FLTD系统放电开关自击穿性能优化

针对快前沿直线脉冲变压器驱动源(FLTD)系统中放电开关自击穿性能劣化的问题,模拟计算了带电线缆、FLTD模块结构对开关间隙电场分布的影响规律,研究分析开关自击穿性能下降的主要原因,开展了电晕针均压和电阻均压两种方式下开关自击穿性能对比实验,获得了不同电晕针长度、不同阻值开关自击穿电压的变化规律:两种均压方式下开关自击穿电压分别提高3.2%和4.3%。FLTD系统中放电开关有均压措施的情况下,系统自击穿电压提高8.9%,自放电概率降低60%,系统短路输出电流的稳定性明显提高,电流幅值提高8.1%,标准偏差减小30.8%。     

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。     

多间隙轨道式气体开关自击穿特性

介绍了一种多间隙轨道式气体开关的结构及其自击穿实验研究结果。通过对开关放电的理论分析,并结合实验数据,获得一个适合该开关自击穿工作特性的表达式。研究结果发现, 在高气压条件下,开关静态特性曲线与空气击穿的经验式曲线存在较大的差别,并且击穿电压随气压增加并不完全呈线性变化。经过对实验条件和数据的分析,认为在高气压、高电压条件下,电极表面形成的电晕可能是导致该开关静态特性曲线出现此现象的原因。由于开关的特殊结构,电极电晕不仅未起到均压的作用,反而减小了电极之间有效的绝缘距离,从而导致开关自击穿电压实验值与经验理论值的偏离。     

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。     

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。     

±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。     

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。     

针板型电晕稳定开关的电晕稳定性

设计了一款可用于触发和自触发的针板型电晕稳定开关,其中针电极直径为2 mm,主间隙距离为10 mm,触发间隙为5 mm。通过静电场的模拟得知其场强的不均匀系数大于7,并且通过大量实验数据得出:开关起晕电压和击穿电压分别为6.8 kV和19.3 kV,由此得知电晕稳定开关的电晕稳定因子为0.55,这说明开关具有较好的电晕稳定性。     

电极结构对触发管型开关击穿特性的影响

基于600kV触发管型SF6气体开关,设计了三种具有典型电场分布的电极结构,计算分析了各个场分布特点,在-600kV/400ns脉冲电压下对不同电极结构进行了击穿特性实验,分析了场分布对开关击穿特性的影响。实验结果表明:三种结构中平头形电极触发击穿模式与其欠压比相关,触发抖动较小;球头形电极自击穿电压抖动最小,能够稳定工作于长时间触发击穿模式;锥头形电极击穿模式较不稳定,可能与其两个间隙击穿特性较相近有关。     

多间隙气体开关电晕均压结构优化

电晕针均压的多间隙气体开关,其各间隙电晕电流一致性会直接影响开关的耐压稳定性。在工作气压0.1,0.2,0.3,0.4 MPa条件下,实验测量了六间隙气体开关在不同电压下的各间隙电晕电流。结果显示,针-板间隙电晕电流明显高于针-杆间隙电晕电流。对针-板间隙进行结构调整并进行三维静电场仿真。对调整结构后的针-板间隙进行电晕电流测试,测试数据的变化趋势与仿真结果相符。基于实验和仿真结果,优化了针-板间隙中电晕针的高度,充电25 kV时,开关各间隙电晕电流的相对标准偏差最大为8%。     

用于FLTD的陶瓷封装多间隙气体开关

为了提高多间隙气体开关壳体的寿命、绝缘可靠性和装配的一致性,基于堆栈式多间隙气体开关开展了陶瓷封装多间隙气体开关工艺及击穿特性的研究。对比分析了不同封接工艺对陶瓷金属界面场分布的影响,优选了合理的封接结构。研制了用于FLTD的陶瓷封装多间隙气体开关并对其自击穿特性和触发特性开展了测试,结果表明:开关充干燥空气气压0.3 MPa、耐压±100 kV、峰值电流约30 kA条件下,5 000次放电的触发平均时延36.4 ns,抖动2.8 ns。该结果展示了陶瓷封装气体开关在产品化和免维护方面的优势,在FLTD模块中具有广阔应用前景。     

多间隙气体开关绝缘子寿命

针对设计的一种堆栈式结构多间隙气体开关,分析了绝缘子污染对开关寿命的影响机理。对绝缘子表面电场分布进行了模拟计算,实验研究了绝缘子污染对开关自击穿电压的影响,得到了开关自击穿电压和绝缘子表面绝缘电阻的变化规律,开关在放电电流32 kA实验条件下工作13 000次后,自击穿电压平均值由171.5 kV降低至130.8 kV,绝缘子表面绝缘电阻由200 G下降至22.6 G,绝缘子已无法正常使用。同时提出了提高绝缘子抗污染能力、延长绝缘子寿命的措施和方法。     

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。     

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。     

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。