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。     

激光触发真空开关的微电流研究

从微电流的角度分析激光触发真空开关(laser triggered vacuum switch,LTVS)的触发特性。通过设计微电流测试电路,在开关两端施加一定的电压,施加电压值不能使开关导通,这样可以更好的分析开关导通前,开关内部初始等离子体的发展情况。通过实验发现,在双脉冲激光作用下,平面型LTVS的微电流随着施加电压的增加而增加,连续两次脉冲激光照射平面型LTVS的目标材料,产生更多的初始等离子体。结果表明,双脉冲激光的触发模式,有利于降低开关导通所需的触发能量,微电流的产生是ns级,使得开关可以高速稳定的导通,从而有利于开关整体装置的小型化与实用化设计。     

双间隙伪火花开关的触发及导通特性

伪火花开关是一种工作于巴申曲线左半支、引燃于空心阴极结构、主放电通道呈现弥散特征的低气压脉冲放电开关,具有导通电流大、重复频率高、工作范围宽、寿命长、抖动低和烧蚀小等优点,在重复频率脉冲功率中具有非常大的应用潜力。文中研制了一款双间隙多通道伪火花开关,采用陶瓷金属半密封结构,工作气体为氦气,触发单元为基于高介钛酸钡薄片的电荷注入式结构。研究了不同触发脉冲作用下触发单元的放电特征和工作模式,以及气压、阳极电压和脉冲参数对触发单元电荷注入特性、开关导通时延与抖动及阳极电压跌落速率等的影响规律。此外,根据电极烧蚀形貌分析了开关的多通道同步触发特性,根据放电波形讨论了实验中遇到的电流淬灭现象。实验结果表明:触发单元放电存在脉冲电晕和沿面闪络两种工作模式;高气压和大能量的触发脉冲有利于降低开关时延、抖动和阳极电压跌落时间;快前沿的触发脉冲有利于降低开关抖动;阳极电压对触发时延和抖动的影响不大;开关能够实现多通道的同步触发和导通,且在小电流条件下存在两种淬灭形式。     

沿面闪络触发真空开关初始等离子体特性实验

提出了一种RC阻容式电荷收集器,并对触发真空开关触发初始等离子体特征进行了实验研究。实验结果表明,在触发真空开关初始等离子体的起始阶段有一个尖峰脉冲,而且初始等离子体电流波形呈振荡衰减的过程。初始等离子体电流波形的第一个振荡峰的极性取决于触发脉冲的极性。触发初始等离子体的电子电荷略大于离子电荷;触发初始等离子体的电荷随触发电压、触发电流、触发电荷的增加呈线性增加;触发初始等离子体在TVS真空间隙中的扩散时间受触发电压、触发电流、触发电荷以及TVS真空间隙距离的影响,在触发电压小于8kV时,初始等离子体的扩散时间随触发电压的增加呈线性减小,而后基本稳定在66～69ns;初始等离子体的扩散时间随TVS真空间隙距离的增加而增加,当真空间隙距离从0.5mm增加至8mm,初始等离子体的扩散时间从50ns增大至70ns。     

多棒极型触发真空开关触发特性

主要研究多棒极型触发真空开关(TVS)的触发特性及其影响因素.研究表明,真空开关的触发时延主要由导通时延决定,增加触发电流的幅值和陡度(di/dt)可减小TVS的导通时延及其分散性.脉冲变压器直接触发TVS,可通过减小变压器漏感、提高触发电容的充电电压或增加触发电容电容量来降低导通时延及其分散性,但触发电容增加到一定值后对增加触发能量无帮助,没有必要继续增加.变压器直接触发方式可使导通时延减小至4ms左右,但分散性较大,且存在较小的触发回路电流导致的触发极熄弧现象.在脉冲变压器直接触发回路的基础上设计并研究了两种改进的触发回路:一种为脉冲变压器匹配续流回路,TVS导通时,通过续流回路的充电电容续流可使触发电流达kA级,导通时延减小至2～4μs,由于回路结构复杂,受到杂散参数影响,触发电流的幅值和陡度受到限制;一种为改进的触发回路,在触发极和阴极两端直接并接电容,导通时延可保持在1μs之内.最后研究并确定了并接电容选取依据和取值区间;对触发电压较小的TVS可在并接电容和触发极之间串联间隙,增大电容的充电电压和触发极能量,达到TVS可靠、精确触发的目的.     

