（物理电子学专业论文）高功率自击穿气体火花开关多脉冲运行特性研究.pdf

国防科学技术大学研究生院学位论文 摘要 重复频率运行是当前脉冲功率技术主要发展方向之一。水介质脉冲功率调制器具有储 能密度高，结构紧凑、与低阻抗微波源较好匹配的特点，因此得到广泛的应用，但是受到 高功率、大电流气体开关的绝缘恢复的影响，水介质等低阻抗脉冲功率调制器的重复频率 运行或多脉冲运行受到较大的限制。研究高功率大电流自击穿气体火花开关多脉冲运行特 性，对于开展水介质脉冲功率调制器的多脉冲运行，或重复频率运行研究具有重要的意义。 本文从理论分析、数值计算等方面研究了气体火花开关的绝缘恢复特性，实验研究了气流 对火花开关恢复速度的影响，其研究结果为火花开关的多脉冲运行奠定了坚实理论基础。 对气体火花开关的击穿机理，创新的利用击穿概率分析了粗糙电极对气体火花开关 脚曲线影响的物理机制，给出了利用细小结构构造平稳脚( 开关击穿电压，气体压强) 曲线的条件，为实验中控制和利用该曲线提高气体火花开关的多脉冲运行能力提供了理论 基础。对电极间隙内气体状态的恢复。数值模拟了炙热气体的传导和对流过程，分阶段的 讨论和模拟了带电粒子的消逝过程，分析了影响电极间隙内气体状态恢复的主要因素。结 合理论分析和模拟结果，提出了气体火花开关多脉冲运行特性可采用如下方法：( 1 ) 使用 导热性能好的气体，如h 2 、s f 6 等；( 2 ) 采用吹气的方法；( 3 ) 增大气压，在电极表面增 加细小结构，构造平稳的坳曲线；( 4 ) 改良开关电极结构和尺寸，采用奶头- 半球结构的 电极；( 5 ) 使用电负性强的气体作为开关绝缘气体，如s f 6 。 实验上，进行了自击穿气体火花开关多脉冲运行特性的研究，对比了不吹气时和吹气 时火花开关的恢复速度。在击穿电压4 0 0 k v ，峰值电流3 0 k a ，脉宽4 0 n s 的工作参数下，采 用吹气的办法( 气流速度3 0 m ，s ) ，使气体火花开关多脉冲运行间隔达到5 m s ，实验结果与 理论估计相符。 最后，介绍了实验中设计并研制的大功率低电感匹配负载，该负载冷测电阻值5 8 2 n ， 电感1 9 0 n h ，结果与理论设计一致，该负载具有阻值稳定，电感低的特点。 关键词：气体火花开关：多脉冲运行；开关绝缘恢复特性；带电粒子：匹配负载 第1 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 a b s t r a c t r e p e t i t i v eo p e r a t i o ni so n eo ft h ep r i m a r yd e v e l o p m e n t a ld i f c c t i o n so fp u l s ep o w e r t e c h n o i o g y w a t c rd i e l e c 仃i cp u l s ep o w e rm o d u l a t o rh 嬲b e e nw i d e l ya p p l i e db e c a u s eo fb m e r i t so fh i 曲e n e 唱ys t o r a g ed e n s i t y c o m p a c t n e s s ，a n dc a p a b i l i 哆1 0d r i v el o wi m p e d a n c eh i g h p o 、e rm i c r o w a v es o u r c e s r e s e a r c hf o rm u l t j p u l s eo p e r a t i o no fh i 曲p o w e rs p a r kg a ps w i t c h w i 廿lh j 曲c u r r e n ta n dc o m p r e h e n d i n gi t sp h y s i c a lp r o p e r t i e sa r et h eb a s st os t i l d ym u l t i - p u l s e o p e r a t i o no rr e p e n t i v eo p e r a t i o no fw a t c rd i e l e c t r i cp u i s ep o w e rm o d u l a t o r i nn l e 廿l e s i s ，廿l e i n s u l a t i o nr e c o v e r yp r o p e n i e so fs p a d ( g a ps w i t c ha r ci n v e s t i g a t e dt h m u g ht l l e o r e t i c 锄a i y s e s a n dn u m e r i c a lc a l c u l a t i o n ，柚dm