±100 kV三电极场畸变气体火花开关

设计了一种用于直线变压器驱动源的三电极场畸变气体火花开关。开关采用SF6气体绝缘,开关尺寸和电感较小,实测开关电感约为67 nH。在工作电压80 kV、工作系数为70%时,开关触发时延为40.0 ns,抖动约2.8 ns。对比研究了钨铜合金和黄铜两种电极材料对开关静态和触发击穿特性的影响,研究结果表明：铜钨合金电极开关的自击穿电压分散性、触发时延及抖动、自放电概率和电极表面烧蚀均小于黄铜电极,更适宜作为三电极场畸变开关的电极材料。     

FLTD三电极场畸变气体开关寿命特性

针对设计的一种场畸变气体开关,研究中间电极材料分别为不锈钢和黄铜条件下的烧蚀特性,结合开关寿命期间静态与触发特性的变化规律,获得决定开关寿命的关键因素,为三电极场畸变气体开关的性能优化提供理论支撑。研究结果表明,采用不锈钢和黄铜作为中间电极的烧蚀区域以及表面粗糙度均随着放电次数增加而增大,黄铜电极烧蚀较为严重且表面有明显的烧蚀圆斑,不锈钢电极则具有更高的表面粗糙度,阴阳极表面烧蚀存在明显差异,随着放电次数的增加,击穿点向电极边缘区域集中,影响开关的沿面绝缘特性,是导致开关寿命终结的主要原因。     

LTD模块气体开关电极材料烧蚀性能实验

针对直线变压器驱动源(LTD)对开关的长寿命需求,基于前期研制的200kV低抖动多间隙气体开关电极几何参数以及开关通流水平,详细开展了不同电极材料(钼、黄铜、铜钨合金、高密度石墨、304和321不锈钢)的烧蚀性能实验。实验结果表明,在单次电荷转移量15.4mC,脉冲电流20kA条件下,体积烧蚀速率从大到小依次为:石墨、黄铜、铜钨合金、钼、不锈钢。电极烧蚀微观形貌分析表明,不锈钢是用于LTD开关相对较好的电极材料。根据不锈钢电极的体积烧蚀速率,可知理论上LTD开关的运行寿命可以超过1×106次,但前提是开关外壳需保持足够的绝缘强度。     

LTD模块气体开关电极材料烧蚀性能实验

针对直线变压器驱动源（LTD）对开关的长寿命需求,基于前期研制的200 kV低抖动多间隙气体开关电极几何参数以及开关通流水平,详细开展了不同电极材料（钼、黄铜、铜钨合金、高密度石墨、304和321不锈钢 ）的烧蚀性能实验。实验结果表明,在单次电荷转移量15.4 mC,脉冲电流20 kA条件下,体积烧蚀速率从大到小依次为：石墨、黄铜、铜钨合金、钼、不锈钢。电极烧蚀微观形貌分析表明,不锈钢是用于LTD开关相对较好的电极材料。根据不锈钢电极的体积烧蚀速率,可知理论上LTD开关的运行寿命可以超过1106次,但前提是开关外壳需保持足够的绝缘强度。     

气体火花开关电极烧蚀研究综述

气体火花开关是脉冲功率装置中最常用的关键器件。电极烧蚀作为脉冲功率开关中的难点问题,会引起开关自击穿电压降低、触发抖动增大及开关寿命降低,已成为制约气体开关发展和应用的一个瓶颈。本文回顾梳理了国内外学者针对电极烧蚀问题进行的一系列研究,从电极烧蚀理论和实验研究成果两个方面,介绍了电极烧蚀的基本机制及仿真模型,归纳了影响开关电极烧蚀的因素以及电极耐烧蚀材料的研究进展,最后讨论了电极烧蚀研究面临的问题以及优化电极材料抗烧蚀性能的方向。

     

高功率气体火花开关电极烧蚀机理

气体火花开关以其工作电压高、功率容量大、结构简单等优点，在脉冲功率技术中得到了广泛的应用。但这种开关工作在高功率重复频率状态时，由于电极的很快烧蚀，影响了开关性能，限制了其寿命。因此，抑制电极烧蚀、寻找耐烧蚀的电极材料是提高高功率重复频率气体开关工作寿命的关键，也是本文研究的内容。     

高功率气体火花开关电极烧蚀机理研究

从热力学的角度,对高功率气体火花开关的电极烧蚀过程进行了理论分析,建立了该烧蚀过程的简化数学模型并进行了数值求解;研究了电极烧蚀深度与密度、定压比热容、熔点、沸点、热导率、熔解热等电极材料特性参数的关系;比较了钨、铜、铝三种常用电极材料的耐烧蚀能力,结果表明钨的耐烧蚀能力最强,铜次之。     

