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。     

高功率大电荷量重复频率气体开关实验研究

 在自行研制的纵吹式场畸变型气体开关上，开展了大电流、大电荷传递量重复频率实验研究，已实现的开关最大工作参数为：电压100kV，电流85kA，电荷传递量0.6C/脉冲,重复频率10Hz，单脉冲能量5kJ。结果表明，气流流速、电极烧蚀及绝缘筒污染对开关重复频率和工作寿命有较大影响。     

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。     

气体火花开关电极烧蚀研究综述

气体火花开关是脉冲功率装置中最常用的关键器件。电极烧蚀作为脉冲功率开关中的难点问题,会引起开关自击穿电压降低、触发抖动增大及开关寿命降低,已成为制约气体开关发展和应用的一个瓶颈。本文回顾梳理了国内外学者针对电极烧蚀问题进行的一系列研究,从电极烧蚀理论和实验研究成果两个方面,介绍了电极烧蚀的基本机制及仿真模型,归纳了影响开关电极烧蚀的因素以及电极耐烧蚀材料的研究进展,最后讨论了电极烧蚀研究面临的问题以及优化电极材料抗烧蚀性能的方向。     

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。     

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。     

高气压大电流放电条件下的电极烧蚀

归纳了影响开关电极烧蚀量的因素,包括开关电极材料、放电条件等,分析了开关电极烧蚀特征与烧蚀后表面形貌,总结了开关电极烧蚀的主要机制电极加热和电极材料去除机制。为了延长开关工作寿命,提出了减少开关电极烧蚀的措施,包括选用抗烧蚀性能优异的材料作为开关电极材料、采用合适的开关电极结构和优化的放电条件等。     

高库仑量大电流两电极气体火花开关研究

设计了一个两电极气体火花开关，开关的主体部分仅包括阴极、阳极两个主电极，以及金属外壳和绝缘支撑外壳，两电极结构取消了触发极，消除了由于触发极烧蚀影响开关寿命的问题。开关设计工作电压23 kV，单脉冲能量1.2 MJ，峰值电流300 kA，单次脉冲电荷转移量110 C。初步试验阶段开关工作电压达到15 kV，开关的通流180 kA，电荷转移量为47.85 C。开关触发性能可靠，电极烧蚀均匀。     

高库仑量大电流两电极气体火花开关研究

 设计了一个两电极气体火花开关，开关的主体部分仅包括阴极、阳极两个主电极，以及金属外壳和绝缘支撑外壳，两电极结构取消了触发极，消除了由于触发极烧蚀影响开关寿命的问题。开关设计工作电压23 kV，单脉冲能量1.2 MJ，峰值电流300 kA，单次脉冲电荷转移量110 C。初步试验阶段开关工作电压达到15 kV，开关的通流180 kA，电荷转移量为47.85 C。开关触发性能可靠，电极烧蚀均匀。     

LTD模块气体开关电极材料烧蚀性能实验

针对直线变压器驱动源(LTD)对开关的长寿命需求,基于前期研制的200kV低抖动多间隙气体开关电极几何参数以及开关通流水平,详细开展了不同电极材料(钼、黄铜、铜钨合金、高密度石墨、304和321不锈钢)的烧蚀性能实验。实验结果表明,在单次电荷转移量15.4mC,脉冲电流20kA条件下,体积烧蚀速率从大到小依次为:石墨、黄铜、铜钨合金、钼、不锈钢。电极烧蚀微观形貌分析表明,不锈钢是用于LTD开关相对较好的电极材料。根据不锈钢电极的体积烧蚀速率,可知理论上LTD开关的运行寿命可以超过1×106次,但前提是开关外壳需保持足够的绝缘强度。     

基于磁开关的全固态、高功率、长脉冲发生器的初步研究

大多数电容储能型脉冲功率装置的共同特点是采用了气体开关,由于气体绝缘恢复的限制和电极的烧蚀,使得其重复频率都不太高,而且寿命有限.而目前广泛研究的磁脉冲压缩技术在脉冲功率系统的长寿命、高平均功率和高重复频率运行方面具有很大的应用前景.通过对BOOST电路、LC谐振电路和磁脉冲压缩电路详细的理论分析和计算机模拟,设计了由B00ST电路,C谐振电路,脉冲变压器,磁压缩系统,负载五大部分组成的脉冲发生器电路系统模型,使用Pspice软件对系统进行了模拟、优化,得到了电压幅值为55kV,脉宽为500ns的输出脉冲.     

基于磁开关的全固态、高功率、长脉冲发生器的初步研究

大多数电容储能型脉冲功率装置的共同特点是采用了气体开关, 由于气体绝缘恢复的限制和电极的烧蚀, 使得其重复频率都不太高, 而且寿命有限. 而目前广泛研究的磁脉冲压缩技术在脉冲功率系统的长寿命、高平均功率和高重复频率运行方面具有很大的应用前景. 通过对BOOST电路、LC谐振电路和磁脉冲压缩电路详细的理论分析和计算机模拟, 设计了由BOOST电路, LC谐振电路, 脉冲变压器, 磁压缩系统, 负载五大部分组成的脉冲发生器电路系统模型, 使用Pspice软件对系统进行了模拟、优化, 得到了电压幅值为55kV, 脉宽为500ns的输出脉冲.     