ei n n u e n c eo fg a sn o wo nt l l ei n s u l a t i o nr c c o v e r yo fs w i t c hi s s t u d i e de x p e r i m e n t a l l mt h er e 踟l t sp r a v i d ea 也e o r e t i cb a s i st or e s e a r c ht h em u l t i - p u l s eo p c r a t i o n o f h i 曲p o w e rs p a r kg a p a st 1 1 eb r e a k d o w nm e c h a n i s mi sc o n c e m e d ，m ei n f l u e n c eo fr o u 曲e l e c 打o d eo nt h e 脚 ( s w i t c h b r e a k d o w nv o l t a g e g a sp r e s s u r c )c u r v ei sa n a l y z c do r i g i n 8 l i yu s i n gb r c 8 k d o w n p o s s i b i l i t y t h er e q u i r e i t l e n t so ff l a tp 佑c u r v ea r cp r e s e n t e d ，w h i c hp r o v i d e sat l l c o r c t i c a lb a s i s f o rc o n t m l l i n ga n du t i i i z i n gt 1 1 ec u r v e w i mr e s p e c tt ot h eg a ss 锄sr e c o v e r yi nt l l es p a r kg a p ， t h ec o n d u c t i o n 明dc o n v e c t i o no fh o tg a sa r es i m u l a t e dn u m e r i c a l l y t h ed e c a yo fr c s i d u a l c h a 唱ep a r t i c j e si sa n a l y z e da n ds i m u l a t e da l s o r c c o v e r yv e l o c 时o fg a sa r e 柚a l y z e d 柚dd i s c u s s e d s e v e r a lm e t l l o d si m p r o v i n gm ei n s u l a t i o nr e c o v e r y 1 1 l em a i nf 她t o r s a 矗b c t i n gt h ei n s u l a t i o n a l l 粕a l y s i sa n ds i m u l a t i o n sr e s u l t si n d i c a t c o fs p a r kg a ps w i t c h ：( 1 ) u s i n gm eg a sw i l l l g o o dt h e 帅a ic o n d u c t i v 峨s u c ha sh 2 柚ds f 6 ；( 2 ) u s i n gt l l eg a sn o w ；( 3 ) u t i l i z i n g 血e 即c u r e ； ( 4 ) m o d i 母i n g t h eg e o m e ya n ds i z eo ft l l ee l e c 们d e ；( 5 ) u s m gt h eg a sw i t hg o o d e l e c t r o n e g a t i v i 饥s u c ha ss f 6 s o m ee x p e r i m e n t so nt h em u l t i - p u l s e 叩l e r a t i o no fh i g hp o w e rs p a r kg a ps w i t c ha r ec a r r i e d o u t t h ei n s u l a t i o nr e c o v e r i e so f g w i t c hw i t l l o u t 柚dw i t l lg a sn o wa r eb o mi n v e s t i g a t e d as e r i e s o fm u l t i p u l s ee x p e r i m e n t sa r ep e r f 咖e da tb r e a k d o w nv o l t a g eu pt o4 0 0 k vp e a kc u r r c mu