触发管型气体开关的导通机制

为优化触发型3电极开关的性能,评估其击穿时延,分析了这种开关的导通机制。触发管型开关存在快导通(FBM)与慢导通(SBM)等2种导通机制。基于气体放电理论推导了触发管型气体开关的击穿时延模型,并分析了不同导通机制下的击穿过程。基于Raether击穿判据,计算了开关进入快导通机制的工作欠压比下限。实验得到,快、慢导通机制之间的欠压比阈值为0.7。开关内的等效电场可分解为静态畸变电场与动态畸变电场,结合时延模型能合理反映导通时延受工作条件与触发能量影响的动态过程。在快导通机制下,欠压比与静态电场增强系数起着主要影响;在慢导通机制下,除欠压比之外,触发脉冲能量的影响同样重要,此外还需考虑消游离对导通的影响。得到的结果可供提高触发管型气体开关的导通性能的设计与研究借鉴。     

触发型3电极开关导通时延分析与数值计算

为提供触发型3电极开关导通时延定量分析估算的辅助方法,基于电子崩发展和流注理论推导了导通时延的数值计算模型。模型中,用场强是否满足Raether击穿判据中形成流注的条件来解释不同导通机制下开关的击穿。为验证该导通时延模型,研制了1个3电极开关,测试了其导通性能,并讨论了不同工作参数对其导通时延的影响。典型实验结果为在高的欠压比条件下更容易使开关工作在直接导通模式下。此外,实验与仿真结果表明,时延曲线可由2个欠压比拐点划分为3个区域。第1个拐点是开关导通进入可靠击穿的欠压比下限值,第2个拐点则为开关导通机制转化的拐点值。研究结果表明,基于开关的工作可靠性考虑,开关工作欠压比的合理范围是0.5～0.7,可作为触发型气体开关设计的参考依据。     

纳秒快脉冲下气体开关的过电压击穿

纳秒快脉冲过电压击穿方式适合应用于长寿命高同步两电极气体开关.基于过电压击穿型气体开关的工作机制,建立了气体间隙在脉冲过电压击穿模式下击穿电压和时延的统计数学模型,该模型证明电极表面微观场强、间隙气压、初始电流大小、触发电压上升陡度等关键电气参数对间隙击穿分散性有重要影响.提出了纳秒快脉冲下气体开关过电压击穿参数的等效计算方法.实验证明,对于一般工况条件下的石墨电极气体开关,随着气压间距乘积值的增大和脉冲变化梯度超过一定门限值,纳秒快脉冲过电压击穿过程会逐渐由经典流注理论向快电子击穿修正理论过渡.快电子效应导致的电场增强系数在1.2～2.4之间变化.     

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。     

低抖动大气压空气电晕均压多间隙气体火花开关

为了发展结构简单、便于维护的大功率气体火花开关,研制了大气压空气电晕均压多间隙气体火花开关,该开关采用电晕放电均压方式,由9个相同的间隙构成。利用有限元分析方法对9间隙电晕均压气体火花开关的电场进行了分析,发现适合长度的电晕针对开关主间隙的电场影响很小,且加载触发脉冲时可在中间间隙形成了强烈的畸变电场。在理论分析的基础上,开展了开关击穿特性研究,实验结果表明电晕均压有利于提升开关的稳定性,开关自击穿电压分散性降低,自击穿电压略微增大;同时多间隙开关实现了良好的触发导通,在工作电压60～85 kV(工作欠压比56.8%～80%)范围内,开关的击穿延时抖动均小于20 ns,当工作电压达到80 kV以上时,抖动可小于10 ns。文中设计的大气压空气电晕均压多间隙气体火花开关可用于直线脉冲变压器等脉冲功率系统,使用的基于电场模拟对电极结构进行优化的方法对设计其他类型的开关具有借鉴意义。     

