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。     

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。     

基于B-dot探针的旋弧开关电弧运动速度测量

针对一个轴向磁场控制的旋转电弧脉冲功率开关,借助B-dot探针研究了开关中的电弧在常压下空气中的运动特性。B-dot探针是一个基于电磁感应原理的小线圈,其感应电压随电弧距线圈位置而变化。为研究电弧运动速度随电流变化的规律,在一周内均匀布置6个探针。探针被放置在电极间隙的正下方,其轴向与电弧运动方向平行,且在同一高度上。计算电弧速度时,近似认为探针信号过零点对应于电弧经过探针正上方。实验中采用一个多模块放电回路,通过时序放电,在开关上得到近似梯形状的电流波形。根据探针信号计算得到在该电流波形下电弧速度的变化,在电流为20kA时,电弧速度约为550m/s。     

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     

小电流下弧根运动对空气直流电弧的影响

阴极弧根为电子发射的主要区域，弧根的运动对空气直流电弧等离子体特性有重要意义。通过电极旋转驱动阴极弧根运动，实验观测得到电极旋转情况下空气直流电弧拉弧过程电极表面烧蚀情况、扭曲的弧柱形态，同时提取并对比了直线拉弧和旋转拉弧的电弧电压上升曲线。参照临界电流试验条件，建立小电流下平行电极间三维电弧仿真模型，探究在小电流情况下，自由燃烧态电弧的演变过程。仿真结果表明：阴极弧根运动使得发射后极间带电粒子空间分布变化，间隙放电通道改变，电弧的最大温度值降低；当电弧放电通道不稳定时，极间电弧电压出现波动，电弧能量包络空间相对变小，间隙中高能粒子较少，有利于电弧能量的空间逸散。     

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。     

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。     

电极间距对真空电弧电压及阳极熔池旋转速度影响的实验研究

在可拆卸真空灭弧室中对纯铜杯状纵向磁场电极分别进行了间距10,16,20mm的大电流(有效值为10,20kA)燃弧实验,用高速摄影仪拍摄电极间的电弧形态及阳极表面熔池的旋转运动,并测量了电弧电压波形。以实验测量为基础,分析研究了真空电弧在不同间距下的电弧电压特性、阳极表面熔池旋转运动。实验结果表明,随着电极间距的增大,电弧逐渐向不稳定态发展并且电弧电压逐渐增大。阳极表面熔池半径及金属液体旋转速度随着电极间距的增大而增大。电极间距10mm的熔池旋转线速度大约为0.664m/s,熔池半径大约为14.5mm;而电极间距16mm的熔池旋转线速度为1.204m/s,熔池半径大约为15.6mm。     

场畸变气体开关寿命特性研究

气体开关为脉冲功率系统中的关键元器件之一,其寿命特性是业界关心的主要性能之一。文中进行了场畸变气体开关的寿命实验,通过分析实验条件下开关约10 000次放电后的绝缘内壁附着物成分,得出了在开关导通电流相对不大的情况下(10 kA)开关失效的主要原因为绝缘劣化,而造成绝缘劣化的主要原因为电弧烧蚀电极导致物质扩散溅射污染绝缘的结论。利用模拟电荷法对开关内电极间隙的电场进行了计算,并使用微粒群(PSO)算法对电极形状进行了优化分析,可以作为使电极尽量均匀烧蚀,提高开关寿命的优化设计算法。     

含盐度对水中大功率脉冲放电电极的烧蚀影响

为研究不同含盐度对水中脉冲放电电极的烧蚀影响,研制了水中脉冲放电实验装置,装置分为地面电源系统、铠装电缆与脉冲放电系统,最高脉冲放电电压可达18 kV。基于实验平台开展了水中含盐度0‰、10‰和20‰条件下阳极的烧蚀程度对比,并记录了不同含盐度下的放电电压、电流波形。结果表明：当脉冲电容电压一定时,含盐度对水间隙与空气开关的能量分配有较大影响。含盐度越高,则在预击穿阶段的泄漏电流和消耗的能量就越高,导致主放电阶段释放的能量降低,形成的冲击波强度变弱;水中含盐度越高,则阳极表面的烧蚀斑点直径越小,阳极的烧蚀速率越低;采用SEM电镜观察了单个烧蚀斑点的形貌,解释了造成特殊烧蚀形貌的原因。     

一种新型高压真空灭弧室触头及其特性

高压真空开关的核心部件之一是真空灭弧室,由于其触头开距较大,因此多采用纵向磁场触头,希望触头间隙有较强且较均匀的纵向磁场,这样可降低电弧电流密度,降低电弧能量,从而提高开断性能。该文提出了一种适合应用于高电压等级真空灭弧室的新型纵向磁场触头结构,该触头结构结构简单,便于加工,而且结构强度更好。利用有限元方法对这种新型的真空灭弧室磁向磁场触头间隙的磁场分布特性进行了计算与分析, 结果表明其磁场特性优于现有传统纵磁触头结构。利用这种新型触头结构制做了真空灭弧室样机,在单频LC振荡回路上进行了性能测试,结果表明在触头开距为40和60 mm时其同样具有良好的开断短路电流的性能。     