pt o 3 0 k aw “ha ni n t e r v a lo f5 m s ，w h i c hs h o w ss p a r kg a ps w i t c hc o u l db eo b t a i n e d 留o o di n s u l a t i o n r e c o v e r yi ns e v e r a im i 】l i s e c o n d sl l i l d e rt h ec o n d i t i o no fw a t e rd i e l e c t r i cp u l s ep o w e rm o d u l a t o r w i t l l l o w l o a d f i n a l l y t h ed e s i 印锄d 廿l et c s te x p c r i m e n to fah 培hp o w e rm a t c h i n gl o a da r ei n 廿o d u c e d n el o a dh a sas t e a d yr e s j s t 舭c eo f5 8 2 qa n dal o wi n d u c 协n c eo f1 9 0 n h ，w h i c hi si ng o o d a g r e e m e n tw i t h 也et l l e o r y k e yw o r d s ：s p a r kg a ps w i t c h ；m u 雠p u l s eo p e r a t i o n ；s w j t c h i n s u la t i o nr e c o v e r y ；r e s i d u a l c h a 唱e dp a r t i c l e ；m a t c h i n gl o a d 第l i 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 图表目录 图1 1 1 脉冲功率调制器多脉冲运行示意图2 图1 2 1l v 明随间隔时间小的变化4 图1 2 2n 2 和h 2 的绝缘恢复曲线5 图1 2 3s f 6 和a i r 的绝缘恢复曲线5 图1 2 4 不同气压下s f 6 的绝缘恢复曲线5 图1 2 5 不同电极时开关的坳曲线6 图1 2 6 轴向气流吹气和旋转气流吹气示意图6 图1 2 7 吹气式开关恢复函数计算曲线7 图1 2 8 外加扫描电压下s f 6 的绝缘恢复曲线8 图1 2 9 外加扫描电压下空气的绝缘恢复曲线8 图1 2 1 0 电容储能型脉冲功率调制器p f l 电压波形8 图1 2 1 1 电流对开关绝缘恢复曲线的影响9 图1 2 1 2 充电方式与开关绝缘恢复时间的关系9 图1 2 1 3 采用金属氢化物电极的气体火花开关9 图2 1 1电子崩对外电场的畸变1 3 图2 2 1空气击穿场强随压强的变化曲线1 6 图2 2 2 图2 2 3 图2 2 4 图2 3 1 图3 1 1 图3 1 2 图3 1 3 图3 1 4 图3 1 5 图3 1 6 图3 1 7 图3 1 8 图3 1 9 图3 2 1 图3 2 2 图3 2 3 图3 2 4 图3 2 5 图3 2 6 图3 t 2 7 图4 1 】 图4 1 2 图4 1 3 图4 1 4 图4 1 5 图4 1 6 光滑电极与粗糙电极的五抽曲线 s f 6 、n 2 以及混合气体开关的坳曲线 种子电子浓度对气体击穿概率的影响 a r 电弧中各种温度随电弧电流变化曲线 气体的冷却模型 n 2 的导热系数曲线 电弧通道气体冷却图像 气体温度随时间的变化 气流速度随时间的变化 通道半径及吹气对温度冷却的影响 1 7 1 8 1 8 2 2 2 5 2 6 2 7 2 7 2 7 2 8 不同导热系数下的气体冷却2 9 不同粘性系数下的气体冷却2 9 不同压强对气体冷却速度的影响2 9 开关内气体冷却模型示意图3 3 电极间隙间的场强分布3 3 振荡频率对电子扩散的影响，3 4 火花开关内电子的扩散3 4 电极半径对电子扩散的影响3 4 电子径向边界随时间的变化3 4 奶头半球电极结构及电场分布3 6 气体火花开关多脉冲运行特性研究装置示意图，3 8 气体火花开关多脉冲运行实验装置图3 9 气流循环系统示意图3 9 开关内气流分布3 9 开关内场强分布4 0 电极轴线上的电场4 0 国防科学技术大学研究生院学位论文 图4 1 7 实验系统等效电路图4 0 图4 1 8p s p i c e 模拟所得的二极管电压模拟波形4 0 图4 1 9 脉冲形成线充电波形及变压器初级振荡电流波形4 l 图4 1 1 0 触发开关不能及时响应时变压器初级的电流波形4 1 图4 2 1 脉冲形成线的电压波形4 2 图4 2 2 主脉冲的电压、电流波形4 2 图4 2 3 多脉冲运行时p f l 上的电压波形4 2 图4 2 4 主开关第一次击穿时p