气体火花开关放电的数值模拟

基于Rompe-Weizel火花动态电阻公式,数值计算了电容器经火花开关放电时负载电阻上的输出电压。在相同电参数条件下,计算所得的峰值电压为54 kV,前沿为2.0 ns,与实验所得的55 kV和2.3 ns基本吻合。基于Braginskii火花动态电阻公式,在假定火花开关电导率恒定与电导率渐变的条件下,利用传输线放电电路数值计算了气体火花开关的非线性动态电阻。与已有实验测量结果(0.7～0.9 Ω)对比,发现电导率渐变模型(0.5～0.8 Ω)更适合用于反映火花开关的动态电阻变化过程。进而在此模型中引入了负载电阻项,通过计算负载端的透射电流,数值计算得单脉冲形成线对负载放电时的电压脉冲前沿为7～9 ns,而利用单线经高压氢气自击穿火花开关放电得到初步实验结果为8 ns。     

气体火花开关放电通道半径及电阻测量

搭建低电感实验回路平台,利用高速分幅相机拍摄火花开关放电通道发展过程,分析照片光强和放电通道半径的对应关系,根据图片光强测定不同时刻放电通道的半径,提出适合实验条件的放电通道半径计算公式。依据高压探头和Pearson线圈测量得到的放电通道电压和电流波形,计算放电通道的电阻,再利用测量的放电通道半径进而得到其电导率。放电通道半径随着放电通道的发展逐渐增大,有饱和的趋势,放电电流2 kA时电流峰值处放电通道半径约0.6 mm;随着放电电流峰值的增大,放电通道电阻下降速率增大,达到稳定值所需的时间减小,稳定值也随之减小,其电阻稳定值最小能达到0.08 。     

气体火花开关放电通道半径及电阻测量

搭建低电感实验回路平台,利用高速分幅相机拍摄火花开关放电通道发展过程,分析照片光强和放电通道半径的对应关系,根据图片光强测定不同时刻放电通道的半径,提出适合实验条件的放电通道半径计算公式。依据高压探头和Pearson线圈测量得到的放电通道电压和电流波形,计算放电通道的电阻,再利用测量的放电通道半径进而得到其电导率。放电通道半径随着放电通道的发展逐渐增大,有饱和的趋势,放电电流2 kA时电流峰值处放电通道半径约0.6 mm;随着放电电流峰值的增大,放电通道电阻下降速率增大,达到稳定值所需的时间减小,稳定值也随之减小,其电阻稳定值最小能达到0.08 。     

气体火花开关电阻特性

利用二极管输出电压约1 MV、脉宽约40 ns的重复频率Tesla型脉冲功率驱动源,对大间隙、高气压的重复频率氮气火花开关进行了实验研究。通过将开关等效为RLC电路,利用测量得到的形成线电压与锥形段电压来计算氮气火花开关电阻。电阻的变化情况是放电开始时刻比较大,随着放电通道的形成,电阻迅速变小,最终达到级的阻值。通过计算值与理论公式推算值比较,检验Barannik,Rompe-Weizel,Demenik,Toeple,Vlastos公式适用性,并尝试对Rompe-Weizel公式常数项进行了修正。     

气体火花开关电阻特性

利用二极管输出电压约1 MV、脉宽约40 ns的重复频率Tesla型脉冲功率驱动源,对大间隙、高气压的重复频率氮气火花开关进行了实验研究。通过将开关等效为RLC电路,利用测量得到的形成线电压与锥形段电压来计算氮气火花开关电阻。电阻的变化情况是放电开始时刻比较大,随着放电通道的形成,电阻迅速变小,最终达到级的阻值。通过计算值与理论公式推算值比较,检验Barannik,Rompe-Weizel,Demenik,Toeple,Vlastos公式适用性,并尝试对Rompe-Weizel公式常数项进行了修正。     

气体火花开关初始放电等离子体演化过程

气体火花开关的初始放电过程对研究其工作状态有着非常重要的影响,通过基于网格粒子法-直接蒙特卡罗法(PIC-DSMC)耦合算法模拟了气体火花开关从放电开始到等离子体通道初步形成的完整过程,得到了电子和离子的数密度时空分布变化,分析了间隙中电场分布随时间变化规律,完整清晰地揭示了气体火花开关从放电初始到等离子体通道初步形成的物理过程,并初步开展了气体火花开关击穿过程的光学诊断实验,为进一步深入研究气体火花开关的物理机理打下了基础。     

