直流叠加脉冲电压下FLTD气体开关击穿特性

分析了直流叠加脉冲电压(定义为复合电压)下次级感应电压触发快脉冲直线变压器驱动源(FLTD)中气体开关击穿延时过程,给出了击穿延时的估算公式。初步实验研究了FLTD用三电极气体开关在复合电压作用下的击穿特性,结果表明:在±70kV直流充电电压叠加300kV/30ns快脉冲电压的复合电压作用下,气体开关的击穿延时小于相同工作系数下常规触发方式的击穿延时,采用SF6气体绝缘时,击穿延时较常规触发方式减小了17%~30%;采用N2绝缘时,减小了约50%,开关工作系数为55%时,击穿延时抖动小于5ns;理论估算的复合电压下击穿延时与实测结果基本吻合。     

轨道式多间隙气体开关设计与性能测试

针对直线脉冲变压器对低电感、低抖动气体开关的研制需要,采用垂直布放的平板轨道电极,组成具有通视结构的水平间隙,设计了一种多间隙轨道式气体开关。利用Meek击穿判据计算了单间隙自击穿电压,实测了4个单间隙的自击穿电压及其相对标准偏差,并根据单间隙自击穿电压,利用概率分析方法预测了多间隙开关自击穿电压,计算值与实测结果一致。研究表明:开关电感最大约109 nH,自击穿电压相对标准偏差为1.5%,在60 kV触发电压和48%~74%欠压比下,开关抖动0.9~2.6 ns。与圆环形电极的多间隙气体开关相比,多间隙轨道式气体开关自击穿电压更稳定,也更容易触发。     

气体开关抖动对单模块快脉冲直线型变压器驱动源输出特性的影响

分析了快脉冲直线型变压器驱动源(FLTD)气体开关触发击穿延时的分布规律,利用MAT-LAB软件生成随机序列模拟开关击穿延时和抖动,在FLTD简化二阶电路的基础上,利用MATLAB分析了开关抖动对40个支路并联1 MA,100 ns FLTD模块输出电流脉冲前沿和幅值的影响。模拟计算结果表明:开关理想时,即抖动为0,输出电流峰值为996 kA,峰值时间为90 ns,10%~90%脉冲前沿为54 ns;开关自身抖动与开关之间分散性之和为10 ns时,输出电流脉冲前沿增加约14%,电流峰值下降约2%;开关自身抖动与开关之间分散性之和为20 ns时,输出电流脉冲前沿增加约38%,电流峰值下降约5%。     

用于LTD模块的多间隙气体开关

针对800 kA,0.1 Hz重复频率LTD模块设计新的多间隙气体开关,要求在较高工作电压(高于80 kV)和较低工作系数(低于70%)下抖动优于2 ns。通过电场仿真分析,优化了气体开关电极形状。串联间隙从4个增加为6个,总间隙长度为36 mm,充电100 kV、触发100 kV时触发间隙场畸变系数为3.98。实验表明,新气体开关静态自击穿性能稳定,动态触发性能可靠。充电90 kV、工作系数60%时击穿延时40.1 ns,抖动1.3 ns。     

电晕均压多间隙串联气体开关特性实验

研制了一种电晕放电均压的小型多间隙串联气体开关,分析了电晕放电在开关工作过程中的作用,开展了开关自击穿特性、电晕放电伏安特性、针尖烧蚀以及开关寿命测试等特性实验。结果表明:老练后开关自击穿电压标准偏差小于3.5%,电晕均压效果明显;随着放电次数增加,电晕针尖逐渐钝化,触发性能变化不大;开关电晕放电电流随耐受电压升高增大,增长趋势逐渐变快;开关充400 kPa干燥空气,100 kV工作电压下开关放电50 000次以上,触发性能稳定,触发击穿时延抖动约4.3 ns,自放电概率低于110-4。     