f l 电压波形4 2 图4 2 ，5p f l 第一次充电波形4 2 图4 2 ，6 图4 2 7 图4 2 8 图4 2 9 图5 ，i 1 图5 1 2 图5 1 3 图5 2 1 图5 2 2 图5 2 3 图5 2 4 图5 2 5 p f l 第二次充电波形 吹气时多脉冲运行充电波形 p f l 第一次充电波形一 p f l 第二次充电波形 高分子骨架结构示意图一 电阻丝绕线示意图一 电阻丝网的局部图 一4 2 4 3 一4 3 4 3 4 6 4 6 4 6 电阻随频率的变化4 8 电感随频率的变化4 8 5 0 n s 脉冲定标波形4 8 1u s 脉冲定标波形4 8 定标等效电路图4 9 图5 2 6 定标波形的p s p i c e 模拟波形 图5 2 7 匹配负载实验装置图4 9 图5 2 8 匹配负载第一次测试波形4 9 表1 1 1 各种开关的工作参数 表2 3 1电弧通道的半径 表2 3 2 表5 1 1 n 2 等离子体的成分组成 不同”时，匹配负载的电感的比较 2 2 1 2 1 4 7 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已 经发表和撰写过的研究成果，也不包含为获得国防科学技术大学或其它教育机构的学 位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文 中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文题目： 匿边奎自壹星氢篮蕉匠差垄睦韭垂盘挂性堡盎 学位论文作者签名： 垦丝堡 日期：2 0 0 5 年1 1 月1 6 日 学位论文版权使用授权书 本人完全了解国防科学技术大学有关保留、使用学位论文的规定。本人授权国 防科学技术大学可以保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子文档，允 许论文被查阅和借阅；可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索， 可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密学位论文在解密后适用本授权书。) 学位论文题目：商殖空宦童窒氢垡超蕉迁羞垒然韭重缸挂! 陛叠盔 学位论文作者签名： 作者指导教师签名： 日期2 0 0 5 年1 1 月1 6 日 日期删r 年 、月1 6 日 国防科学技术大学研究生院学位论文 第一章绪论 高功率微波、气体激光器、低温等离子体处理等科研领域迫切需求功率高、脉冲间隔 短、能连续多脉冲运行的脉冲功率调制器，制约脉冲功率调制器多脉冲运行的主要因素是 开关的多脉冲运行能力。气体火花开关具有结构简单、工作电压范围宽、导通电流大的 良好特点，研究高功率、大电流情况下自击穿气体火花开关多脉冲运行特性，有助于实现 水介质脉冲功率调制器的多脉冲运行，对实现水介质脉冲功率调制器的重复频率运行也具 有重要的参考价值。 1 1 火花开关多脉冲运行概述 1 1 1 脉冲功率技术中常用开关工作参数比较 脉冲功率技术在军事、工业、民用上都存在着巨大的潜力，引起了世界各国的重视。 长脉冲和重复频率运行是当今脉冲功率技术发展的两个主要方向，高功率重复频率开关是 重复频率脉冲功率源的关键设备。脉冲功率技术中广泛使用的重复频率开关主要有以下几 种；气体火花开关、闸流管、真空开关、磁开关、汞引燃管、晶闸管等。这些开关各有优 缺点分别适用于不同的场合。表征重复频率闭合开关性能的工作参数有很多，主要包括 工作电压、峰值电流、单脉冲电荷转移量、电流上升速率、重复频率、寿命等等。对各种 开关工作参数比较如下。”： ( 1 ) 就重复频率而言，磁开关和闸流管的重复频率最高、寿命最长，频率可达数千赫兹的 水平；气体火花开关的重复频率目前最高达到l k l z 。 ( 2 ) 就工作电压而言，气体火花开关工作电压可达1 0 m v ，且体积可以接受；磁开关工作可 达几百千伏，但体积和成本惊人，例如美国圣地亚国家实验室研制的3 0 0 k w 、2 2 m e v 、 2 5 u ，p u l s e 直线感应加速器r h e p pi i 的加速单元中所用磁开关工作参数为2 5 0 k v 、 1 3 0 l a 、6 0 n s 、1 2 0 h z ，其磁环外径已超过l m ，磁性材料所花费的成本占整台加速器总 费用的1 3 ；而其余的开关( 除磁开关) ，都工作在2 0 0 k v 以下，晶闸管更是工作在几个 千伏量级。 ( 3 ) 就峰值电流而言，气体火花开关峰值电流可达数兆安，磁开关为数十千安，氢闸流管 一般为数十干安，晶闸管一般为k a 量级。 ( 4 ) 就电流上升速率而肓。