气体火花开关初始放电等离子体演化过程北大核心CSCD

气体火花开关的初始放电过程对研究其工作状态有着非常重要的影响,通过基于网格粒子法-直接蒙特卡罗法(PIC-DSMC)耦合算法模拟了气体火花开关从放电开始到等离子体通道初步形成的完整过程,得到了电子和离子的数密度时空分布变化,分析了间隙中电场分布随时间变化规律,完整清晰地揭示了气体火花开关从放电初始到等离子体通道初步形成的物理过程,并初步开展了气体火花开关击穿过程的光学诊断实验,为进一步深入研究气体火花开关的物理机理打下了基础。     

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。     

两电极气体火花开关触发系统

 两电极开关取消了触发电极,需要靠过压触发,要求触发电压的幅值高,上升前沿快。为了满足两电极大电流气体开关对触发电压的特殊要求,介绍了一种用Marx作触发器的触发系统。该系统由8级Marx发生器构成,由电源开关、隔离变压器、L-C充电电路、采样控制电路、光纤控制电路和触发电路组成。Marx发生器采用了低电感电容器和同轴结构布局,减小了电感,触发电压达到120 kV,上升沿小于30 ns。对触发系统建立了PSpice电路模拟,仿真波形与实测波形基本一致。将该触发装置用于200 kA大电流气体开关试验,试验结果表明该触发装置能稳定触发气体开关,操作安全可靠。     

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。     

高压火花隙开关中气体冷却的数值模拟

高温气体的冷却对火花隙开关的重复运行具有重要的影响。利用流体方程、热传导方程和理想气体状态方程构建的方程组,对火花隙开关中高温气体冷却的过程进行了数值模拟。分析了气体导热系数、粘性系数、对流及气体压强等要素对气体冷却速度的影响,得到了气体冷却的基本规律：火花隙开关内气体的冷却以传导为主;若不采用其他手段,气体在十几ms内冷却较困难;对流的作用经数十ms后才显著;气体的粘性系数对气体冷却的影响可以忽略。可以通过选用导热系数高的气体,优化电极结构或采用吹气方法提高气体冷却速度的办法。     

大库仑两电极气体开关静态特性

研制了大电流、大库仑两电极气体开关,并研究了其静态特性,给出了开关自击穿概率拟合公式。结果显示:自击穿电压与工作气压基本呈线性递增关系;随着气压的升高,自击穿电压的分散性逐渐增大。数值模拟和实验对比显示,开关自击穿电压的分散性基本满足两参数威布尔分布。该项研究成果能够为选择开关的工作电压及充气压力提供参考,以满足能源系统可靠性的要求。     

间隙长度对气体火花开关静态性能的影响

针对快放电直线脉冲变压器驱动源初级储能开关,调节开关气压,进行相同自击穿电压下不同间隙长度的开关自击穿实验。通过监测自击穿电压分布规律变化,研究开关间隙长度对开关自击穿特性的影响。结果表明,当开关间隙长度较大时,电极表面粗糙度较小,表明电极烧蚀程度较低。开关间隙长度为6 mm时,开关自击穿电压分散性达到最小,自击穿电压分布符合高斯函数,间隙长度大于6 mm时自击穿电压分布符合极限函数。适当增加开关间隙长度使自击穿电压分布失去对称性,有利于开关在低欠压比下获得更好的静态性能。针对电极结构,选择开关间隙长度为6~9 mm时能够获得最佳的静态性能。初步分析,引起开关自击穿电压分布发生改变的原因是电场强度的改变对阴极电子发射产生了影响。     

吹气对氮气火花隙开关重复频率运行性能的影响

 基于紧凑重复频率Tesla变压器实验平台,运用设计加工的紧凑型内部气流循环式火花隙开关,对吹气提高火花隙开关重复频率运行性能进行系统的实验研究,结果表明：重复频率小于50 Hz时,火花隙开关击穿电压不稳定度(RMS)小于5%,不需要吹气;在给定吹气速度下,火花隙开关重复频率运行存在临界重复频率;火花隙开关重复频率运行存在最佳吹气速度,且最佳吹气速度与重复频率之间满足线性关系,并可由实验确定;在优化吹气速度条件下,当气压处于0.7~1.5 MPa范围时,该火花隙开关击穿电压不稳定度(RMS)小于3%;在2.0 MPa的压强范围内,该吹气式火花隙开关可稳定工作至重复频率300 Hz,击穿电压400 kV。