高压合成回路用放电开关等离子体触发装置特性

高压合成回路要求开关工作在极低工作系数下,常用的开关类型为大气下气体火花开关。为解决气体火花开关在极低工作系数下的触发问题,本文将毛细管放电等离子体喷射技术应用于高压合成回路点火开关。首先采用高速摄影仪拍摄了毛细管放电等离子体喷射形态,然后对不同工作系数下气体火花开关的延时及其分散性进行了测量,最后在实际运行试验中对触发特性进行了验证。实验结果表明:毛细管喷射等离子体沿电极轴向进入电极间隙,形成一条电导率远高于空气的等离子体通道,从而使开关电极导通击穿。等离子体喷射触发气体火花开关导通延时和延时分散性主要由等离子体形态及贯穿过程决定。电极间距为130 mm、工作系数为50%条件下,开关导通延时为114μs,分散性为±10μs。实际运行结果表明,等离子体喷射触发气体火花开关能在极低的工作系数下可靠触发导通,成功完成合成试验。     

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。     

触发管型气体开关的导通机制

为优化触发型3电极开关的性能,评估其击穿时延,分析了这种开关的导通机制。触发管型开关存在快导通(FBM)与慢导通(SBM)等2种导通机制。基于气体放电理论推导了触发管型气体开关的击穿时延模型,并分析了不同导通机制下的击穿过程。基于Raether击穿判据,计算了开关进入快导通机制的工作欠压比下限。实验得到,快、慢导通机制之间的欠压比阈值为0.7。开关内的等效电场可分解为静态畸变电场与动态畸变电场,结合时延模型能合理反映导通时延受工作条件与触发能量影响的动态过程。在快导通机制下,欠压比与静态电场增强系数起着主要影响;在慢导通机制下,除欠压比之外,触发脉冲能量的影响同样重要,此外还需考虑消游离对导通的影响。得到的结果可供提高触发管型气体开关的导通性能的设计与研究借鉴。     

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。     

诱导触发型气体间隙开关快速绝缘恢复特性研究

气体间隙开关结构简单、成本低,在电力系统中应用前景良好,但绝缘恢复特性研究尚少。为此,本文采用“双脉冲法”研究开关间隙、触发介质气压及其种类对气体开关绝缘恢复特性的影响规律。结果表明：喷射等离子体诱导型气体间隙开关绝缘恢复经历过渡期、f快速恢复期和饱和期3个阶段,饱和期的持续时间远大于前两阶段之和,且在快速恢复期无“平台现象”出现;减小开关间隙距离,气体开关绝缘恢复速率渐进增大,其绝缘基本恢复时间（绝缘恢复系数RU>90%）可降低50%;气压对气体开关绝缘恢复影响显著,对绝缘恢复过程的影响特性存在差异,增大气压会减缓气体开关的绝缘恢复过程,0.1 MPa~0.3 MPa压缩干燥空气中,气体间隙开关绝缘基本恢复时间对应11 ms~40ms;强电负性SF6对气体开关绝缘恢复速率具有明显增强作用,其绝缘恢复速率接近于空气中的4倍。研究结果可为气体间隙开关快速绝缘恢复技术提供理论指导。     

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。     

极低工作系数下SF6间隙开关喷射等离子体诱导击穿作用规律

喷射等离子体触发型SF6间隙开关用于混合直流输电系统消能装置控制开关的优势十分明显,但极低工 作系数下的喷射等离子体诱导SF6间隙开关击穿作用规律尚不明晰.为此搭建了喷射等离子体诱导击穿试验平台,研究了 SF6间隙中喷射等离子体特征参数的时空分布特性,以及触发条件参数和主间隙施加电压的作用规律.结果表明,喷射等离子体呈...     

等离子体喷射触发型SF6间隙开关触发寿命试验研究

为实现白鹤滩—江苏±800kV特高压混合直流输电工程可控自恢复泄能装置的快速控制,研制高气压大触发能量的新型等离子体喷射触发型SF_6间隙开关样机,该间隙开关触发腔采用两级触发腔沿面放电接续触发结构,可以实现在极低工作系数下1ms内的快速可靠触发。为提高SF_6间隙开关的触发寿命,搭建试验平台并进行试验研究。首先研究触发腔结构尺寸对SF_6间隙开关寿命的影响,结果表明增加第一级触发腔的沿面距离可以有效提高触发寿命,但不宜过长,否则会产生熄弧现象,故触发腔尺寸采用3.5mm(10)6mm;然后研究触发腔材料对触发寿命的影响,结果表明聚四氟乙烯的产气能力和抗烧蚀能力比较均衡,综合性能要优于添加二硫化钼或氮化硼的聚四氟乙烯,可以有效提高触发寿命达到583次;研究表明触发腔劣化是SF_6间隙开关触发寿命终止的根本原因,据此提出触发腔劣化过程的监测方法,根据触发过程中一级腔沿面闪络电压、二级腔导通时储能电容的剩余电压、二级腔导通时延、主间隙导通时延等特征参量随触发次数的变化可以监测触发腔的劣化过程,从而监测触发腔状态,提高可靠性。通过上述研究,SF_6间隙开关样机的触发寿命达到了583次,满足了工程需求,并具备触发腔状态监测功能,提高了可靠性。     

触发电流对真空触发开关导通特性影响的实验

基于真空触发开关的导通机理,设计真空触发开关导通特性的实验研究方案。在详细分析真空触发开关导通过程的基础上,利用不同参数的触发电流导通真空间隙来研究对真空间隙导通过程的影响规律:在相同主间隙电压下,导通所需的触发电荷量随着导通时间的增长而在一定小范围内随之增长,而导通延时又随着触发电流的电流增长率和峰值增大而减小。再通过对导通过程影响规律的深入分析,得到了真空间隙的导通条件。即在主间隙电压为定值时,真空间隙导通所需的触发电荷量要近似满足一定关系。     

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。