多间隙气体开关紫外光预电离结构

 针对一种用于快前沿直线脉冲变压器驱动源的多间隙气体开关,设计了针式和孔式两种预电离触发结构,获得了两种预电离结构下开关的自击穿特性和触发特性。实验结果表明:增加预电离针后,开关静态特性没有明显变化,开关自击穿电压平均值变化幅度小于3%;开关触发特性明显改善,开关工作电压150 kV、触发电压60 kV时,触发抖动减小约20%,触发阈值降低5~10 kV。对于针式预电离结构,实验研究了不同触发电压、工作气压、电离间隙距离时紫外光强度的变化规律,结果表明在电离间隙距离1.5~3.0 mm时,开关触发抖动小于2.0 ns,预电离效果明显。     

多间隙气体开关光纤诊断

介绍了一套用于多间隙气体开关光学诊断的光纤探测系统,该系统主要由光纤阵列探测器和沉入式日盲型光纤探测器构成。用该系统研究了多间隙气体开关的详细击穿过程,并分析触发电压、气压及紫外光预电离对开关性能的影响。光纤阵列探测器定时精度小于0.6 ns,脉冲响应3.2 ns;日盲型光纤探测器光谱响应为260~320 nm,通过实验可知,气体开关击穿次序为:3#-2#-1#-4#-5#-6#,统计时延和过压击穿时延占主要部分;提高开关的触发电压、降低开关的工作气压,主要影响开关击穿过程的前半部分,从而降低开关的击穿抖动;如果能够产生强度稳定的紫外光,可以改善开关的抖动性能。     

快前沿直线脉冲变压器驱动源多间隙气体开关

进行了一种可用于快前沿直线脉冲变压器驱动源系统的多间隙气体开关的设计和实验,给出了开关的静态放电实验结果,获得了静态击穿电压平均值及标准偏差随气体压强的变化规律。开关充0.15 MPa干燥空气时,最高耐压可以达到200 kV。研究了开关在不同欠压比和不同触发脉冲幅值下的触发特性。开关工作电压150 kV、欠压比78.5%、触发电压70 kV时,开关的触发延迟时间34.4 ns,抖动1.6 ns。开关经过5 000余次放电,击穿点分布均匀,可以形成多通道放电。开关结构新颖,安装操作简便,装配精度大大提高,实用性强。     

小型场畸变气体开关的击穿抖动特性

基于高功率重复频率脉冲功率源的应用需求,研制了一种三电极场畸变结构气体火花间隙开关,并开展了重复频率条件下的触发特性研究。实验研究了场畸变火花间隙开关的触发特性随重复频率、气体成分、工作压强和工作系数的变化关系,计算了气体开关的触发击穿时延和抖动参数,分析了影响开关触发特性的主要因素。实验结果表明:气体开关触发击穿的抖动随着重复频率增加而增大;填充气体中SF₆和N₂体积比1∶1时,混合气体的综合性能较好;工作系数主要影响开关第二放电火花间隙(间隙2)的击穿抖动。     

多级多通道气体开关的实验研究

 介绍了多级多通道气体开关的实验研究工作。开关在电脉冲触发（触发脉冲幅值85 kV）条件下,工作电压在1.0～2.0 MV范围内能够正常工作。自击穿实验验证了Bradley经验公式对于这种开关的适用性,外触发实验研究得到了开关的触发特性。结果表明：开关击穿延时小于100 ns,抖动小于8 ns;3个开关击穿时刻之间的极差小于10 ns。     

多间隙气体开关的电场分布特性

为了寻求可用于快前沿直线型变压器驱动源最理想的多间隙气体开关结构,利用有限元分析软件模拟计算了几种不同电极结构气体开关内各间隙在开关触发前后的电场分布,并利用新型开关电路模型研究了气体开关触发导通前均压措施对开关内部各间隙电场分布均匀性的影响,以及触发后各中间电极对主电极杂散电容与气体开关内电场分布规律之间的关系。结果表明:圆形环状结构电极有利于形成稳定的多通道放电,降低开关的电感及抖动;在开关各个间隙之间并联相同阻值的电阻可以有效地改善开关直流耐压特性;在开关触发导通时,各间隙的电压分布主要与触发电压的上升时间、各个电阻及杂散电容值有关;触发电压的上升时间越短,杂散电容值对间隙电压分布的影响越明显。     