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。     

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。     

平面圆盘型激光触发真空开关触发机制研究

高压强流脉冲开关是脉冲功率技术的重要控制单元,触发真空开关(Triggered Vacuum Switch,TVS)具有通流容量大,介质恢复速度快、欠压比小等特点,但它存在导通时延长、抖动大、容易误触发等问题。设计了长间隙激光触发真空开关(Laser Triggered Vacuum Switch,LTVS),LTVS的导通机制涉及激光烧蚀,激光照射目标材料,参与导电的物质有原子、离子、自由电子和微粒。当LTVS间隙距离为12 mm、耐受电压为30 k V时,为保证LTVS可靠导通,使用激光能量为50 m J,激光波长为1 064 nm,距离阴极端面为0 mm时,LTVS的导通时延为1μs,抖动时延为50 ns,由于激光的能量稳定,保证了LTVS的抖动时延小。使用激光触发的方式,可以缩短导通时延,隔离电磁干扰,消除开关的误触发现象。     

激光触发多级开关触发延迟及其抖动的研究

实验研究了激光触发多级多通道开关触发延迟时间及其抖动与激光脉冲能量等实验光学参量之间的关系。建立了基于Boltzmann方程的激光触发间隙零维数值模拟模型,并与基于T H Martin经验公式的过压自击穿间隙击穿时延计算程序相结合,对实验现象进行了初步的理论解释。     

脉冲等离子体作用下SF6气体间隙的极限导通特性

为了探究脉冲等离子体作用下SF6气体间隙的极限触发特性,搭建了SF6气体开关间隙平台,设计实验研究了不同间隙距离、气压、触发能量下毛细管放电等离子体触发SF6气体间隙的最低工作系数和导通时延.实验结果表明,SF6气体开关最低工作系数随气体开关间隙增大而提高,随工作气压增高而提高,随触发能量的增大而降低,毛细管脉冲等离子体喷射触发技术能在5％的工作系数以下可靠触发导通工作气压为0.1～0.3 MPa,间隙距离不超过50 mm的SF6气体开关间隙,并给出了不同气压、间距条件下最低工作系数的经验公式.     

The breakdown mechanism of a mid-plane triggered spark gaptrigatron

A mid-plane triggered spark gap trigatron prototype with adjustable main gap distance and replaceable trigger electrode was constructed and experimentally investigated. The electric parameter measurements, the luminosity measurements and the streak image converter camera were used to study the breakdown mechanism. Electric field distribution in the gap was calculated for the trigatron static and dynamic conditions. The experimental results and analysis show that the space charge around the trigger electrode plays an important role in the breakdown process. Because of the ultra violet irradiation and the existing discharge channel of the first gap segment breakdown, the second gap segment breakdown is much faster. For a mid-plane triggered spark gap trigatron, the optimization of the electric field distribution under dynamic condition can increase the dynamic triggering range appreciably     

500kV串补系统中火花间隙系统研究

介绍了500 kV串补系统中广泛应用的火花间隙系统结构及导通原理。针对GTD强电磁干扰的工作条件重新设计其相关电路,阐述了其工作原理及特点;介绍了密封间隙的结构及导通原理,通过对密封间隙和整个火花间隙进行触发试验,结果表明,新设计的GTD装置能够可靠地将密封间隙强制击穿导通,进而使整个火花间隙系统导通。实际人工接地短路试验结果表明整个火花间隙能够可靠地强制导通。     

零电压延时脱扣器研究与优化设计

欠压脱扣器作为断路器中重要的元件之一,对欠压—分闸起着关键性作用。零电压（失压）延时脱扣器作为一种特殊形式的欠压脱扣器,在电源电压失压以后,依靠自身功能,按设定的延时时间延时后令电磁铁失电—脱扣。在分析了国家标准等问题后,提出了零电压脱扣器新方案。结合方案,就主电路、电压信号检测、单片机电路等主要问题展开了讨论。最后给出了实际效果。     

