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SF6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SF6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...     

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...     

场畸变气体开关寿命预测

气体开关是脉冲功率装置的关键元件之一,快速准确地预测开关的工作寿命,对于确定开关乃至脉冲功率装置的维修周期、预防事故的发生等具有重要的作用。选取自击穿电压和触发抖动表征开关性能,定义开关失效率,建立开关寿命计算模型,预估气体开关寿命。进行不同放电电荷量和电流峰值时的触发放电验证实验,结果表明,开关工作寿命可以分为稳定和失效2个阶段,所建模型能够有效地预测开关最大放电次数,即开关工作寿命。     

增强型等离子体喷射装置及其触发极限

江苏–白鹤滩±800 kV特高压混合直流输电工程中,采用可控避雷器实现柔性直流母线的过电压保护,但是当可控避雷器不能满足泄能需求时,亟需超快速动作旁路保护开关在1 ms内将柔性直流母线快速接地,实现对系统的保护。兆伏级SF6气体触发间隙具有高耐压、大通流、经济性好的优点极具工程应用的潜力,但实现其在极低工作系数下的触发导通极为困难。文中首次设计了一种增强型等离子体喷射装置,通过聚四氟乙烯毛细管内金属丝电爆炸的方式产生稠密的热金属等离子体并喷射至间隙中,实现了高气压SF6中等离子体喷射高度的显著提升。并研究了铝丝直径、触发电压和环境介质气压对等离子体喷射特性的影响规律,研究结果表明：铝丝直径越大、触发电压越高、环境介质气压越低,装置的喷射能力越强。当触发电压为–4 kV、铝丝直径为800μm时,等离子体在0.5 MPa SF6中最大喷射高度超过8 cm。最后,通过实验研究了增强型等离子体喷射装置的触发极限,在上电极电压–80 kV(工作系数低至4.22%)时,仍能够可靠触发间隙距离9 cm长的兆伏级SF6气体开关导通,平均导通时延(542±43)μs,满足工程需求。     

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。     

±800 kV混合直流输电工程用DC 80 kV SF6/N2等离子体喷射触发间隙研制

白鹤滩—江苏±800 kV混合直流输电工程在交流侧故障穿越过程中,为了限制柔直母线上过电压吸收冗余能量需要加装可控自恢复消能装置。为了实现可控自恢复消能装置的1 ms快速投入,需要研制DC 80 kV SF₆/N₂等离子体喷射触发间隙。根据工程需求,分析了工程应用条件,明确触发间隙关键技术要求。针对高性能触发的要求,提出了高压脉冲型等离子体双级接续触发方法,设计了同轴层压式产品化触发腔,搭建触发特性试验平台,开展触发性能试验研究,并提出通过监测触发过程中储能电容电压变化在线监测触发性能的方法,研究结果表明,最低可触发电压为50 kV,触发时延在0.3 ms以内,空载触发寿命为1800次。针对大直流通流及快速绝缘恢复的要求,依据横磁电极旋弧原理,完成自旋弧主电极设计,开展电场及旋弧仿真,设计搭建了通流及绝缘恢复试验回路开展试验研究,拍摄电弧运动。结果表明,电弧能够沿主电极边缘高速旋转,实现30kA/50ms通流后0.1s恢复耐受1.5倍额定电压、通流寿命50次。基于上述关键问题的解决,完成了双冗余等离子体喷射触发间隙本体及高电位测控的成套装置结...     

