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。     

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。     

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。     

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。     

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。     

电极材料对气体火花开关静态性能的影响

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5 mm,工作气压为0.25 MPa,击穿电压平均值为40 kV。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。     

吹气对氮气火花隙开关重复频率运行性能的影响

 基于紧凑重复频率Tesla变压器实验平台,运用设计加工的紧凑型内部气流循环式火花隙开关,对吹气提高火花隙开关重复频率运行性能进行系统的实验研究,结果表明：重复频率小于50 Hz时,火花隙开关击穿电压不稳定度(RMS)小于5%,不需要吹气;在给定吹气速度下,火花隙开关重复频率运行存在临界重复频率;火花隙开关重复频率运行存在最佳吹气速度,且最佳吹气速度与重复频率之间满足线性关系,并可由实验确定;在优化吹气速度条件下,当气压处于0.7~1.5 MPa范围时,该火花隙开关击穿电压不稳定度(RMS)小于3%;在2.0 MPa的压强范围内,该吹气式火花隙开关可稳定工作至重复频率300 Hz,击穿电压400 kV。     

吹气对氮气火花隙开关重复频率运行性能的影响

基于紧凑重复频率Tesla变压器实验平台,运用设计加工的紧凑型内部气流循环式火花隙开关,对吹气提高火花隙开关重复频率运行性能进行系统的实验研究,结果表明：重复频率小于50 Hz时,火花隙开关击穿电压不稳定度(RMS)小于5%,不需要吹气;在给定吹气速度下,火花隙开关重复频率运行存在临界重复频率;火花隙开关重复频率运行存在最佳吹气速度,且最佳吹气速度与重复频率之间满足线性关系,并可由实验确定;在优化吹气速度条件下,当气压处于0.7~1.5 MPa范围时,该火花隙开关击穿电压不稳定度(RMS)小于3%;在2.0 MPa的压强范围内,该吹气式火花隙开关可稳定工作至重复频率300 Hz,击穿电压400 kV。     

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。     

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。     

高压火花隙开关中气体冷却的数值模拟

 高温气体的冷却对火花隙开关的重复运行具有重要的影响。利用流体方程、热传导方程和理想气体状态方程构建的方程组,对火花隙开关中高温气体冷却的过程进行了数值模拟。分析了气体导热系数、粘性系数、对流及气体压强等要素对气体冷却速度的影响,得到了气体冷却的基本规律：火花隙开关内气体的冷却以传导为主;若不采用其他手段,气体在十几ms内冷却较困难;对流的作用经数十ms后才显著;气体的粘性系数对气体冷却的影响可以忽略。可以通过选用导热系数高的气体,优化电极结构或采用吹气方法提高气体冷却速度的办法。     

大库仑两电极气体开关静态特性

研制了大电流、大库仑两电极气体开关,并研究了其静态特性,给出了开关自击穿概率拟合公式。结果显示:自击穿电压与工作气压基本呈线性递增关系;随着气压的升高,自击穿电压的分散性逐渐增大。数值模拟和实验对比显示,开关自击穿电压的分散性基本满足两参数威布尔分布。该项研究成果能够为选择开关的工作电压及充气压力提供参考,以满足能源系统可靠性的要求。     

石墨电极气体开关中等离子体弧区碳氧反应效率研究

氧气是石墨电极气体开关中必不可少的组分,用于氧化石墨电极在高温电弧冲击下形成的石墨蒸汽,防止熄弧后石墨蒸汽凝华成固体粉末给开关带来绝缘危害。为提高石墨蒸汽的氧化比例,研究了背景气体组分和氧气浓度对石墨氧化反应的影响,选取3种气体N₂,Ar,He作为背景气体,研究不同气氛电弧的氧化反应特征;在传统的类空气气体（80%的N₂＋20%的O₂）的基础上,提高氧气浓度至40%和60%,研究氧气浓度对碳质氧化比例的改善作用。基于不同气体组分的热力学参数和输运系数,通过电弧磁流体动力学计算模型得到开关温度特征,将电弧与电极界面的热流强度作为石墨电极质量损失速率的评估依据。实验结果表明,随着氧气浓度的升高,石墨蒸汽的氧化比例逐步提高,但当氧气浓度高于40%时,存在电弧引燃石墨电极的风险。当氧气浓度恒定20%时,以Ar作为背景气体时石墨电极质量损失速率较小,且碳蒸汽在电弧中氧化更加充分。因此,相比于传统的开关气体介质,将背景气体替换为Ar或将氧气浓度提高至约40%均能提升碳氧反应效率,降低开关中的杂质残余量。     

石墨型高能两电极气体开关

为大型激光装置能源模块研制了一种采用石墨电极的两电极气体开关,阐述了石墨应用于高能两电极气体开关的技术关键,对气体开关中气体间隙的最优结构进行了电场强度分析。参考美国国家点火装置(NIF)能源模块中ST-300气体开关的已知参数,对研制成功的石墨型两电极开关进行了电气特性试验,证明了石墨型气体开关能够实现峰值电流达300 kA以上,单次转移电荷量100 C以上,寿命超过1 000次,满足1.2 MJ大型激光装置能源模块的工程技术要求。     

1.2 MJ能源模块中两电极气体开关开通特性

在新的强激光能源系统中,采用了一种大电荷转移量同轴结构的两电极气体开关。为了研究气体开关的开通过程,采用仿真软件ATP与PSCAD分别对该开关在开通过程中的某些特征参量对开通特性的影响进行了仿真分析和研究,提出了一种用于模拟气体开关开通过程的模型,并由此得到了触发电压与导通能量之间的关系曲线,并从中得出结论,触发能量对气体开关导通的影响不大。     

1.2MJ能源模块中两电极气体开关开通特性

在新的强激光能源系统中,采用了一种大电荷转移量同轴结构的两电极气体开关。为了研究气体开关的开通过程,采用仿真软件ATP与PSCAD分别对该开关在开通过程中的某些特征参量对开通特性的影响进行了仿真分析和研究,提出了一种用于模拟气体开关开通过程的模型,并由此得到了触发电压与导通能量之间的关系曲线,并从中得出结论,触发能量对气体开关导通的影响不大。     

粗糙阴极气体火花开关性能的理论研究

提出了粗糙阴极的气体火花开关击穿模型,通过粗糙层厚度和场强增强系数对阴极粗糙度进行了描述,利用概率论研究开关的击穿情况,分析了气体压强对粗糙阴极气体火花开关稳定性、击穿场强随气压的变化曲线以及开关绝缘恢复速度的影响,研究发现当阴极相对于电子平均自由程足够粗糙时,开关具有最佳的稳定性, 当阴极粗糙结构尺度与电子平均自由程相当时,开关具有最佳的绝缘恢复特性。     

气体火花开关放电通道半径及电阻测量

搭建低电感实验回路平台,利用高速分幅相机拍摄火花开关放电通道发展过程,分析照片光强和放电通道半径的对应关系,根据图片光强测定不同时刻放电通道的半径,提出适合实验条件的放电通道半径计算公式。依据高压探头和Pearson线圈测量得到的放电通道电压和电流波形,计算放电通道的电阻,再利用测量的放电通道半径进而得到其电导率。放电通道半径随着放电通道的发展逐渐增大,有饱和的趋势,放电电流2 kA时电流峰值处放电通道半径约0.6 mm;随着放电电流峰值的增大,放电通道电阻下降速率增大,达到稳定值所需的时间减小,稳定值也随之减小,其电阻稳定值最小能达到0.08 。