气体介质对多间隙气体开关电晕均压与自击穿特性的影响

快脉冲直线变压器型驱动源(FLTD)是近年来快速发展的新型脉冲功率源技术,多采用多间隙气体开关作为开关器件。电晕均压措施有利于提升开关击穿性能,但不同气体中电晕放电有显著区别。本文首先研究了空气中针电极对单间隙电晕放电特性的影响,确定了电晕针电极的尺寸,之后研究了N2,CO2,SF6/N2混合气体、C4F7N/N2混合气体中的电晕放电特性,研究了电晕均压6间隙气体开关击穿电压及其稳定性随气体种类和气压的变化规律。实验结果表明,N2中电晕电流较大且不稳定,空气中电晕电流比N2中低,且电晕放电较为稳定,微量强电负性气体加入会极大降低电晕放电电流。当采用空气和N2作绝缘介质时,气体开关击穿电压随气压升高线性增加,但存在低值击穿,微量强电负性气体混合N2可显著提升击穿电压的稳定性。1%SF6/99%N2混合气体在0.18 MPa时,击穿电压约为197.33 kV,标准偏差占击穿电压比例为1.50%,1%C4F7N/99%N2混合气体在0.15 MPa时,击穿电压约为190.42 kV,标准偏差为0.55%。这表明,微量环保替代气体C4F7N与N2的混合气体对于提升多间隙气体开关击穿电压稳定性有显著作用。     

开关放电分散性对FLTD模块输出的影响模拟

建立了包含开关放电分散性的电路模型,模型通过电压控制开关和自击穿开关模型的结合,可对开关抖动及支路间放电的相互影响进行模拟,利用研制的300kA单级直线型变压器驱动源(FLTD)模块进行了实验验证,模拟结果与实验相吻合。进而针对设计的20支路FLTD模块建立了电路模型,模拟分析了模块支路开关放电分散性对输出电流峰值和上升沿的影响,模拟结果表明,开关抖动小于5ns时对模块输出影响较小。     

几项新技术在“闪光二号”加速器上的应用

 为追踪国际上脉冲功率技术的发展方向,在“闪光二号”加速器上开展了水介质形成线并联技术、多级多通道气体开关技术和同步触发技术等研究。经过3维结构下电场分布的模拟计算和绝缘设计,采用3根6 Ω小水线并联组成了2 Ω水介质形成线,研制成功了作为主开关的3 MV多级多通道气体触发开关,并实现了3个多级多通道气体开关的并联运行;采用工作时延446 ns的同步触发系统实现了Marx发生器与主开关的延时同步运行。真空负压下的涡流循环冲刷消除水中气泡技术应用于水介质形成线上,有效消除了并联形成线汇聚结构处的气泡,提高了加速器运行的安全性。经过调试后,加速器重新获得了稳定的运行状态,几项新技术的应用获得成功。     

300 kA直线型变压器驱动源模块实验研究

介绍了14支路并联的300 kA百ns直线型变压器驱动源单级模块的结构和关键部件。模块通过采用双端引出电极电容器以及小型多间隙串联气体火花开关,可以并联更多的支路数,减小回路电感,提高储能密度;通过采用非晶磁芯,减小磁芯损耗,提高模块耦合效率。实验研究了初级气体开关工作系数对模块输出的影响,实验结果表明:模块开关电压工作系数达到0.7,多间隙串联开关才能较好同步放电;给出了快直线型变压器模块的初步调试实验结果,在模块充电90 kV,开关气压0.32 MPa情况下,匹配负载电流峰值可达到302 kA,上升时间约100 ns,负载上获得的峰值功率为23 GW。     

一种同轴低电感低抖动多级多通道气体开关

 研制了一种触发电极位于放电通道之外、间隙电极为环状不锈钢弹簧的同轴多级多通道气体开关。该开关通过分布电容耦合实现触发，利用多间隙串联减小抖动，利用弹簧不同匝之间电感隔离形成多通道放电。实验表明：该开关触发可靠、电感低（～20nH）、抖动小（～3ns）、触发特性稳定。