气体火花开关重复频率特性的实验研究

气体火花开关在重复频率脉冲功率技术中具有广泛的应用,影响气体火花开关绝缘恢复与重复频率工作性能的因素众多。实验研究了气体火花开关的能量沉积和气压对开关重复频率指标的影响,给出了气体火花开关绝缘恢复时间与气压及开关导通功率的关系式,初步分析了气体开关击穿通道在自然散热(不吹气)条件下,重复频率稳定工作的最高功率与重复频率指标、气压的关系。     

MV级重复频率三电极气体开关系统的设计及初步实验

介绍一个结构紧凑的三电极重复频率气体开关系统的设计以及初步的调试实验结果。开关系统结构上可分为3大部分：气体开关室、高压气流循环系统、触发发生器。气体开关室为气体火花开关的主体，通过可控的气体火花放电来控制电子束源能量的转换；高压气流循环系统产生高速气流以加速开关的极间绝缘恢复，实现高重复频率运行；触发发生器作用是通过空间磁耦合，将初级电容上储存的电能，转换成高压脉冲信号馈送到开关触发间隙，控制开关导通。     

大电流两电极气体开关研究

 由于引燃管难以满足现在能源系统对放电开关承受大电流的要求,因此研制了大电荷转移量两电极气体开关。这种新型气体开关电极间距可调,无触发极,采用同轴结构,并将主电极置于金属腔体内,减少了放电对绝缘支撑的污染。主电极为铜钨合金材料,设计为平顶圆柱状,以提高烧蚀均匀度和热传导效率,减少电极材料喷溅,延长其寿命。绝缘支撑采用碗状结构,提高了机械强度,增加了沿面击穿距离。该开关工作电压达25 kV,放电电流超过100 kA（脉冲宽度600 μs）,单次脉冲电荷转移量达50 C。实验结果显示该气体开关触发性能稳定,电极表面烧蚀均匀,多次大电流实验后电极表面保持完好,可应用于强激光能源系统。     

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3.32×10-2 C-1·m-2,2.63×10-2 C-1·m-2和1.74×10-2 C-1·m-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10μm)和孔隙(孔径达10μm);WCu和W主电极表面形成少量圆球状W突起(粒径达20μm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10μm),Mo开关外壳沉积颗粒居中(粒径为2μm),W开关外壳沉积颗粒最小(近1μm)。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。     

兆伏级重复频率三电极气体开关工作特性研究

 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工作特性开展了实验研究，并对实验结果进行了分析。研究结果表明：开关在自击穿工作下的工作稳定性远小于触发工作时，开关工作范围与触发针位置和气压等因素有关；开关电压选择在自击穿电压的大约80％时，开关抖动小、误触发率低，具有较好的工作特性。     

电极材料对气体火花开关静态性能的影响北大核心CSCD

在工作气压和火花间隙固定的条件下,针对稍不均匀场的圆饼形电极开关开展了不同电极材料下开关自击穿实验,开关间隙距离为5mm,工作气压为0.25 MPa,击穿电压平均值为40kV。分别选取了不锈钢、黄铜、钨铜合金和石墨材料作为实验对象,对比了不同电极材料下电极质量损失、电极表面形貌和开关静态特性的差异。实验结果表明,石墨电极质量损失速率略高于金属电极,但是由于石墨电极烧蚀产物多为气体,因此石墨电极绝缘子污染程度远小于金属电极。石墨电极开关在低欠压比下自击穿概率也远小于金属电极开关。三种金属电极开关,其静态特性差异不大,但钨铜电极烧蚀程度显著低于不锈钢和黄铜电极开关。     

±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。     

HEART-50重复频率高功率脉冲驱动源研究北大核心CSCD

通过理论计算、数值仿真和实验验证的方法,研究了一台峰值功率数十GW、重复频率5 Hz的重复频率高功率脉冲驱动源,命名为“HEART-50”。该脉冲驱动源由充电电源、初级开关、脉冲形成线、主开关、阻抗变换线,以及假负载构成。首先介绍了HEART-50重复频率高功率脉冲驱动源整体设计思路;其次,对基于混合液体介质的高功率脉冲形成线和气体介质主开关进行了数值分析,并对其全电路工作能力进行了仿真分析;最后,对研制的HEART-50重复频率高功率脉冲驱动源进行了实验验证。结果表明,脉冲驱动源能够输出峰值电压520 kV,脉冲宽度约90 ns,脉冲上升沿小于25 ns,重复频率5 Hz的准方波电脉冲,峰值电功率约为25.3 GW,且具有较好的运行稳定性。