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%。     

水介质自击穿开关放电参数测试

在“闪光-Ⅱ”装置上进行了1 MV同轴型水介质多针自击穿开关实验研究。开关击穿电压1～1.5 MV,开关总电流200～550 kA,电脉冲的脉宽约150 ns,上升前沿约60 ns。每个开关间隙的放电电流和输入输出电压分别用Rogowski线圈和CuSO4水电阻分压器测试。介绍了分压器的设计和标定,分析了产生误差的原因。针对类似测试,提出几点完善措施：测试电流线圈要密封隔水;水电阻分压器的第1级分压的分压比不能过大;调节CuSO4溶液的浓度,使水电阻的阻值满足频率响应的要求;注意分压器的放置方式;分压器和电流线圈的输出电压设计要适中。     

水介质自击穿开关放电参数测试

 在“闪光-Ⅱ”装置上进行了1 MV同轴型水介质多针自击穿开关实验研究。开关击穿电压1～1.5 MV,开关总电流200～550 kA,电脉冲的脉宽约150 ns,上升前沿约60 ns。每个开关间隙的放电电流和输入输出电压分别用Rogowski线圈和CuSO4水电阻分压器测试。介绍了分压器的设计和标定,分析了产生误差的原因。针对类似测试,提出几点完善措施：测试电流线圈要密封隔水;水电阻分压器的第1级分压的分压比不能过大;调节CuSO4溶液的浓度,使水电阻的阻值满足频率响应的要求;注意分压器的放置方式;分压器和电流线圈的输出电压设计要适中。     

纳秒脉冲电压下气体开关的击穿特性

采用快速Marx发生器产生ns量级的高电压脉冲,分别开展了不同脉冲电压值下气体开关自击穿实验,获得了气体开关在不同气压下的击穿电压和击穿延迟时间以及抖动。详细介绍了纳秒脉冲电压作用下,气体火花开关击穿电压和击穿延迟时间随工作气压变化的特点,指出了气体开关在不同场合应用时的要求。     

纳秒脉冲电压下气体开关的击穿特性

 采用快速Marx发生器产生ns量级的高电压脉冲,分别开展了不同脉冲电压值下气体开关自击穿实验,获得了气体开关在不同气压下的击穿电压和击穿延迟时间以及抖动。详细介绍了纳秒脉冲电压作用下,气体火花开关击穿电压和击穿延迟时间随工作气压变化的特点,指出了气体开关在不同场合应用时的要求。     

气体开关自击穿概率的分析方法比较

利用实测的多间隙气体开关自击穿电压,比较了高斯正态函数和威布尔函数在分析气体开关自击穿概率方面的异同。检验了自击穿电压的正态性和威布尔性,通过参数估计分别确定了自击穿电压的正态分布和威布尔分布函数。计算表明：两种概率分布得出的概率分析结果基本一致,在相同电压下放电概率差别一般不大于1%,最大为2%（当放电概率大于90%时）;在电压高于威布尔分布的阈值参数时,两种方法在相同概率下的放电电压计算结果差别不超过0.3%。     

气体开关自击穿概率的分析方法比较

利用实测的多间隙气体开关自击穿电压,比较了高斯正态函数和威布尔函数在分析气体开关自击穿概率方面的异同。检验了自击穿电压的正态性和威布尔性,通过参数估计分别确定了自击穿电压的正态分布和威布尔分布函数。计算表明:两种概率分布得出的概率分析结果基本一致,在相同电压下放电概率差别一般不大于1%,最大为2%（当放电概率大于90%时）;在电压高于威布尔分布的阈值参数时,两种方法在相同概率下的放电电压计算结果差别不超过0.3%。     

辅助放电针对气体间隙直流自击穿特性的影响

为降低气体放电间隙直流条件下自击穿电压分散性,尽可能不影响其自击穿电压,基于环形电极放电间隙,设计了一种在阴极中心植入辅助放电针的辅助放电电极结构。通过电场仿真,研究了辅助放电针直径、长度和顶部倒角对放电间隙场畸变的影响。实验研究了放电间隙无辅助放电针和植入辅助放电针后,其在干燥空气和SF₆气体中的直流自击穿特性。结果表明：辅助放电针直径越小、长度越长,电极环对其电场屏蔽作用越弱,放电间隙场畸变强度越大;辅助放电针对SF₆气体放电间隙直流自击穿电压影响较小,随着场畸变系数的增大,同一气压下干燥空气自击穿电压下降百分数为SF₆气体自击穿电压下降百分数的2～3倍;辅助放电针对直流条件下干燥空气和SF₆气体放电间隙自击穿电压稳定性具有有益作用,分散性减小百分数较无辅助放电针结构均提高约25%。     

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。     

快前沿直线脉冲变压器多间隙气体开关直流自击穿特性

针对一种用于快前沿直线脉冲变压器(FLTD)的堆栈式多间隙气体开关,研究了电极表面粗糙度、电场不均匀系数、放电电流、气体压强等因素对开关自击穿电压分散性的影响.电极表面粗糙度0.1-0.8μm时,击穿电压平均值没有明显变化,击穿电压分散性小于1.5%;电场不均匀系数为1.20和1.30时,电极烧蚀均匀,开关自击穿电压分...     