长间隙触发真空开关的实验研究

报导了长间隙触发真空开关的实验研究结果 ,包括导通过程、触发可靠性、触发时延及工作稳定性。实验表明 ,采用高压小电流击穿与低压大电流续流的触发电路 ,可保证触发可靠性 ;长间隙触发真空开关有良好的工作稳定性 ,除得到更高工作电压的触发真空开关外 ,还可用于长间隙真空电弧特性的研究。     

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SF_6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SF_6间隙开关的触发寿命,搭建试验平台并进行试验研究。首先研究触发腔结构尺寸对SF_6间隙开关寿命的影响,结果表明增加第一级触发腔的沿面距离可以有效提高触发寿命,但不宜过长,否则会产生熄弧现象,故触发腔尺寸采用3.5mm(10)6mm;然后研究触发腔材料对触发寿命的影响,结果表明聚四氟乙烯的产气能力和抗烧蚀能力比较均衡,综合性能要优于添加二硫化钼或氮化硼的聚四氟乙烯,可以有效提高触发寿命达到583次;研究表明触发腔劣化是SF_6间隙开关触发寿命终止的根本原因,据此提出触发腔劣化过程的监测方法,根据触发过程中一级腔沿面闪络电压、二级腔导通时储能电容的剩余电压、二级腔导通时延、主间隙导通时延等特征参量随触发次数的变化可以监测触发腔的劣化过程,从而监测触发腔状态,提高可靠性。通过上述研究,SF_6间隙开关样机的触发寿命达到了583次,满足了工程需求,并具备触发腔状态监测功能,提高了可靠性。     

真空开关的触发失效与主电极烧蚀特性研究

通过对真空开关的导通与失效机理进行研究,将其分为触发机构和主电极两个部分。关于触发机构的失效机理,主要研究绝缘电阻、触发电流和主放电电流大小的变化对触发极烧蚀的影响;用真空电弧的机理分析主电极烧蚀,对导通过程中电弧的发展进行仿真,了解主电极烧蚀特性。通过对真空开关的触发失效和主电极烧蚀特性进行研究,更好地了解真空开关的导通机理。     

沿面击穿型触发真空开关的触发实验研究

为给触发真空开关(TVS)在脉冲功率系统多级放电中的应用提供参考和设计依据,通过空载和通流两种触发实验研究了一种沿面击穿型的TVS,对比分析触发间隙电阻和触发电压两个参数变化规律的实验结果表明,在通流实验次数不多时存在触发间隙电阻增大、触发电压减小的趋势,原因在于沿面击穿型TVS工作过程中主间隙电流的作用远大于触发电流的作用,而主间隙电流的作用取决于大电流电弧以及金属蒸气沉积的效果。     

真空触发开关导通瞬间电场强度的计算

提出了一种高压真空触发开关导通瞬间高频脉冲电流的测量方法,并构建了相应的测量系统,实验测得了开关导通瞬间的脉冲电流波形.依据电流波形,我们计算出了开关周围的电场强度,为进一步研究真空触发开关的导通原理及其应用提供了实验依据.     

