真空开关的触发失效与主电极烧蚀特性研究

通过对真空开关的导通与失效机理进行研究,将其分为触发机构和主电极两个部分。关于触发机构的失效机理,主要研究绝缘电阻、触发电流和主放电电流大小的变化对触发极烧蚀的影响;用真空电弧的机理分析主电极烧蚀,对导通过程中电弧的发展进行仿真,了解主电极烧蚀特性。通过对真空开关的触发失效和主电极烧蚀特性进行研究,更好地了解真空开关的导通机理。     

高性能触发真空开关的研究综述

综述了目前国内外高性能触发真空开关的研究进展;归纳了触发真空开关的结构研究情况,按触发形式的不同将其分为沿面击穿型和场击穿型,按结构形式不同可将其分为多棒极型、磁延滞型、带辅助阴极型、长间隙型、触发真空灭弧室、棒状电极和圆筒状电极型;分析了触发真空开关的击穿机理研究情况;总结了触发真空开关的触发特性和导通特性等性能研究情况。     

脉冲激光波形和能量对多棒极型激光触发空开关性能影响的实验研究

研究了脉冲波形对自行设计的多棒极型激光触发真空开关的时延、抖动和最低导通电压等参量的影响.理论分析并且实验研究了单峰脉冲与双峰脉冲在开关的触发阶段和导通阶段对主电路导通特性的影响.结果证明相同能量且脉宽较短的单峰脉冲导致的时延、抖动均比双峰脉冲小,两者最低导通电压相等,为优化触发激光脉冲波形提供依据和参考.通过改变照射的单峰脉冲能量,并且用场致发射扫描电子显微镜观测,研究了不同能量脉冲对靶电极质量损耗以及成分损耗比例的区别,为进一步提高靶电极寿命提供依据和参考.     

脉冲激光波形和能量对多棒极型激光触发真空开关性能影响的实验研究

研究了脉冲波形对自行设计的多棒极型激光触发真空开关的时延、抖动和最低导通电压等参量的影响。理论分析并且实验研究了单峰脉冲与双峰脉冲在开关的触发阶段和导通阶段对主电路导通特性的影响。结果证明相同能量且脉宽较短的单峰脉冲导致的时延、抖动均比双峰脉冲小,两者最低导通电压相等,为优化触发激光脉冲波形提供依据和参考。通过改变照射的单峰脉冲能量,并且用场致发射扫描电子显微镜观测,研究了不同能量脉冲对靶电极质量损耗以及成分损耗比例的区别,为进一步提高靶电极寿命提供依据和参考。     

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。     

平板电极型激光触发真空开关的导通特性研究

强激光触发方式的真空开关由于触发精度高、可靠性好、并能有效避免触发装置的电磁干扰,在快速关合开关、电磁发射、串联补偿电容保护等领域具有非常广阔的应用前景。设计了一种平板电极型激光触发真空开关。为了提高其触发寿命,针对触发电极进行优化。触发电极耐烧蚀,靶材选取TiH_2,其能为开关导通提供丰富的初始等离子体,开关的触发性能得到加强,开关的最短时延可达650 ns。详细讨论激光参数、聚焦镜位置、主电压值等对开关的触发阈值、最低工作电压和时延特性的影响,提出触发阈值理论和电弧形成机制,为此类开关的性能优化提供理论依据。实验表明:开关稳定的触发阈值达4.5×10~7W/cm~2,最低工作电压为30 V;采用正常聚焦模式能大幅度降低开关的时延;电弧电流的开始阶段存在强烈振荡过程,电流值大于5 A后,如果外加电压足够高,振荡现象消失,真空电弧稳定燃烧。     

激光触发多级气体真空混合开关

触发真空开关的电寿命是制约其发展的瓶颈,基于激光触发和快速操动机构的开关可解决此问题。当其工作电流过大时,快速操动机构动作联动激光触发间隙电极闭合。因为主电极和靶电极的烧蚀和相应的材料损耗是造成电寿命较短的主要原因,因此快速操动机构的应用所带来的开关寿命的增加是显著的。设计了基于激光触发和快速操动机构的开关,对其进行了静电场仿真,以优化参数。对开关进行了基本特性实验,当工作电压为250 k V,激光能量为2 m J时,开关延时为60 ns,抖动为5 ns。通过实验发现,随着激光能量和开关工作电压的升高,开关导通延时和抖动显著减少。该开关可应用在对寿命要求较高的脉冲功率系统中。     

单边纵磁结构触发真空开关的试验研究

为提高触发真空开关的峰值电流导通能力,借鉴真空灭弧室的设计经验,利用线圈型触头开发了单边纵磁结构的触发真空开关。详细介绍了开关的结构,并测量了其实际导通能力与触发性能。结果表明,这种结构的触发真空开关,最大单波导通电量可达５０Ｃ以上,导通时延在５μｓ左右。简略地讨论了磁场的作用。     

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。     

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。     

沿面闪络真空开关触发特性的实验研究

触发真空开关(triggered vacuumswitch,TVS)是脉冲功率技术的核心器件,为满足对TVS放电时延及其分散性、工作电压范围、通流容量等的要求,设计了高介电系数的电介质材料制作的沿面闪络真空开关,研究了触发脉冲、主间隙两端的电压对TVS放电时延及其分散性的影响规律。实验研究表明:采用高介电常数电介质材料制作的沿面闪络真空开关,在自击穿电压为120 kV的条件下,TVS的最小工作电压为1.3 kV,工作电压范围为1.08%～99%;最大的放电时延400 ns,最小的放电时延为130 ns,最小的时延分散性为±10 ns;TVS的通过的电流峰值150 kA。该TVS不仅满足一般放电开关的性能要求,用于高电压、大电流脉冲功率技术中,而且可以用于对放电开关有特殊要求的Crowbar回路中。     

