脉冲电压下的自击穿水介质开关击穿特性和电路参数实验研究

介绍了“强光一号”加速器中两种结构的自击穿水开关,建立了简化的开关电路模型,并通过估算和Pspice模拟确定了开关的电路参数,包括电极间杂散电容、火花通道电感和火花电阻。研究表明开关导通过程中的流注电容效应可以忽略,放电通道火花电感与电阻选取流注导通时刻的值,且在主放电电流传递过程中保持不变。根据实验结果,阐述了两种开关击穿的不同特点：对于局部电场增强型的球-板电极结构的主开关,可以采用J. C. Martin稍不均匀场水击穿经验公式估算临界场强;而棒-板电极结构的多针开关,适合用J. C. Martin针-板击穿模型的水击穿经验公式估算临界场强,且并联工作的9个多针开关可以同时形成独立的放电通道。     

金属微粒影响三电极气体火花开关击穿过程的仿真研究

气体火花开关在脉冲功率技术中得到了大量应用,但由于脉冲功率技术大电流高电压的特点,气体火花开关在使用过程中很容易对电极表面造成烧蚀,烧蚀产生的金属微粒会显著影响开关的稳定性和可靠性.本文首先针对大气压氮气环境下的三电极气体火花开关放电过程进行建模,对触发极边缘高场强区域的电离系数进行修正,使用场致电子发射电流模拟初始电子产生的过程,深入探究开关导通的物理机理,详细叙述开关击穿过程各阶段的放电形态.接着研究了金属微粒对于击穿过程的影响,研究表明金属微粒的存在增强了触发极附近的电场,加速了初始电子云的产生,同时金属微粒与触发极之间会率先击穿,并成为后续流注发展的源头.除此之外,金属微粒对于流注的传播具有阻碍作用,使放电通道产生分支.最后本文讨论了不同形状以及尺寸的金属微粒对于放电过程的影响,这些都为进一步研究三电极气体火花开关放电过程以及金属微粒诱发开关击穿的物理机理提供了理论支撑.     

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.     

强光一号水开关击穿性能

采用光学诊断和电磁测量相结合的方法对"强光一号"不同结构的水开关的放电特性进行研究,其中包括环-板结构、球-板结构及局部场增强球-板结构。通过理论模拟开关电场分布及"强光一号"加速器水开关击穿电压的实际测量可以分析不同结构的开关工作稳定性,结果表明:环-板结构的水开关具有最稳定的击穿特性,15发放电的时间抖动只有30 ns;局部场增强球-板结构水开关抖动60 ns;球-板结构水开关稳定性最差,抖动达到140 ns。利用纳秒时间分辨可见光分幅相机和光纤传感器对环-板型及局部场增强球-板结构水介质开关进行光学测量,得到了电流通道发展图像以及整个放电过程的光强变化信号。实验结果表明:环-板型水介质开关开始击穿时的平均场强约为190 kV/cm,同时存在多个放电通道,流注呈树枝状分布,其发展速度为几十cm/s。     

强光一号水开关击穿性能

采用光学诊断和电磁测量相结合的方法对“强光一号”不同结构的水开关的放电性进行研究,其中包括环-板结、球-板结构及局部增强球-板结构。通过理论模拟开关电场分布及“强光一号”加速器水开关击穿电压的实际测量可以分析不同结构的开关得工作稳定性,结果表明：环-板结构的水开关具有最稳定的击穿特性,15发放电的时间抖动只有30 ns;局部场增强球-板结构水开关抖动60 ns;球-板结构水开关稳定性最差,抖动达到140 ns。利 用纳秒时间分辨可见分幅相机和光纤传感器对环-板型及局部场增强球-板结构水介质开关进行光学测量,得到了电流通道发展图像以及整个放电过程的光强变化信号。实验结果表明：环-板型水介质开关开始击穿时的平均场强约为190 kV/cm,同时存在多个放电通道,流注呈树枝状分布,其发展速度为几十cm/s。     

PTS装置脉冲输出开关

出于开关性能参数和结构要求考虑,PTS装置脉冲输出开关设计为3对自击穿电极间隙的水介质开关,间隙结构采用板-球间隙的同轴-三平板结构。选择水介质自击穿开关作为研究对象,进行了1.5 MV同轴结构开关研究,并在此基础上开展了4 MV同轴-三平板结构开关研究。开关实验达到的技术指标为：自击穿电压3.5 MV,导通电流500 kA,电感65 nH,自击穿时间分散性极差4.0 ns（1.3 ns均方根值）。     

同轴-三平板型水介质自击穿开关设计

在1 MV水介质自击穿开关降压实验的基础上,设计了用于脉冲功率装置的水介质输出开关,设计的最高运行电压为4 MV,放电电流600 kA。4 MW水介质自击穿开关为同轴-三平板结构,由输入输出电极、预脉冲屏蔽板和连接部件组成。在结构设计中拟使用电流线圈测量每个通道的放电电流,用开关前后传输线上靠近开关端的D-dot测量开关的输入输出电压。对开关间隙进行了2维和3维静电场分析,结果发现二者差别较大,3维静电场分析应该更接近实际电场分布。     