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。     

气体火花间隙开关的自击穿性能研究

为了解气体火花间隙开关的自击穿性能,文中从自击穿实验角度着手,对电场不均匀度进行了仿真计算,测量了两电极气体火花间隙开关不同间隙距离下的自击穿电压,通过计算相对极差和变异系数来分析自击穿电压的稳定性并进行韦布尔检验。实验结果表明,自击穿电压随间隙距离的增大而增大并近似线性关系;间隙距离是影响自击穿电压稳定性的重要因素,自击穿电压的稳定性随间隙距离的增大而增大。从自击穿稳定性角度来看,可以适当增大气体火花间隙开关的电极之间间隙距离来增强自击穿电压稳定性。     

激光触发下直流间隙气体放电机理研究

对激光触发下直流间隙的放电规律进行研究,并对实验中出现的特殊放电现象的机理进行分析研究。     

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。     

场畸变触发开关新型触发电极的设计与实验

气体触发开关是脉冲功率电路的重要组成器件。针对工程中对低抖动、长寿命气体触发开关的需求,结合三电极场畸变型触发开关,设计一种拥有较多孔隙的多环型触发极结构。对三种主电极-触发极分别为平板-多环、平板-圆盘、球冠-圆盘的开关进行击穿特性实验研究,结合电场仿真对比分析实验结果。实验结果表明:在22.4k V/40ns的触发脉冲和5.0~7.5k V的工作电压下,平板-多环结构的开关时延及抖动比较稳定,开关时延基本在81.0~84.5ns之间,抖动为0.8~1.1ns。平板-多环电极结构开关时延、抖动均明显优于平板-圆盘结构,其开关时延、抖动与球冠-圆盘结构基本相同但使用寿命优于球冠-圆盘结构。     

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。     

预电离开关触发间隙击穿时延特性

为了研究预电离开关触发间隙在是否叠加主间隙电场时的击穿时延特性,采用基于气体放电流体模型和有限容积法的二维程序对氮气中气压0.1～0.7MPa、电极间距0.5mm和1mm、间隙上脉冲电压上升速率与气压的比值d(u/p)/dt等于0.8 kV/(ns·MPa)和0.4 kV/(ns·MPa)、主间隙与触发间隙之间分压比不同时叠加主间隙径向电场下触发间隙的击穿过程进行模拟并对比实验数据。结果表明,由于d(u/p)/dt影响间隙中的平均归一化电场Eav/p的变化过程,d(Eav/p)/dt值确定时,气压、初始电子产生的时刻和电极间距等是影响间隙击穿时延的主要因素。叠加主间隙径向电场会增强触发间隙中的空间电场并加快电子崩的发展过程,但也会使电子沿径向漂移,导致击穿时延增长。为削弱叠加径向电场的影响,可以减小分压比、增大d(u/p)/dt和阳极直径。     

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。     

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。     

开关触头电寿命预测方法分析

总结了开关电器触头电寿命的预测方法,阐述了触头工作过程中改变触头状况的各种变量(如触头表面的粗糙度,触头的有效距离,触头的电阻,喷弧的波形,耐弧性,触头的电腐蚀,电压的波动范围等)。对每种方法的原理、优缺点、正确性和预测方法的趋势进行了分析和讨论。     

场击穿型真空触发开关的触发源性能研究

真空触发开关(triggered vacuum switch,TVS)是大功率脉冲技术领域的重要开关器件之一,它的导通依赖于其触发极的触发过程.场击穿型TVS的触发根源在于场致发射,所以对触发源提出了特殊要求.为此,笔者研究了正负两种应用于场击穿型TVS的触发源,并且对触发源极性的影响作了讨论.结果表明,设计的触发源应...     

激光触发开关触发延时及抖动特性

为了研究激光触发开关工作特性,实验中利用高压电容放电开关试验平台,对氮气气体开关在波长为1 064、532、266 nm脉冲激光触发作用下,不同欠压比、不同能量、不同焦距等情况下开关的延时和抖动特性进行了研究。实验结果表明:开关的延时、抖动随激光能量的增加、欠压比的增大而减小;激光聚焦情况下,激光能量触发阈值明显小于未聚焦情况;较长的激光焦距下,开关具有较小的延时和抖动;激光波长为266 nm时,开关触发工作特性要好于532 nm和1 064 nm激光;较小的激光通孔具有较好的开关工作特性;激光作用电极的材料为不锈钢时,开关的工作特性要好于黄铜电极。     

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。