高功率气体火花开关电极烧蚀机理研究

 从热力学的角度，对高功率气体火花开关的电极烧蚀过程进行了理论分析，建立了该烧蚀过程的简化数学模型并进行了数值求解；研究了电极烧蚀深度与密度、定压比热容、熔点、沸点、热导率、熔解热等电极材料特性参数的关系；比较了钨、铜、铝三种常用电极材料的耐烧蚀能力，结果表明钨的耐烧蚀能力最强，铜次之。     

气体火花开关电极烧蚀研究

采用Mo,WCu和W分别作为三种气体火花开关的主电极材料,进行放电条件下电极烧蚀实验,研究开关电极烧蚀率和烧蚀形貌,分析电极烧蚀特征。结果表明,Mo,WCu和W开关的主电极烧蚀率分别为3.3210-2 C-1m-2, 2.6310-2 C-1m-2和1.710-2 C-1m-2,W开关主电极烧蚀率最小。实验后开关的主电极中心烧蚀严重,呈现明显裂纹和烧蚀坑。Mo主电极表面呈现明显熔融态,阴极表面形成大量裂纹（宽度达10 m）和孔隙（孔径达10 m）;WCu和W主电极表面形成少量圆球状W突起（粒径达20 m及以上）。开关外壳内壁沉积了喷溅颗粒。WCu开关外壳沉积颗粒较大（粒径达10 m）,Mo开关外壳沉积颗粒居中（粒径为2 m）,W开关外壳沉积颗粒最小（近1 m）。因此可优先选用具有优异抗烧蚀性能的W作为气体火花开关电极材料。     

气体火花开关电极烧蚀研究

采用Mo,WCu和W分别作为三种气体火花开关的主电极材料,进行放电条件下电极烧蚀实验,研究开关电极烧蚀率和烧蚀形貌,分析电极烧蚀特征。结果表明,Mo,WCu和W开关的主电极烧蚀率分别为3.32×10-2 C-1·m-2,2.63×10-2 C-1·m-2和1.74×10-2 C-1·m-2,W开关主电极烧蚀率最小。实验后开关的主电极中心烧蚀严重,呈现明显裂纹和烧蚀坑。Mo主电极表面呈现明显熔融态,阴极表面形成大量裂纹(宽度达10μm)和孔隙(孔径达10μm);WCu和W主电极表面形成少量圆球状W突起(粒径达20μm及以上)。开关外壳内壁沉积了喷溅颗粒。WCu开关外壳沉积颗粒较大(粒径达10μm),Mo开关外壳沉积颗粒居中(粒径为2μm),W开关外壳沉积颗粒最小(近1μm)。因此可优先选用具有优异抗烧蚀性能的W作为气体火花开关电极材料。     

较高场畸变系数的大电流三电极气体开关

气体开关作为脉冲功率装置的关键部件,其自击穿概率以及触发放电延时抖动对整个脉冲功率系统具有至关重要的影响。降低开关工作系数有利于提高开关稳定性,但延时抖动会随之增大。针对用于磁驱动实验的10 MA级大电流装置应用需求,设计了一种具有较高场畸变系数、能在较低工作系数条件下稳定工作的三电极气体开关,并开展了该开关的性能研究。模拟与实验结果表明：在触发电压与充电电压相当的条件下,开关的场畸变系数接近4,开关工作系数高于60%时,开关具有较低的延时抖动,抖动均方根小于3 ns。结合该开关设计了一个两级Marx储能模块,充电电压±50 kV条件下短路放电,模块回路放电电流峰值达到150 kA、周期2μs。上千次放电实验后,开关电极表面未发生明显烧蚀,工作正常。工作系数68.5%时,共计4 000发实验中未出现自放电现象,自击穿概率低于2.5×10-4。上述结果表明该开关可满足300～400只开关同时工作的大电流装置需求。     

100kA微秒级气体火花开关电极材料熔蚀研究

 电极材料是影响气体火花开关性能和寿命的关键因素之一。基于热传导方程分析了电弧作用下电极表层的温度场分布，得出了电极材料以及电弧属性参数对温度场分布的影响，并对黄铜、不锈钢、钨铜合金和高密度石墨4种电极材料进行了电极熔蚀实验，其质量亏损率分别为：黄铜6.39mg/C，不锈钢6.38mg/C, WCu合金4.19mg/C，高密度石墨1.19mg/C，与理论计算基本一致。     