百kV/cm场强下SF6气体开关纳秒脉冲击穿场强和时延经验公式

百kV/cm高场强纳秒脉冲条件下,采用J. C. Martin经验公式估算SF₆气体击穿场强时,估算值与实验结果差异显著。为了进一步指导高场强脉冲气体开关设计,为开关工作状态调节提供依据,借鉴经典击穿场强经验公式形式建立了百kV/cm场强下SF₆气体开关纳秒脉冲击穿场强和时延与实验参数之间的关系,基于实验数据拟合形成了修正系数的击穿场强和时延经验公式。研究表明,百kV/cm场强和纳秒脉冲条件下脉冲电压斜率对开关击穿特性有重要影响,击穿场强与击穿时延相互关联。百ns至μs脉冲与几十ns脉冲气体放电机理的区别引起放电过程中击穿时延组成发生变化,导致了经典击穿场强经验公式估算值与实验结果的显著差异。修正系数的击穿经验公式可为电磁脉冲模拟器输出开关提供更为精确的工程设计依据。     

纳秒脉冲电压下同轴场畸变开关多通道放电特性

使气体开关形成多通道放电是减小开关电感、通道电阻、电极熔蚀,提高开关寿命和稳定性的有效措施。设计了一种同轴场畸变气体火花开关,研究了开关在纳秒脉冲电压下的多通道放电现象。研究了脉冲电压上升速率与多通道放电特性的关系,比较了两种体积比的SF6/Ar混合气体多通道放电特性。实验结果表明:一定气压下,平均通道数随着脉冲电压上升率增加而增多,电流分布趋向均匀;相同脉冲峰值与气压比值,不同气压下,高气压下的通道数较多;SF6/Ar混合气体中,氩气含量较高情况下多通道放电特性较好。最后,结合J.C.Martin的多通道放电理论对实验结果作出了初步解释。     

同轴-三平板型水介质自击穿开关设计

 在1 MV水介质自击穿开关降压实验的基础上，设计了用于脉冲功率装置的水介质输出开关，设计的最高运行电压为4 MV，放电电流600 kA。4 MW水介质自击穿开关为同轴-三平板结构，由输入输出电极、预脉冲屏蔽板和连接部件组成。在结构设计中拟使用电流线圈测量每个通道的放电电流，用开关前后传输线上靠近开关端的D-dot测量开关的输入输出电压。对开关间隙进行了2维和3维静电场分析，结果发现二者差别较大，3维静电场分析应该更接近实际电场分布。     

高功率Z-pinch装置5 MV主开关及开关区设计

基于激光等离子体和过电压波击穿原理研制了应用于高功率“Z-pinch”装置的22级5 MV激光触发多级多通道开关,采用钳位环技术解决了狭小空间的匀场问题,过压自击穿间隙场分布不均匀度约为0.080,激光触发间隙场分布不均匀度约为0.056,由绝缘部件沿面电场强度决定的系统安全系数约为0.8。根据J.C.Martin公式和静电场分析计算结果,解决了高功率“Z-pinch”装置主开关及开关区的工程设计问题。     

高功率Z-pinch装置5 MV主开关及开关区设计

 基于激光等离子体和过电压波击穿原理研制了应用于高功率“Z-pinch”装置的22级5 MV激光触发多级多通道开关,采用钳位环技术解决了狭小空间的匀场问题,过压自击穿间隙场分布不均匀度约为0.080,激光触发间隙场分布不均匀度约为0.056,由绝缘部件沿面电场强度决定的系统安全系数约为0.8。根据J.C.Martin公式和静电场分析计算结果,解决了高功率“Z-pinch”装置主开关及开关区的工程设计问题。     

感应电压叠加器中水介质开关脉冲自击穿特性

设计了应用于感应电压叠加器中的水介质主开关与峰化开关,主开关的电极结构为“平板 环型”,峰化开关的电极结构为“环型”。研究了开关在300 ns脉冲电压下的自击穿特性,给出了不同工作电压下开关的间隙距离。实验结果表明,主开关与峰化开关的结构合理、击穿特性稳定、相互配合良好,峰化开关可以有效地峰化主脉冲,降低预脉冲的幅值。主开关的实验结果同时验证了Martin经验公式的适用性。     

感应电压叠加器中水介质开关脉冲自击穿特性

 设计了应用于感应电压叠加器中的水介质主开关与峰化开关,主开关的电极结构为“平板 环型”,峰化开关的电极结构为“环型”。研究了开关在300 ns脉冲电压下的自击穿特性,给出了不同工作电压下开关的间隙距离。实验结果表明,主开关与峰化开关的结构合理、击穿特性稳定、相互配合良好,峰化开关可以有效地峰化主脉冲,降低预脉冲的幅值。主开关的实验结果同时验证了Martin经验公式的适用性。     

稍不均匀电场中低气压击穿的起始路径研究

稍不均匀电场间隙的起始击穿路径问题对于气体放电触发以及电极表面削蚀有重要意义.为研究低气压击穿工况中起始路径的位置规律,本文建立了一种基于蒙特卡罗碰撞模型与电子运动轨迹假设相结合的路径判断模型(determination of the critical path模型, DCP模型),并以2种电极装置的击穿试验来验证DCP模型的正确性.通过负电极表面的痕迹捕捉和击穿电压的测量可以分别验证DCP模型对起始击穿路径和击穿电压的计算能力.根据试验结果,起始击穿路径在不同压强或流率下会发生转移,且转移趋势与计算结果相符;同时, DCP模型对击穿电压的计算误差不超过7.9%,可初步验证DCP模型的计算精度.在此基础上,利用DCP模型对其他4种典型的电极装置进行数值计算,发现全部击穿案例都存在一些共性:随着间隙压强或流率的升高,最小电压区域((pd) min过渡区)的起始路径转移频繁,并伴随击穿电压上下波动,近似持平,且起始路径几乎都服从较长路径向较短路径的转移规律.最后,通过DCP模型的数值分析,揭示了上述起始路径相关规律的内在机理.