放电电弧电磁力计算与气体开关电极机械性能的选择

当气体火花开关闭合时,开关电极之间会产生强烈的大电流电弧,电极内部开始有电流流动。电弧电流产生的磁场和电极中的电流相互作用会产生强大的机械力冲击电极表面进而影响开关的性能。本文计算了开关电弧对电极的电磁冲击力,并对开关电极材料机械性能的选择提出了建议。     

大电流放电条件下气体火花开关电性能研究

针对钼、钨铜合金和钨3种主电极材料的气体火花开关,进行大电流放电实验,研究气体火花开关电性能随放电次数的变化规律。结果表明,随放电次数增多,气体火花开关的击穿电压呈现逐渐下降趋势,下限工作电压逐渐升高;实验后开关电极表面形成了大量裂纹、烧蚀坑和突起等烧蚀特征。对比3种开关可知,在多次放电过程中钨开关的电性能较稳定,开关工作寿命最长;钼开关电性能参数波动较大,且开关在实验后期失效,开关寿命最短;钨铜合金开关的下限工作电压值偏高,且波动较大,击穿电压较稳定,开关寿命较长。因此可优先选用具有优异抗烧蚀性能的钨作为长寿命气体火花开关电极材料。     

旋转电弧间隙开关的电极烧蚀

为减小开关电极烧蚀 ,延长开关的寿命 ,设计了一个旋转电弧场畸变间隙开关 ,方法是使开关间隙放电产生的电弧在外加磁场或自身产生的磁场的驱动作用下沿着开关电极的表面运动 ,从而达到减小开关电极烧蚀的效果。给出了不同开关结构、不同电极材料和不同电流波形情况下的大电流烧蚀的微观照片。结果表明旋转电弧场畸变间隙开关能够有效地减轻开关电极的烧蚀程度     

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。     

高库仑量大电流脉冲闭合开关的研制

脉冲能源系统的关键元件之一是高库仑量大电流的脉冲闭合开关。该文设计改进了轴向磁场控制的旋转电弧开关，没有触发电极，并且采用电流在轴向沿内电极均匀分流和磁镜磁场的结构设计，使电弧稳定在电弧稳定区。详细分析电弧的受力，给出开关电弧的理论旋转速度，开关的电极、磁场线圈和触发系统的优化设计保证开关具有良好的工作性能。对开关的大电流试验的回路进行了方案和参数设计，在基本特性试验后开关共进行了7次大电流试验，发现开关电极烧蚀非常轻微，有明显的电弧旋转痕迹。实验结果表明采用电流在轴向沿内电极均匀分流和磁镜磁场的结构设计，使电弧稳定在电弧稳定区，电弧不会像前版开关中一样很快的被轴向力推向端部，减轻了端部绝缘被电弧损坏的可能。     

大电流气体火花开关聚四氟乙烯绝缘子绝缘劣化产物分析

开关自击穿放电过程中高温电弧等离子体将对电极材料产生不可避免的烧蚀作用,电极熔融、喷溅并在高温大电弧作用下与绝缘子材料、绝缘气体等发生一系列复杂多变的化学反应,生成烧蚀产物附着于绝缘子表面,造成绝缘性能降低乃至失效。针对聚四氟乙烯绝缘子材料在大电流气体火花开关中满足长寿命要求条件下,共计进行20 000次自击穿放电实验,主要采用X射线光电子能谱仪与气相色谱仪作为检测手段,研究自击穿放电过程中固态与气态烧蚀产物的化学成分研究。研究表明:阳极、阴极绝缘子烧蚀产物成分相近;绝缘子内、外表面固态烧蚀产物的化学成分近似而含量却大不同;阳极与阴极绝缘子内外表面均损失大量氟元素,绝缘子外表面氟元素损失更为剧烈;气态产物中可检测到四氟化碳气体CF4,虽含量较少但因其强电负性,亦将对开关绝缘性能与工作性能造成较显著影响等。     

半导体碳化硅在伪火花放电高能开关中的应用

伪火花放电开关 (PSS)的寿命主要由大电流下的电极烧损决定 ,其机理为金属电极产生的蒸汽电弧改变了原有均匀辉光放电所致。半导体碳化硅 (Si C)可以维持伪火花开关电极表面的均匀辉光放电 ,抑制电弧产生 ,使电极烧损大大减小 ,还解决了开关在小电流下奇异放电问题 (电流猝灭和暂态阻抗降低 )。简述了金属钼电极与 Si C电极的放电过程和特点后简要分析了 Si C电极抑制电弧的原理 ,还介绍了伪火花开关奇异放电现象的研究进展     

