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。     

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     

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。     

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。     

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。     

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。     

同轴型场畸变气体火花开关的研制

介绍了为DPF-300型脉冲电流源同步放电系统研制的同轴型场畸变火花开关。通过电场数值计算,对场畸变火花开关的设计进行了验证,对开关的自击穿特性及触发特性进行了实验研究。试验表明,所设计的同轴型三电极场畸变气体火花开关与原DPF-200型所用开关相比,具有电感小、触发特性好等优点,已成功地应用于DPF-300型脉冲电流源的同步放电系统     

多级多通道气体火花开关的同步放电特性

具有广阔应用前景的气体开关是快脉冲直线型变压器(LTD)这种新型初级储能脉冲功率源的关键部件,为提高其工作性能,对多级多通道气体开关多路同步放电特性进行了初步的实验研究。在优化设计标称电压200kV多级多通道气体火花开关的电极支撑结构后采用绝缘子内抠槽平面支撑结构,使用圆环形凸面结构电极代替圆环形平面电极。利用电磁场分析软件计算开关的电场分布表明:直流高压作用下,开关各间隙电压分布较均匀;触发脉冲作用下触发间隙电场畸变明显。10只开关的同步放电实验研究结果表明,10只气体开关的自击穿特性和触发特性有一定个体差异,其中5只开关并联放电同步性能良好,输出电流脉冲能有效叠加;工作气体为0.14MPa氮气,正负充电60kV,5只开关并联放电,能够产生上升沿约100ns,峰值约100kA的电流脉冲。     

气体火花开关高温气体冷却的三维模拟

高温气体的冷却是影响气体火花开关重复运行的主要因素。为解决高温气体冷却研究采用一维或二维模型且不考虑气体导热系数、定压比热、粘性系数随温度变化的影响引起的计算不精确,三维数值模拟及理论分析了气体开关导通后开关通道内的高温气体冷却。结果表明,气体导热系数越大、定压比热越小、粘性系数越小、气体冷却速度越快;用得出的上述参数随温度变化的拟合公式对氮气、氢气气体开关中高温气体冷却三维模拟证明了氢气的冷却速度明显好于氮气。     

脉冲气体开关用SF6混合气体放电特性的研究

脉冲功率技术在大功率激光、Z箍缩、高功率微波和材料合成等领域均有非常广泛的应用,气体开关是脉冲功率装置中关键元件之一.为了获得开关间隙中不同气体电介质时开关工作性能、开关寿命等的变化规律,笔者针对一种典型结构的场畸变气体开关,采用工程中常用的正负充压回路方式,通过改变SF6/N2、SF6/Ar混合比、气压和电极间距等实...     

气体间隙放电火花电阻的光谱诊断

火花电阻是影响开关能量传输效率、寿命的重要因素,为了对其进行准确测量,提出了一种利用光学诊断获得气体间隙放电火花电阻的方法。首先利用光谱仪测量脉冲电压下气体间隙火花放电的发射光谱,获得了不同放电发展阶段和通道内不同位置的电子温度、电子数密度,并根据Spitzer电导率修正公式得到不同放电阶段火花通道的电导率。然后通过通道径向成像后谱线长度计算了不同阶段火花通道的外径,结合放电通道外径与电导率即可得到火花放电通道电阻。结果表明:随着放电发展,火花通道等离子体的电导率先迅速增大后逐渐减小,最后保持在104 S/m左右;火花通道电阻从绝缘状态骤减至0.1Ω左右然后基本维持不变,通道电阻值与过去文献中所提出的经验公式计算结果基本一致。随着电流增大,通道电导率基本不变,通道半径增大,通道电阻减小。随着气压增大,放电通道等离子体的电子温度降低,电导率减小,导致通道电阻增大。     