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。

     

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。     

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。     

FLTD三电极场畸变气体开关寿命特性

针对设计的一种场畸变气体开关,研究中间电极材料分别为不锈钢和黄铜条件下的烧蚀特性,结合开关寿命期间静态与触发特性的变化规律,获得决定开关寿命的关键因素,为三电极场畸变气体开关的性能优化提供理论支撑。研究结果表明,采用不锈钢和黄铜作为中间电极的烧蚀区域以及表面粗糙度均随着放电次数增加而增大,黄铜电极烧蚀较为严重且表面有明显的烧蚀圆斑,不锈钢电极则具有更高的表面粗糙度,阴阳极表面烧蚀存在明显差异,随着放电次数的增加,击穿点向电极边缘区域集中,影响开关的沿面绝缘特性,是导致开关寿命终结的主要原因。     

快前沿直线脉冲变压器多间隙气体开关直流自击穿特性

针对一种用于快前沿直线脉冲变压器（FLTD）的堆栈式多间隙气体开关,研究了电极表面粗糙度、电场不均匀系数、放电电流、气体压强等因素对开关自击穿电压分散性的影响。电极表面粗糙度0.1~0.8 μm时,击穿电压平均值没有明显变化,击穿电压分散性小于1.5%;电场不均匀系数为1.20和1.30时,电极烧蚀均匀,开关自击穿电压分散性小于2.0%;放电电流由1.1 kA增加到30.0 kA时,击穿电压的分散性增加了约2倍,电极烧蚀的作用明显增强;工作气压由0.04 MPa增加到0.30 MPa,击穿电压的分散性由1.5%增加到36%。初步分析了降低开关自击穿电压分散性的途径和方法。     

多间隙气体开关电感

介绍了一种用于快脉冲直线变压器的低电感多间隙气体开关。专门构造了多种形式的单通道放电实验,测量了在不同形态单通道放电时的开关电感,研究发现:单通道放电时开关电感除了受到角向电流的影响,还与电弧通道引起的放电回路面积变化有关,开关电感理论计算值与单通道放电时的实测结果最接近;开关在自放电和触发时,均形成了多通道放电,电感明显降低,触发时开关电感最小约为49 nH,电极角向电流的影响可以忽略。     

多间隙气体开关电感

介绍了一种用于快脉冲直线变压器的低电感多间隙气体开关。专门构造了多种形式的单通道放电实验,测量了在不同形态单通道放电时的开关电感,研究发现:单通道放电时开关电感除了受到角向电流的影响,还与电弧通道引起的放电回路面积变化有关,开关电感理论计算值与单通道放电时的实测结果最接近;开关在自放电和触发时,均形成了多通道放电,电感明显降低,触发时开关电感最小约为49 nH,电极角向电流的影响可以忽略。     

快放电直线型变压器驱动源磁芯脉冲磁化特性

针对25 μm 2605TCA非晶涂层、25 μm 2605SA1非晶夹膜和50 μm DG6硅钢夹膜三种材料和工艺磁芯,对比研究了不同激磁条件下的磁化特性。结果表明：改变磁芯激磁条件,磁通密度变化量(ΔB)几乎不变,DG6硅钢夹膜磁芯和2605TCA非晶涂层磁芯ΔB均为3.1 T,2605SA1非晶夹膜磁芯ΔB仅为2.4 T;不同激磁条件下,相对磁导率变化较为明显,三种磁芯相对磁导率均随激磁特征参数的增加而迅速减小,当激磁特征参数由67 V/(cm²·ns)增加至129 V/(cm²·ns)时,2605SA1非晶夹膜磁芯最大相对磁导率由1800减小至1200,2605TCA非晶涂层磁芯最大相对磁导率由1100减小至400,相同激磁特征参数下2605TCA非晶涂层磁芯相对磁导率小于2605SA1非晶夹膜磁芯相对磁导率;DG6硅钢夹膜磁芯在快脉冲条件下磁化性能较差,最大相对磁导率仅为130。