低抖动三电极火花开关的研制

对影响三电极火花开关分散性的诸因素进行了分析。研制的低抖动三电极火花开关选用了Ｎ２气体,主电极形状为球冠形,触发电极形状为棱形,电极材料为黄铜,对结构进行了优化。并测试了不同气压及电压条件下开关的分散性,获得了开关抖动小于２ｎｓ的结果。     

±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。     

火花通道长度对激光触发开关特性的影响

利用超高速相机,在曝光时间100 ns时,对不同能量下激光在氮气气体开关中形成的火花通道进行拍照,得到了不同焦距下激光波长266 nm时激光火花通道长度与激光能量的关系。开展了激光触发气体火花开关的实验研究,激光触发开关延时、抖动随激光能量的增加而减小。将火花通道长度与激光触发开关的特性进行了分析,气体开关的抖动随着激光火花通道长度的增加而减小,当火花通道沿电极间轴向长度达到开关电极间距40%时,开关的抖动为亚ns量级。     

高功率重复频率三电极气体开关自击穿特性

 以“CHP01”加速器为实验平台，对自行研制的重复频率三电极气体开关的自击穿特性开展了实验研究。研究了开关自击穿特性与气压、气流流速、电极形状等因素的关系，并对实验结果进行了分析。结果表明：随着气压的升高，开关自击穿电压分散性变大；适当流速的气流有助于减小开关的自击穿分散性，但气流流速过大将加大自击穿分散性；当通过改变电极形状增大极间场增强因子时，开关电极间场增强因子变大，开关分散性减小，但平均自击穿电压有所降低。     

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。     

辉光放电触发赝火花开关实验研究

设计了一种辉光放电触发赝火花开关,进行了He气介质下的放电实验研究。测得了耐受电压和气压关系,结果表明:随着气压的升高,开关耐受电压减小;开关电极孔径为3mm、电极间距为4mm时的耐受电压约是电极孔径和电极间距均为3mm时的85%。在电极孔径和电极间距均为3mm时,研究了辉光放电电流、气压、触发电压等参数对开关时延、抖动的影响。结果显示:当辉光放电电流大于0.45mA、气压为7～30Pa、触发电压达到一定值,开关就能比较稳定地触发,时延短、抖动小。在辉光放电触发下,实现了开关耐受30.5kV、时延223.2ns的输出,并实现了开关抖动小于1ns的稳定输出。     

三电极气体火花开关导通电流及其电磁辐射特性

针对三电极气体火花开关工作时产生的强电磁辐射,首先对开关的导通电流及其电磁辐射进行了理论分析,利用CST电磁仿真软件对气体火花开关开展了静电场仿真研究,分析了开关短程导通时的击穿场强;其次对三电极气体火花开关的导通电流和远场辐射场强进行了实验测量,对实验结果进行分析和总结;最后采用电磁屏蔽方法对开关的强电磁辐射进行了有效抑制。研究结果可以为有关脉冲功率装置的电磁辐射及防护提供参考和借鉴。     

SF6-N2混合气激光触发延迟抖动特性研究

 研究了SF₆-N₂混合气在四倍频Nd:YAG激光脉冲作用下的触发特性。实验结果表明：充SF₆-N₂混合气的火花隙的触发延迟和抖动、最低可触发阈值随充气压力及混合气中SF₆含量上升而上升，随激光波长减小而减小，火花隙的触发延迟和抖动随焦距的减小而减小。由于SF₆-N₂混合气的介电强度、触发延迟和抖动与混合气中SF₆含量之间均存在非线性关系，作为开关工作介质，SF₆-N₂混合气的综合性能较好的SF₆含量范围是5%～45%。     

±100 kV气体轨道开关击穿特性

 研制了一种用于快Marx发生器的三电极场畸变结构的气体轨道开关,针对3种不同的绝缘介质N₂、干燥空气和SF₆/Ar混合气体开展了轨道开关的自击穿特性和触发特性研究。结果表明:轨道开关的自击穿电压与气压基本呈现线性关系,并且在相同实验条件下,相对于N₂和干燥空气,当绝缘介质为SF₆/Ar混合气体时,轨道开关具有工作电压范围宽、工作系数低、触发击穿延时短、抖动小的优点。采用数码相机拍摄了开关导通过程中形成的放电通道积分图像,初步研究了绝缘介质、电流大小等因素对开关形成多通道的影响。结果表明:提高触发电压、充电电压和放电电流及采用SF₆/Ar混合气体均能够有效增加放电通道数目。     

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。     

200kV/100kA低抖动环轨式多通道场畸变开关

 研制了一种200kV/100kA环轨式场畸变开关。对该开关以Ar，N₂，SF₆及SF₆/N₂，SF₆/Ar 混合气为工作介质的耐压及触发性能研究结果表明：该开关耐压最大偏差小于自击穿电击的4%；欠压比大于等于自击穿电击80%时，抖动极差小于2ns，标准方差抖动小于等于1ns；实现了多通道导通，通道数大于等于3；开关工作范围极大，在欠压比大于等于自击穿电击20%时抖动极差小于2.85ns。     