石墨电极空气间隙的自击穿统计特性分析

在惯性约束聚变能源系统这类采用多支路并联结构的同步供电装置中,气体开关的放电分散性也即随机性可能带来严重的工作可靠性和稳定性难题。石墨电极具有较好的耐烧蚀能力,但石墨电极气体开关的自击穿概率必须控制在极低的范围才能使其满足严酷的工况要求。通过模拟工况的直流静态耐压实验,分析比较了各种石墨型材空气间隙的自击穿特性,结果表明平均粒径较小的纯石墨材料制作的空气间隙具有更狭窄的自击穿电压统计分布。彼得森(Pedersen)准则可以解释此现象,同时从数学上证明了自击穿故障发生的概率服从威布尔(Weibull)分布。合理地设计工作场强对静态耐压平均值的占比(即欠压比),可以较好地将单个气体开关及整个并联供电系统的误导通概率控制在设定值之下。所得结论对石墨型气体开关在大型并联脉冲供电装置中的研制和使用具有参考意义。     

高压真空灭弧室的电场设计的新方法

高压真空灭弧室设计的关键是电场的设计。提出一种高压真空灭弧室电场设计的新方法。根据击穿弱点理论，确定有均压屏蔽罩的高压真空灭弧室结构，然后应用有限元法和最优化理论，推导出真空灭弧室的电场数学模型进行优化。通过求解灭弧室内部的静电场定解问题，优化其内部几何参数，使灭弧室内部电场较均匀，电场强度的峰值出现在“第二辅助间隙”中。优化的参数结构提高了灭弧室的耐压能力。     

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。     

Effects of hot SF/sub 6/ on post-arc circuit breaker design

SF/sub 6/ is blown through the arc during interruption of an SF/sub 6/ puffer circuit breaker. This hot gas flows down an exhaust tube into the chamber of a dead tank circuit breaker where it can lower the dielectric withstand between the exhaust tube and the tank of the circuit breaker, leading to dielectric breakdown during the transient recovery voltage after clearing. This paper presents experimental evidence that any such breakdown is controlled by the hot gas near the exhaust tube, with cold gas in the remainder of gap having little effect on the breakdown voltage. This experimental conclusion is supported by a detailed theory for conditions under which breakdown can occur.     

应用人工神经网络预测棒-板短空气间隙在淋雨条件下的交流放电电压

为了获得降雨条件下能预测空气间隙击穿电压的数学模型,根据在人工气候室试验得到的降雨条件下空气间隙击穿电压数据,运用神经网络原理,建立了降雨条件下的交流棒-板短空气间隙击穿电压的人工神经网络模型。利用该模型可以对一定降雨条件下的交流棒-板短空气间隙击穿电压进行预测,预测结果满足精度要求,同时,该文根据建立的人工神经网络模型模拟了降雨时单个及多个环境因素对空气间隙击穿电压的影响,并对模拟结果进行了分析,结果表明:大气压强一定时,随着降雨强度、雨水电导率的增加以及环境温度的降低,空气间隙的击穿电压随之降低;当降雨强度、雨水电导率和环境温度其中任一环境因素改变时,另两个因素对空气间隙击穿电压的影响程度也随之改变。人工神经网络模型对训练数据的依赖较大,对训练范围以外的数据预测精度较差。     

基于发电机功率变化量的失磁保护辅助加速判据

介绍了发电机失磁保护的4种主判据,针对阻抗Ⅱ段和低电压判据延时较长的不足,提出利用发电机功率变化量作为失磁保护辅助加速判据,并介绍了实际微机保护装置的动模试验情况。     

多间隙气体放电管研究及其应用

为了解决气体间隙放电在雷电防护应用中存在击穿电压高、工频续流大的问题,通过对汤森理论与帕森定律的分析,设计了一种多间隙气体放电管,并在帕森定律的基础上提出了单个间隙击穿电压乘以系数β(β1)为多间隙气体放电管的击穿电压。采用模拟雷电流对多间隙气体放电管做冲击试验,结合气体放电理论与试验结果分析得出:与相同材料及极间距的传统气体放电管相比,多间隙气体放电管的击穿电压为其1/5左右,响应时延可缩短至200ns左右,残压上升陡度最大可减小0.3k V/μs;多间隙气体放电管在一定的雷电流范围内能够减少甚至消除工频续流,具有一定的实用价值。