沿面闪络真空开关触发特性的实验研究

触发真空开关(triggered vacuumswitch,TVS)是脉冲功率技术的核心器件,为满足对TVS放电时延及其分散性、工作电压范围、通流容量等的要求,设计了高介电系数的电介质材料制作的沿面闪络真空开关,研究了触发脉冲、主间隙两端的电压对TVS放电时延及其分散性的影响规律。实验研究表明:采用高介电常数电介质材料制作的沿面闪络真空开关,在自击穿电压为120 kV的条件下,TVS的最小工作电压为1.3 kV,工作电压范围为1.08%～99%;最大的放电时延400 ns,最小的放电时延为130 ns,最小的时延分散性为±10 ns;TVS的通过的电流峰值150 kA。该TVS不仅满足一般放电开关的性能要求,用于高电压、大电流脉冲功率技术中,而且可以用于对放电开关有特殊要求的Crowbar回路中。     

真空触发开关导通瞬间高频脉冲电压的测量

介绍了一种高压真空触发开关导通瞬间高频脉冲电压的测量方法,并构建了相应的测量系统。对测量过程中各种抗干扰措施进行了分析,试验测得了开关导通瞬间的脉冲电压波形,并获得了约400ns的开关闭合延时时间。     

平板电极型激光触发真空开关的导通特性研究

强激光触发方式的真空开关由于触发精度高、可靠性好、并能有效避免触发装置的电磁干扰,在快速关合开关、电磁发射、串联补偿电容保护等领域具有非常广阔的应用前景。设计了一种平板电极型激光触发真空开关。为了提高其触发寿命,针对触发电极进行优化。触发电极耐烧蚀,靶材选取TiH_2,其能为开关导通提供丰富的初始等离子体,开关的触发性能得到加强,开关的最短时延可达650 ns。详细讨论激光参数、聚焦镜位置、主电压值等对开关的触发阈值、最低工作电压和时延特性的影响,提出触发阈值理论和电弧形成机制,为此类开关的性能优化提供理论依据。实验表明:开关稳定的触发阈值达4.5×10~7W/cm~2,最低工作电压为30 V;采用正常聚焦模式能大幅度降低开关的时延;电弧电流的开始阶段存在强烈振荡过程,电流值大于5 A后,如果外加电压足够高,振荡现象消失,真空电弧稳定燃烧。     

高介碳酸钡陶瓷沿面闪络伪火花开关的研究

为了满足脉冲功率技术和脉冲电流试验技术对放电开关的要求,笔者设计了BaTiO3高介电常数的电介质沿面闪络伪火花开关的触发装置。通过对表面放电触发器的实验发现:在伪火花开关的工作气压范围内,高介沿面闪络触发器显示出很强的电荷发射能力和快速的电荷注入能力,在气压为7 Pa时,触发器能够在30 ns内释放1.5μC,触发电流的上升陡度为1.2×1011A/s,发射的电子数达到9.4×1012。对自放电电压为28 kV的伪火花开关,可靠工作的最低电压可降低到130 V,放电时延为35～100 ns,最小抖动为6～25 ns。     

场击穿式TVS时延特性的测量与分析

触发真空开关(TVS)是脉冲功率技术中的重要控制元件,为满足对TVS时延及可靠性等提出的更高要求,研究了场击穿式TVS时延特性。时延分为触发时延和导通时延两部分,时延及其分散性主要受主间隙电压、触发能量和主电极极性配置等因素的影响。实验研究表明,极性配置对TVS时延特性有很大的影响,主间隙电压为正,TVS可靠性高且存在一个稳定工作区域,在这个稳定工作区内,主间隙电压对其触发时延影响不大,且触发能量增大能改善TVS时延特性。     

Switching characteristics of a triggered vacuum gap employing a trigger electrode in the respective main electrodes

Both switching time and minimum firing voltage of a triggered vacuum gap employing a trigger electrode in the cathode and anode (double triggered vacuum gap) were measured. The double triggered vacuum gap was operated below 100 V independent of the high voltage main electrode polarity (positive or negative). This minimum firing voltage was lower than that of the conventional triggered vacuum gap. The switching time is approximately 0.5 μs in the range 3 to 18 kV. The conventional triggered vacuum gap has a trigger electrode that is placed at the center of the grounded main electrode. The polarity of the main electrode affected switching time characteristics. A trigger electrode was added to the high voltage main electrode. The double triggered vacuum gap was only slightly influenced by the polarity of the high voltage main electrode when both main electrodes were triggered at the same time.