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。     

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%。     

触发管型气体火花开关触发电极结构研究

 通过对触发管型气体火花开关触发机理和电极结构的分析，提出了圆盘型、齿轮型及多针型等新的触发电极。实验表明，这三种触发电极除多针型外都具有稳定工作性能，触发范围与常规针状电极结构相当，在纳秒前沿的触发脉冲作用下抖动可低于10 ns。其中，采用齿轮状触发电极结构，在幅值22 kV（约为主间隙静态击穿电压的20％）、前沿10 ns的触发脉冲下，触发最小时延为77 ns，抖动为2.5 ns。     

预电离触发管气体开关特性

利用脉冲火花预电离方式,设计了一种脉冲火花预电离触发的触发管气体开关。开关工作电压等级为100 kV,工作介质采用干燥空气,开关主间隙10 mm,电极材料采用304不锈钢,触发结构设计成盘环嵌套结构。实验结果表明:预电离能够显著减小低工作系数下触发管气体开关的触发时延和抖动。对于ns级快脉冲触发,预电离时刻越早,开关击穿时延和抖动越低。在30 kV/8 ns触发脉冲作用下,脉冲预电离触发的触发管开关在80%工作系数时,平均时延约为40 ns,抖动小于1 ns。     

平面火花隙三电极开关研制及性能测试

 研制了一种适用于平行板传输连接的平面火花隙三电极开关，开关正负电极为半圆形状，触发电极为细条状。将之替代立体式（半球形电极）火花隙三电极开关并应用于爆炸箔起爆装置中，装置回路参数将得以优化。实验测试了空气间隙为4.12， 3.14和2.2 mm的平面火花隙三电极开关的性能。结果表明，在开关间隙间距一定的情况下，随着电压的升高，开关间隙的放电时延和分散时间呈指数降低，开关电感小于15 nH；对于不同范围内的应用电压，使用不同间隙间距的开关，其分散时间不大于10 ns。该开关应用于较低充电电压（小于10 kV）的脉冲功率装置中，与立体式火花隙三电极开关相比，回路电感降低了约50 nH，放电周期缩短近1/3，峰值电流增加约1/3。     

激光触发多级多通道开关触发延迟及其抖动特性

 研究了激光触发多级多通道开关的触发延迟时间及其抖动与激光脉冲能量等实验参量的依赖关系，建立了零维数值模拟模型对实验现象进行了理论解释。实验结果表明：触发延迟时间及其抖动随激光脉冲能量、工作电压、气压上升呈下降趋势；随SF₆-N₂混合气中SF₆体积百分含量上升呈上升趋势。欠压比大于等于90%时200kV原理型激光触发多级多通道开关触发延迟时间抖动小于1ns。     

氮气火花开关击穿机制的理论和数值研究

三电极气体火花开关带有触发极,相比两电极开关,其开关导通的可控性较高,工作电压较低且抖动小,所以气体火花开关中三电极开关的应用较为广泛.本文针对大气压氮气环境下的两电极开关和三电极开关的击穿机制进行了理论与数值模拟研究.通过理论和数值计算发现,对于平板-平板的两电极开关来说,低电压下(小于6.3 kV)无法产生流注击穿,高电压下(大于6.3 kV)会先形成由阴极到阳极的负流注,然后再形成由阳极向阴极的正流注.而在三电极开关的击穿过程中,首先会在触发极和绝缘体之间发生击穿,然后这个通道不断向阴阳极扩展,最终形成阴阳极之间的电弧通道.在本文的计算工况下,如果需要阴极-触发极、阳极-触发极同时击穿的话,其阴极-触发极之间的外加电压需要大于1.18 kV,而阳极-触发极之间的外加电压需要大于3 kV.当考虑触发极的场致发射后,该击穿阈值可以显著降低.     

Tesla型脉冲功率源主开关绝缘恢复特性

 以Tesla变压器作为脉冲功率源,采用双脉冲法,对4 mm间隙、4 MPa压强的氮气开关绝缘恢复特性进行了实验研究。实验开关电极材料为紫铜,形状为环形。结果表明:在开关放电结束后约0.3 ms内,开关几乎处于导通状态,属于火花通道去电离阶段;而后其绝缘恢复系数以指数曲线上升,直至约3 ms后完全恢复,属于气体温度恢复阶段。Tesla变压器使得高压氮气火花开关的绝缘恢复曲线分段特征更为明显,由于火花通道去电离前其电阻对变压器次级电容呈并联关系,对变压器次级充电有旁路作用。     

平面火花隙三电极开关研制及性能测试

研制了一种适用于平行板传输连接的平面火花隙三电极开关，开关正负电极为半圆形状，触发电极为细条状。将之替代立体式（半球形电极）火花隙三电极开关并应用于爆炸箔起爆装置中，装置回路参数将得以优化。实验测试了空气间隙为4.12， 3.14和2.2 mm的平面火花隙三电极开关的性能。结果表明，在开关间隙间距一定的情况下，随着电压的升高，开关间隙的放电时延和分散时间呈指数降低，开关电感小于15 nH；对于不同范围内的应用电压，使用不同间隙间距的开关，其分散时间不大于10 ns。该开关应用于较低充电电压（小于10 kV）的脉冲功率装置中，与立体式火花隙三电极开关相比，回路电感降低了约50 nH，放电周期缩短近1/3，峰值电流增加约1/3。