100kA微秒级气体火花开关电极材料熔蚀研究

电极材料是影响气体火花开关性能和寿命的关键因素之一。基于热传导方程分析了电弧作用下电极表层的温度场分布,得出了电极材料以及电弧属性参数对温度场分布的影响,并对黄铜、不锈钢、钨铜合金和高密度石墨4种电极材料进行了电极熔蚀实验,其质量亏损率分别为：黄铜6.39mg/C,不锈钢6.38mg/C, WCu合金4.19mg/C,高密度石墨1.19mg/C,与理论计算基本一致。     

触发电压对±100 kV多级多通道开关性能的影响

研制了一种用于快脉冲直线型脉冲变压器的±100 kV多级多通道火花开关,研究了触发电压极性、幅值对多级多通道火花开关触发性能的影响,分析了不同触发电压下开关各部分延时及抖动。研究结果表明：触发电压的极性对双极性多级多通道火花开关触发性能影响较小;开关的触发放电延时和抖动随着触发电压的增大而减小。进一步分析了多级多通道火花开关的触发击穿模式以及影响开关击穿延时和抖动的主要因素,提出了减小开关触发击穿延时及抖动的技术途径。     

触发电压对±100 kV多级多通道开关性能的影响

研制了一种用于快脉冲直线型脉冲变压器的±100 kV多级多通道火花开关,研究了触发电压极性、幅值对多级多通道火花开关触发性能的影响,分析了不同触发电压下开关各部分延时及抖动。研究结果表明:触发电压的极性对双极性多级多通道火花开关触发性能影响较小;开关的触发放电延时和抖动随着触发电压的增大而减小。进一步分析了多级多通道火花开关的触发击穿模式以及影响开关击穿延时和抖动的主要因素,提出了减小开关触发击穿延时及抖动的技术途径。     

触发电压对±100 kV多级多通道开关性能的影响

 研制了一种用于快脉冲直线型脉冲变压器的±100 kV多级多通道火花开关,研究了触发电压极性、幅值对多级多通道火花开关触发性能的影响,分析了不同触发电压下开关各部分延时及抖动。研究结果表明：触发电压的极性对双极性多级多通道火花开关触发性能影响较小;开关的触发放电延时和抖动随着触发电压的增大而减小。进一步分析了多级多通道火花开关的触发击穿模式以及影响开关击穿延时和抖动的主要因素,提出了减小开关触发击穿延时及抖动的技术途径。     

100kA微秒级气体火花开关电极喷射现象研究

主要研究了在100kA微秒级电流脉冲作用下气体火花开关电极物质喷射现象的成因及规律。共进行了4种电极材料的喷射特性实验,实验结果表明,在开关放电过程中,电极表面物质喷射速度方向与材料无关,基本与放电点表面垂直,存在明显的发散角(约为12°)。喷射产物的质量分布近似呈cos-nφ分布(n约为1 400)。     

100kA微秒级气体火花开关电极喷射现象研究

 主要研究了在100kA微秒级电流脉冲作用下气体火花开关电极物质喷射现象的成因及规律。共进行了4种电极材料的喷射特性实验，实验结果表明，在开关放电过程中，电极表面物质喷射速度方向与材料无关，基本与放电点表面垂直，存在明显的发散角(约为12°)。喷射产物的质量分布近似呈cos-nφ分布(n约为1 400)。     

高功率重复频率气体火花开关理论与实验

高功率重复频率开关技术是制约脉冲功率技术发展的关键技术之一，本文介绍了高功率重复频率气体火花开关的一些理论和实验研究情况。为了探寻提高开关重复频率和寿命的技术途径和方法，对制约开关重复频率和寿命的两个主要物理过程—绝缘恢复和电极烧蚀的机理进行了理论研究。这里设计了两种形式的三电极吹气式气体火花开关，并进行了高能、大电荷量重复频率实验研究。     

半导体放电管固体场畸变三电极开关

基于半导体放电管过电压自击穿原理,探索设计了一种固体场畸变三电极开关。该开关由两组半导体放电管阵列印刷电路组成,受到触发时,一组半导体放电管阵列首先击穿,另一组阵列继而过电压自击穿,开关导通。实验测试了特定幅值触发脉冲时的负载电压,初步验证了半导体放电管固体场畸变三电极开关设计的可行性。讨论了降低开关导通电感,提高通流能力、工作电压及运行频率的方法。