放电间隙导通过程中电流通道头部的加速效应（英文）

This paper is devoted to explanation of a phenomenon of current channels heads acceleration which bridges a discharge gap.This phenomenon was discovered experimentally during some works at investigating nanosecond streamer gas discharges of atmospheric pressure in the air and neon.Consideration of the bridging process of the discharge gap is presented in the framework of a model of microstructured current channel.In this case,the channel represents itself as a bunch of microchannels(up to 1 000 and more).Such consideration could be stipulated by the discovered earlier phenomenon of the current channels microstructuring that are realized in the nanosecond discharges of atmospheric pressure.The authors have developed the electro-technical model of the discharge gap bridging by the conducting channel.It is shown that the channel length dependence of the velocity is linear;this is similar to that of the model of the continuous(unstructured)channel.We considered and made estimations that stipulate a possibility of gas heating in the microchannels up to the temperatures of associative ionization beginning in the discharge gap bridging phase.In this case,increase of the charged particles concentration and,consequently,decrease of its resistance cause the head acceleration.It is shown that in case of the continuous channel it is impossible to realize the gas heating up to the temperatures of the associative ionization in these conditions.Obtained results reveal the physical reason of the current channels microstructuring as a consequence of the principle of least action manifestation in the area electric breakdown phenomena of the gases.     

丝段式电热爆过程中的气隙击穿特性

金属丝段落入高压电场中发生电热爆,只能靠两端与电极之间的气体放电导入大电流完成。为系统认识气体放电过程中充电电压、电极间距与击穿气隙之间关系,改变初始充电电压和丝段初始长度,进行系列电热爆试验,同时,测量不同气隙时的放电电流。结果表明,金属丝段进入高压电场中后,存在单气隙放电和双气隙放电两种模式的气体放电。发生单气隙放电时气隙的击穿电压要比双气隙放电时气隙的击穿电压小。电极间距增大后,气隙的击穿电压增大。能够发生双气隙放电时对应丝段的最小长度,为适合电热爆发生的丝段最佳长度。     

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。     

直流气体放电过程中的离子分子碰撞模型

气体放电是高压设备绝缘击穿的一种常见现象,为了研究正离子能量及行为对气体放电过程的影响,采用微观粒子法在计算机上模拟了平板电极下,极间电压为500V时,短间隙击穿过程中的正离子运动。数值计算的过程中考虑了离子与分子间的弹性碰撞及电荷交换碰撞对离子运动的修正作用,采用了与能量相关的碰撞截面,跟踪正离子直至其运动到达阴极表面。基于此方法获得了空间电荷密度、带电粒子数与电场强度等宏观物理量。计算结果表明:直流放电过程中,正离子碰撞阴极是放电得以维持的必要条件;正离子运动缓慢形成的空间电荷畸变了电场,促进了碰撞电离,有利于放电的持续进行,同时离子碰撞加剧将减弱γ过程,使放电无法自持。     

SF_6-CO_2混合气体火花放电分解产物的气相色谱分析

采用气相色谱仪,利用热导检测器(TCD)与火焰光度检测器(FPD)串联检测法。定性和定量地分析了SF_6以及SF_6-空气、SF_6-CO_2、SF_6-N_2混合气体火花放电后的分解产物,并讨论了放电分解产物的形成机理。     

火花放电电磁干扰特性的比较

电磁环境的恶化给人类的生产和生活带来诸多危害。火花放电是一种重要的电磁干扰源。研究火花放电时辐射电磁波的特性，既可以帮助我们减少它们的危害，又有助于我们开发它们更多的应用。实验中，我们对针板空气间隙分别施加正、负直流和交流高电压，使其产生火花放电，利用宽带天线接收其辐射的电磁波，然后将信号通过电缆送至频谱仪，研究放电辐射电磁波的极化特性和方向图特性。通过实验和理论分析，我们认为，针板放电回路可以由一个振子天线来等效，并且随着辐射电磁波的波长与环形回路周长的比值不同，电磁波的特性也有所不同。另外，还解释了频谱图中出现的一些特点。