气体火花开关最大，可达1 0 9 v ，u s ，磁开关可达1 07 a u s ，闸流管 第1 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 可靠工作时一般为1 0 4 1 0 5 u s ，汞引燃管不超过1 0 4 u s 。 ( 5 ) 单脉冲电荷传递量。汞引燃管单脉冲电荷传递量最大，可达1 0 3 c p u l s e 。气体火花开关 可达1 0 2 c p u l s e 。 各种开关的工作参数如表1 1 1 所示“1 。 表11 1 各种开关的工作参数( s c f h = s 【a n d a 嘣c u b _ c f b e td e rh o u r ) 跏脚 聊p脚阳把陆蛔酽c 研薯哪打盯“砌加g f f d w 阳地 三归 ( p p s )( k v )( k a ) m p 庙硼竹 f 拥p h i g l lp r e 鼹u eg 骶 4 05 3 02 7a i r0 rs f 6 8 0 0 ( s c f h ) 1 0 6 g 印 ，。 t e s l ac h a r g e dg a sg 印1 0 。5 2 03 5 n 2 s e a v e n g e d 兰1 0 5 v e l o c n v1 5 m ，s c o m m e r c i a i i y 1 2 54 22 5a i r 2 0 0 ( s c f h )5 l o 。 a v a i l a b l eg a s g 印 t h y m t r o n 4 5 1 0 2 00 4 h 2 n o tr e q u h d c r o s s6 e j dt u b e 1 0 0 7 0 5 ( a c m 2 ) h e n o t 他q u 如d l o l o wp f e s s u r eg a sg a p2 x1 0 32 02 5 h 2 n o tr e q u i r e d 1 0 o i lg a p2 0 02 9 03h v o i l 1 ( 1 i t e r s ) m a 印e t i cs w i t c h 1 0 2 5 04 0 f e r r o m a g n e n o tr e q u i r e d1 0 c m a 矧8 1 水介质脉冲功率调制器由于功率高、体积小和实用性强的特点在高功率微波领域被广 泛应用，其输出脉冲电压高( m v 量级) 、峰值电流较大、电流上升速率快，因而通常选用 气体火花开关作为脉冲功率调制器主开关。 1 1 2 高功率、大电流条件下气体火花开关的多脉冲运行 高功率微波、气体激光器、低温等离子体处理等领域，有时并不要求脉冲功率调制器 重复频率运行，但要求脉冲功率调制器能输出连续的几个脉冲，且峰值功率高、负载阻低、 脉冲间隔短。气体火花开关在多脉冲运行 。 u 时，由于气体绝缘恢复速度的限制，倘若脉 冲间隔一，较短，开关将在电压上升过程中 。 过早击穿，影响脉冲的幅度和波形( 如图 1 1 1 所示) 。这就要求改善气体火花开关的 ，。 u l 多脉冲运行能力。气体火花开关的多脉冲运 行与重复运行之间有很大的联系，二者的主 u 2 要影响因素都归咎于气体火花开关的绝缘 恢复特性，多脉冲运行由于脉冲个数少，开 图1 1 1 脉冲功率调制器多脉冲运行示意图 关内热累积和电极腐蚀的影响一般可以忽略，脉冲间隔可以做到更短。 研究高功率、大电流情况下，自击穿气体火花开关多脉冲运行特性，不仅能满足这些 第2 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 领域的需要，同时也能促进对高功率气体火花开关的重复运行特性的研究。 1 2 火花开关多脉冲运行特性简介 1 2 1 气体火花开关的恢复机理 气体开关是利用气体的击穿特性( 流注理论) 工作的开关，国际上从6 0 年代起就开始 了对气体绝缘恢复过程的研究，通常认为影响气体绝缘恢复过程的因素是炙热气体和残余 的带电粒子”1 。当气体火花开关击穿，电弧通道产生大量的热量和带电粒子，这些炙热气 体和带电粒子在开关放电后不会立即消失，如果下一个脉冲在这个恢复过程尚未完成时到 来，残余的电子将加速电子崩的形成，同时炙热气体引起的浓度差异有利于电子崩的发展， 这就使气体火花开关在电压上升过程容易提前击穿，这将降低脉冲的电压幅度，同时也将 影响脉冲的波形质量”1 。带电粒子的消逝远比炙热气体的恢复速度快4 1 ，在大约1 m s 后， 带电粒子浓度大大减小，温度成为影响气体绝缘性能的主要因素，但即使带电粒子浓度很 小，仍对气体绝缘性能有很大影响，在某些时候带电粒子对开关恢复的影响也就不能忽略。 脉冲的峰值电压、峰值电流、宽度对火花开关的能耗影响较大，当峰值电压越高，峰值电 流越大，脉冲宽度越宽时，气体火花开关击穿过程中消耗的能量越大，产生的带电粒子也 就越多，也就越不利于气体火花开关的恢复。 炙热气体的冷却包含了传导、对流、辐射三个过程，其中传导是最主要的“，其快慢 与气体的密度、温度梯度和导热系数有关。