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。     

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     

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。     

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)。     

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。     

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。     

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。     

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。     

百千安冲击电弧作用下纳米Al_2O_3掺杂对钨铜电极耐烧蚀性能的影响

电极材料的耐烧蚀性能是影响间隙类开关性能和使用寿命的关键因素之一。为探究掺杂纳米级非金属颗粒的电极材料在强冲击电流的工程应用场合下是否拥有更强的耐烧蚀性能,搭建冲击大电流放电实验平台,选择钨铜合金和掺杂了纳米级Al_2O_3颗粒的钨铜复合材料为研究对象,在峰值电流超过100kA、峰值功率0.54GW的强冲击电流下开展电极烧蚀实验研究。通过对比烧蚀前后电极的质量变化、烧蚀点微观形貌和表面粗糙度,发现纳米级Al_2O_3的添加使得钨铜合金在强冲击放电下拥有更强的耐烧蚀性能。结合电极烧蚀机理和电弧运动规律,分析得到了钨铜复合材料的耐烧蚀性能优于钨铜合金的原因:Al_2O_3的添加减小了钨铜合金以固相和液相形式溅射的质量,并且使阴极电弧的分布更加分散,从而降低了质量损失和表面粗糙度。     

长寿命铜钨合金气体开关电极的烧蚀形貌

研究密闭腔内结构紧凑、长寿命、大通流能力且能重复频率稳定工作的气体开关,对于油气开发中应用的脉冲功率装置意义重大。从工程实际出发,开展了对铜钨电极烧蚀形貌与相关特性的系统研究。搭建了开关实验平台,模拟实际工程中开关的变化过程。通过接触式非球面测量仪、共聚焦显微镜等设备完成对不同寿命阶段电极表面形貌的观测,得到表面轮廓线、平面显微图像,以及3维重建模型等数据,定量表述电极表面烧蚀形貌。结果表明,随着累计转移电荷量的增加,阳极、阴极的表面粗糙度均明显增加,且边缘区较中心区具有更高的粗糙度;对于同一区域,阴极都具有更高的粗糙度;20000次自击穿放电后,表面粗糙度增加至7.752?m(阴极,边缘)与5.573?m(阳极,边缘)。总体而言,阴极较阳极烧蚀更为严重,多次放电后表面形貌复杂,难以用简单模型描述。该研究是对传统气体开关技术的重要补充,具有相当的科研价值,同时也对油气开发等工业应用实际具有重要借鉴意义。     

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。     

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     

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.     

一种大电流三电极气体火花开关的工作特性

根据强流电子加速器的需要,研制了一种大电流三电极气体火花开关。开关采用防污染设计,将开关电极与金属腔体一体化,并采用金属挡板对绝缘封盖进行防污保护,从最大程度上减小了开关工作时对绝缘支撑物的污染,提高了开关寿命,并且对开关工作特性进行了实验研究。研究结果表明:当开关工作气压为0.10、0.15、0.20和0.25MPa时,其可控工作电压范围分别为25%～94%、38%～86%、40%～88%和44%～88%,具有可控工作电压范围宽的优点;当开关工作气压为0.25MPa、工作电压为40kV、欠压比为88%时,开关时延为50ns,抖动为1.28ns且分散性<3%,该开关已成功用于强流电子加速器系统且运行稳定可靠。     

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。     

场畸变火花开关电极优化设计及其触发特性

在烟气脱硫脉冲电源中采用场畸变火花间隙为开关,并在探讨开关电极各种形状基础上以旋转椭圆近似法优化设计一近似Ｂｏｒｄａ 电极形状为开关主电极形状,实验研究表明它触发性能可靠,可实现低脉冲幅值触发,且其放电点分布均匀,大大减小了电极烧损,有利于延长开关寿命     

触发真空开关的导通特性

介绍触发真空开关导通特性的实验研究结果,研究了不同的电极极性,电极距离,电极形状,不同的触发方式和触发能量以及主电路负载性质对开关导通特性,特别是最小导通电压的影响,实验结果表明,触发真空开关的最小导通电压比火花隙开关小两个数量级,因而具有工作电压范围很宽的优点。     

多级多通道低电感火花气体开关

简述了几种多级多通道低电感火花气体开关 ,分析了该类气体开关的设计原则 ,提出了一种中间电极采用不锈钢弹簧、触发电极位于主放电通道之外的同轴状气体开关的设计思想 ,初步试验表明 ,设计可行 ,开关电感较小。     

基于模拟试验的SF6电气设备低能量放电形式的特征气体

和电弧放电释放的能量相比,火花放电和电晕放电能量较低.对于低能量的放电,在其造成严重危害前,有必要对其类型和状态做出判断.笔者归纳前人对于SF6在不同放电类型下的分解机理,设计模拟试验,使用针板电极和板电极上放有金属碎屑的球板电极分别模拟电晕放电和火花放电,通过分析气体分解产物的类型和体积分数,提出使用S2OF1o的增...