多棒极型触发真空开关触发特性

主要研究多棒极型触发真空开关(TVS)的触发特性及其影响因素.研究表明,真空开关的触发时延主要由导通时延决定,增加触发电流的幅值和陡度(di/dt)可减小TVS的导通时延及其分散性.脉冲变压器直接触发TVS,可通过减小变压器漏感、提高触发电容的充电电压或增加触发电容电容量来降低导通时延及其分散性,但触发电容增加到一定值后对增加触发能量无帮助,没有必要继续增加.变压器直接触发方式可使导通时延减小至4ms左右,但分散性较大,且存在较小的触发回路电流导致的触发极熄弧现象.在脉冲变压器直接触发回路的基础上设计并研究了两种改进的触发回路:一种为脉冲变压器匹配续流回路,TVS导通时,通过续流回路的充电电容续流可使触发电流达kA级,导通时延减小至2～4μs,由于回路结构复杂,受到杂散参数影响,触发电流的幅值和陡度受到限制;一种为改进的触发回路,在触发极和阴极两端直接并接电容,导通时延可保持在1μs之内.最后研究并确定了并接电容选取依据和取值区间;对触发电压较小的TVS可在并接电容和触发极之间串联间隙,增大电容的充电电压和触发极能量,达到TVS可靠、精确触发的目的.     

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。     

基于高频振荡回路的激光触发真空开关开断特性

真空触发开关(TVS)是脉冲功率技术的重要开关器件,随着脉冲功率系统向更高工作频率的方向发展,要求TVS具有在高频回路中稳定工作的能力,因此采用LC高频振荡回路对一种新型激光触发真空开关(LTVS)进行实验研究,考察振荡回路频率、间隙电压以及初始等离子体浓度等因素对LTVS的开断特性的影响。实验结果表明,振荡回路频率增加和间隙电压升高将导致电流峰值及电流过零点变化率升高,电路未成功开断或者发生重击穿概率增加;重击穿时间间隔随间隙电压和回路频率升高而缩短;LTVS未成功开断或者发生重击穿概率与初始等离子体浓度无关。实验结果对于改善LTVS在高频回路中的稳定工作能力具有参考价值。     

长间隙触发真空开关的实验研究

报导了长间隙触发真空开关的实验研究结果 ,包括导通过程、触发可靠性、触发时延及工作稳定性。实验表明 ,采用高压小电流击穿与低压大电流续流的触发电路 ,可保证触发可靠性 ;长间隙触发真空开关有良好的工作稳定性 ,除得到更高工作电压的触发真空开关外 ,还可用于长间隙真空电弧特性的研究。     

高压开关全电压关合试验相关问题研究

以国际电工委员会(IEC)和我国关于高压断路器合成试验的相关标准为依据,笔者提出了一种基于真空触发开关(TVS)的电流源快速合闸开关和全电压关合试验回路。分析了全电压关合试验的实施难点以及影响与直接试验等价性的主要因素,引入短路关合电流是否投入的综合判据,设计并实现了可进行额定参数为110 kV/63 kA电流源主控开关和全电压关合试验系统样机。以进行具有最大预燃弧时间的全电压关合为例,对所研究的试验系统进行了功能和可靠性现场试验。结果表明,该系统在大功率试验站强电磁干扰环境下具有较高的控制精度和工作稳定性。     

沿面击穿型触发真空开关的热传导模型分析

介绍了沿面击穿型触发真空开关的基本结构和工作过程。从沿面击穿型触发真空开关场致发射击穿机理的分析出发,通过数学建模,引入热力学运动方程,建立了沿面型触发真空开关的真空放电阴极斑点热传导模型,它可以用来描述和估算沿面放电方式下触发真空开关的时延特性。然后以初始等离子体的产生与扩展机理为重点,讨论了沿面型触发真空开关的时延特性,对于采用氢化钛作为涂敷材料的沿面击穿型触发真空开关,进行了具体的分析计算。研究表明,以所建立的阴极斑点热传导模型为基础计算得到的时延结果和Lafferty及Farrall的经典实验数据相吻合,证明了计算模型的正确性。     

基于TVS的控制器设计

介绍TVS -A和TVS-B两种真空触发开关,通过实验研究它们的延时特性.同时为了便于调节触发能量,以此为基础设计了一个有关TVS控制电路.实验数据表明延迟时间和抖动时间随触发能量的提高而降低.延迟时间和抖动时间随主间隙电压的升高而大幅度地降低.通过提高主气隙电压,提高了触发的可能性.同时证明由于在触发结构上的改进,TVS -B比TVS -A有更优越的延时特性.     

长间隙触发真空开关动作特性的研究

介绍了长间隙触发真空开关动作特性的实验研究,包括工作过程、触发可靠性、触发时延以及抖动时间.实验表明,采用高压小电流击穿与低压大电流续流的触发电路,可保证触发可靠性;长间隙触发真空开关工作电压高,动作特性良好,有利于高功率脉冲技术的发展研究.