大开距纵磁结构触头磁场特性的数值分析

通过分析几种用于中压真空灭弧室中的触头结构,探讨了将它们应用在高压真空灭弧室中的可能性。并用有限元的方法对单极线圈式和杯状纵向磁场触 头结构在大开距条件下的磁场特性进行了仿真计算。采用改变部分触头结构参数的方法来优化磁场分布,在分析计算结果的基础上探讨了将它们应用于高压真空灭弧室中的可行性。结果表明,在大开距条件下即使经过优化,1/3匝线圈式纵磁触头结构和杯状纵磁触头结构所产生的磁场也不足以控制真空电弧,而1/2匝线圈式纵磁触头有较强的纵向磁场,适合于大电流的开断。     

Determining the breaking capacity of vacuum interrupter chambers according to the failure criterion using a method of nondestructive testing

During research tests of vacuum interrupter chambers (vacuum interrupters, VIs), their breaking capacity is determined by bringing the chamber to a thermal failure, i.e., to a situation in which a VI is already unable to switch a current off and a safety switch of the test bench interrupts the current. Thus, the highest short-circuit current is defined, which can be interrupted by an opening switch with a VI under prescribed standard conditions. This current is characterized by the effective value of its periodic component and the fraction of the aperiodic component in the current curve. However, if in the case of a failure, some elements of the VI (or the chamber as a whole) are destroyed, this will impede analysis of the cause of this failure. This paper describes a test method in which the development of a failure is not allowed, and the risk of a failure is established on the basis of its primary features. It is shown that such features are a considerable burning-arc duration before the first arc-current zero and arc reignitions even at a low transient restoring voltage. It is also established that, for VI chambers with contacts that create an axial magnetic field, the rated breaking current can be determined using the failure criterion, for which the critical value of the electric charge, which is transferred through the vacuum arc before the first current zero, is adopted. This failure criterion makes it possible to reduce the number of tests that are needed for determining the rated breaking current. The calculated data for determining the values of the critical charge and the rated breaking current are presented.     

真空电弧电压与电弧形态关系的实验研究

在可拆卸式真空灭弧室中对平板式电极进行了试验,通过高速电荷耦合器件(CCD)摄像机拍摄的电弧形态照片及示波器记录的电弧电压波形,研究了真空电弧的电弧电压与电弧形态的关系。作为对比,也对杯状纵磁触头进行了一些试验。     

Vacuum interrupters with axial field contacts. 3-d finite elementsimulation and switching experiments

A magnetic field parallel to the current flow in the arc column can improve the breaking capacity of vacuum switches by affecting the arc mode. To calculate the field distribution in the interelectrode space of axial field contacts, a model has been generated by using a finite element program. A segmented coil behind the contact plates creates the magnetic self field. The three-dimensional analysis takes into account all parts of the current path within the contact structure. The generation of eddy currents by the 50 Hz excitation is also considered, as well as means to reduce them. Examples of calculated results with respect to current density distribution, axial magnetic field and phase shift between current and field are given. The simulations are completed by switching experiments with axial field contacts at currents to 45 kA     

铁芯式两极纵磁真实灭弧室的开发研究

提出了一种新型铁芯式两极纵磁真空灭弧室触头结构,其间隙能够产生较强且均匀的对称交变纵向磁场。触 和 开槽,提高了强度;整块铁芯变成,降低了涡流,缩短了纵向磁场滞后于电流的时间。通过对样吕的试验。证明该结构能降低电弧电压,提高触头的分断能力。     

RSD重复频率脉冲功率电路的研制

研制了一种基于高速大功率半导体脉冲开关反向开关晶体管(Reversely Switched Dynistor,简称RSD)的重复频率脉冲功率电路,电路主要包括放电电容充电回路、主回路及BSD预充回路等部分.分析了脉冲功率电路及磁开关工作原理.设计了工作电压为2.4 kV时的电路及磁开关参数.试验结果表明,当重复频率为1...     

杯状纵磁真空灭弧室三维涡流场仿真

对杯状纵磁真空灭弧室触头建立了与实际触头结构完全一致的有限元分析模型,模型中把电弧弧柱处理成圆柱形金属导体.对模型用有限元法进行了三维涡流场仿真.仿真结果表明,考虑电弧以及杯和电弧的涡流效应后,在电流峰值时,触头片中电流密度最大值变大;触头片上槽一侧的纵向磁场比另一侧强;磁感应强度B矢量在触头表面上的分布呈"旋涡"形状,其纵向分量在触头中心较大,越靠近触头边缘越小,而横向分量则增大;电流过零时,与未考虑电弧以及杯和电弧的涡流效应时的计算结果相比,触头间隙中心平面上及触头表面上的纵向磁场分布变为"帐篷"形状,纵向磁感应强度最大值也变大.在触头开距中心处纵向磁场较强且纵向磁场滞后时间也相对较长.