料的原则和减少气体火花开关电极烧蚀的方法。     

大电流条件下气体火花开关电极烧蚀的研究进展

气体火花开关在各类脉冲功率装置中应用广泛,但放电产生的热等离子体将对电极材料产生烧蚀,烧蚀产物(金属蒸汽、液滴等)也会对开关绝缘造成污染,影响开关工作特性、缩短开关寿命,因而受到特别关注。在过去几十年间,国内外学者针对电极烧蚀机理及其影响因素开展了广泛研究,得到了常见电极材料在不同放电条件下的烧蚀特征;近年来,随着材料科学与诊断技术的进步,电极烧蚀研究集中在新型电极材料与烧蚀表征两方面。为此回顾了不同实验条件下电极烧蚀现象的相关研究,描述了电极烧蚀的基本特征,归纳了影响烧蚀的主要因素,介绍了电极与绝缘子表面烧蚀形貌的测试方法,介绍了电极烧蚀产物表征与分析的实验方法,论述了电极烧蚀对开关工作特性的影响规律。最后,分析并提出了电极烧蚀的一般评估方法,指出了电极烧蚀研究的热点问题和发展方向,对今后继续深入开展该领域的研究工作具有一定借鉴意义。     

气体火花间隙开关的自击穿性能研究

为了解气体火花间隙开关的自击穿性能,文中从自击穿实验角度着手,对电场不均匀度进行了仿真计算,测量了两电极气体火花间隙开关不同间隙距离下的自击穿电压,通过计算相对极差和变异系数来分析自击穿电压的稳定性并进行韦布尔检验。实验结果表明,自击穿电压随间隙距离的增大而增大并近似线性关系;间隙距离是影响自击穿电压稳定性的重要因素,自击穿电压的稳定性随间隙距离的增大而增大。从自击穿稳定性角度来看,可以适当增大气体火花间隙开关的电极之间间隙距离来增强自击穿电压稳定性。     

气体火花开关电极的烧蚀研究

为分析气体火花开关的电极烧蚀问题 ,首先用尼康ECLIPSEME6 0 0P型显微镜实验研究了开关放电后电极表面的微观形貌和侵蚀特征 ,结果表明电极烧蚀的典型图象大致有 3种 :弧坑、突起、裂纹 ;电极烧蚀机理的定性分析表明电极表面烧蚀的图象可用热爆炸力、磁流体动力、热应力等学说解释