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。     

轴向磁场控制的旋转电弧开关的研制

开关在脉冲功率技术中极其重要，其已成为制约脉冲功率技术发展的主要技术瓶颈。为了满足高电压、大电流、高电荷转移量、电极烧蚀小、寿命长的要求，文中设计了一个由轴向磁场控制的旋转电弧间隙开关，研究了其电磁场分布及轴向磁场下电弧的运动机制，并进行了初步实验。结果表明此开关中的电弧确实在轴向磁场控制下做旋转运动，且运动速度很快，不需要对触发脉冲进行陡化就能得到纳秒级脉冲。实验放电波形比较稳定，分散性为2ns；开关电极表面的烧蚀小，有利于延长开关的寿命；开关工作参数为：电压23kV，单脉冲能量0.314MJ，峰值电流100kA，电荷转移量27.3C/脉冲。     

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     

石墨型高能气体开关的电极使用寿命分析

两电极气体开关是大型激光装置能源模块中开关元件的重要候选方案。分析石墨材料相比于传统金属材料烧蚀的特殊性。由于高能脉冲放电(转移电荷量大于25 C)时,石墨烧蚀质量损耗与转移电荷量呈线性关系,提出可用于评估电极使用寿命的烧蚀速率,并给出了实用的烧蚀速率测算方法。针对等电场面设计的石墨电极,提出表征石墨电极在使用过程中的电气寿命模型及相应的寿命终结判据,并对所研制的一种单次转移电荷量超过100 C的石墨型高能气体开关进行了寿命预测和试验验证。所得结论对石墨型高能气体开关的研制和使用具有参考意义。     

旋转电弧开关及其电弧运动速度特性

为满足脉冲功率技术对闭合开关高电压、大电流、高电荷转移量、电极烧蚀小、寿命长的要求,设计了一种轴向磁场控制的旋转电弧开关。利用有限元软件分析开关间隙中驱弧磁场的位形及大小,得到间隙中磁感应强度与开关结构参数及电流大小的关系。采用B-dot探针测量电弧的旋转速度。实验电源为时序放电回路,在开关上得到近似梯形状的电流波形,实验中电流为18～72 kA,磁感应强度为0.104～0.628 T。通过改变上下线圈的匝数,得到在不同驱弧磁场下电弧的运动速度,并与其他旋转电弧开关的运动速度进行比较。对实验数据进行拟合,可知电弧运动速度与间隙中的轴向磁感应强度大小成指数关系。该关系表明,所设计的开关中,电弧运动速度可以由间隙中的驱弧磁场惟一确定,这与外部磁场驱弧方式相比有很大的区别。     

Study on the Characteristics of the Gas Switch Electrode Erosion

Gas spark switch is one of the key parts in pulsed power technology.Electrode erosion has great influence on the switch performance and lifetime.In this paper,a field distortion gas switch is selected for the experiment and a great deal of discharging experiments have been conducted in different test conditions.The forming process of etch pit as well as its influencing factors is discussed briefly and surface roughness coefficient(SRC) of the electrode is put forward to evaluate the state of electrode erosion.Experimental results show that current peak plays an important role in electrode erosion when waveforms of discharge current are the same,and electric charge and oscillation frequency of discharge current also have great effect on the electrode erosion when waveforms of discharge current are different.With the increase of discharge times,SRC decreases slowly at first and then decreases quickly after three thousand of discharge times.     

Compact, Nanosecond, High Repetition Rate, Pulse Generator for Bioelectric Studies

The high dielectric strength and high permittivity of water allow for its use for energy storage and switching in compact pulse power systems. A 10-Omega pulse generator with flowing water as dielectric and as the switching medium is presented here. It can provide a 10-ns pulse with a risetime of approximately 2 ns and an amplitude of up to 35 kV into a matched load. The system was operated in burst mode with repetition rates of up to 400 Hz, limited by the charging power supply. For a switch with two pin electrodes, strong electrode erosion limits the use of the pulser to less than 1,000 pulses before electrode readjustment is necessary. A considerable reduction of the erosion effect on breakdown voltage was obtained with coaxial electrodes. The pulse generator was used to study the effect of the repetition rate (or the time between successive pulses) on the viability of B16 murine melanoma cells.     

Erosion of spark gap of square-wave high-voltage source for ozonegeneration

A high-voltage source generating a fast rising square-wave voltage has been developed for a high-efficiency ozone generator. The voltage source incorporates a rotating spark gap switch. The lifetime of the voltage source is determined by erosion of the spark gap switch. In order to obtain a long lifetime, various electrode materials have been experimentally tested. Sintered tungsten with thorium dioxide had the smallest erosion rate among the materials tested in the experiment. Using this material as the switch, the high-voltage source was constructed to operate an ozone generator with an ozone generating rate of 20 g/h. The erosion rate of the switching materials was measured for a period of two months of continuous operation of the ozone generator     

快前沿高压脉冲源用纳秒液体开关的研制

设计了一种具有运动触发极的新型三电极纳秒液体开关.开关由位置固定的阳极、阴极和可运动的触发极组成,开关间隙充入无毒、可生物降解、绝缘性能好的精炼菜籽油.开关腔外的触发极控制系统包括电磁铁、无线接收控制电路和遥控器,无线接收控制电路接收遥控器信号控制触发极运动来调节开关相对间隙,实现开关放电.开关设计工作电压为40 kV...