气体的对流对气体的冷却也有一定的影响，对 流速度与气体的粘性系数、炙热气体与周围气体的温度差有关，就电弧通道气体冷却而言， 由于气体粘性系数极小，气体对流速度主要取决于炙热气体与周围气体的温度差。常用的 气体温度在1 0 3 k 量级时辐射都非常弱，在整个气体冷却过程中辐射是可以忽略的。 气体的绝缘恢复过程中，带电粒子消失的速度虽然很快，但即使浓度很小，带电粒子 的存在对电子崩的产生也有很大的影响“1 。主脉冲之后的后续电压振荡或者外加的扫描电 压对电弧通道的带电粒子也都具有一定的清除作用：此外，当充电过程很慢时，充电过程 可很大程度的清除开关中的带电粒子，因此构造适当的后续电压振荡或者加一扫描电压， 同时放慢充电速度可提高气体绝缘恢复速度，达到改善气体火花开关的多脉冲运行能力的 目的“1 。 12 2 国内外针对气体火花开关绝缘恢复特性的研究 目前国内外大量学者在气体火花开关的多脉冲运行和重复运行方面已做了大量的研究 第3 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 工作，取得了很多的理论成就。国内外研究多针对功率较小，电压不太高的火花开关而言 “，对于脉冲功率调制器主开关的多脉冲运行或者重复运行的研究，主要针对于油线、 高阻抗负载( 几十欧姆以上) 的情况，功率一般都在l o g w 以下( 如俄罗斯的s i n u s 系 列加速器) ，对于针对水线、高功率( 1 0 g w 以上) ，低阻抗负载( 1 0 q ) 的情况，国内外 尚有所报道。水线储能密度高，对脉冲功率调制器的小型化有着重要的意义，但由于水线 阻抗低，放电电流大，对主开关的恢复不利，同时水线充电时间短，对触发开关的同步性 要求高，适合采用自击发开关，因此研究水线、高功率、低负载情况下自击穿气体火花开 关的多脉冲运行特性有着重要的现实意义。 气体火花开关多脉冲运行特性取决于气体火花开关的绝缘恢复特性，对此国内外通常 采用两个连续脉冲对开关的绝缘恢复特性进行研究，即让开关连续两次运行，研究不同时 间间隔条件下开关击穿电压的变化“7 ”1 。评估这一变化常采用第二次击穿电压与第一次 击穿电压的比值，在图1 1 1 中，即沈矾，随着脉冲间隔的变小，觇矾的值从1 逐渐变 小( 如图1 2 1 所示) ，通过改变脉冲间隔，获得不同间隔时u 2 ，矾，也就得到了开关的恢 复曲线。根据实际情况，当u 2 ，“的值很接近吩 1 时( 通常情况9 5 以上) ，便可认为开关完 1 全恢复。研究气体火花开关的多脉冲运行， 就是要掌握气体火花开关恢复速度的恢复机 理，寻求改善气体火花开关多脉冲运行的方 法，使得在较短的脉冲间隔时，如矾的值与 1 接近，脉冲功率调制器能够产生连续的脉冲 第4 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 其中p 为气体密度、r 为时间、，为温度、 g 为气体热容、 为气体导热系数，在温 度分布相同，o 近似为定值时，可用坳g 的值来衡量不同气体冷却的快慢，由于氢 气在常用气体中导热系数最大，m ，g 的 值也很大，因此氢气的冷却速度非常快， 许日等人通过实验得到了气压3 a t r n 时n 2 和h 2 的绝缘恢复曲线，如图1 2 2 所示“1 ， n 2 在l o o m s 以后绝缘完全恢复，h 2 在 f 一“ i ! 臻 ，j 。r 。：燃 ，掣 ， ； j | p - n j 彰 7i r h 一f r ， 图1 22n 2 和h z 的绝缘恢复曲线 l o m s 以后绝缘能力就接近完全恢复，该情况下h 2 比n 2 的绝缘恢复速度约快l o 倍。 纛瑟器罴蒌；：潴 麟燃 数要比空气大得多，因此s f 6 气体的实际 j| ! j ! 到，羁一，弭焉r 萝 ! 传热能力比空气好得多，而接近于传热能 i ”寸_ 。尊争? 博嚣产旁憾寸曩鹱卜一群 霎一 快近1 0 倍，绝缘恢复速度与h 2 接近。”仁| = 善：嚣# 霹露筘： i 蹿；飘：二蒸：霹i g ( 2 ) 增大开关内气压，利用气体击穿电压l * f 寸焉署i 篝殍霹2 譬再嚣f 荨荽臻 随气压的变化曲线降低炙热气体的影响； 彗。：乏：赣墅：曼：巍：鼓f 去诘进童t j 薹壹 气体的击穿场强与气体的压强有关，i ”扛东裁蔫嚣叠葺巍蠹拦! 互港警! 东薯妻妻 第5 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 验得到了不同气压下s f 6 的绝缘恢复曲线1 ( 如图1 2 4 所示) ，由图可以看出，随着气体 压强的增大，气体的绝缘恢复特性得到很大的程度的改善，气压1 5 b a rs f 6 比1 b a r 的s f 6 绝缘恢复速度提高了数倍，随着气压的增大，绝缘恢复曲线中的平缓部分( 对o 5 b a r 的曲 线而言出现在绝缘恢复程度6 0 附近) 逐渐消失。 实验证明开关击穿电压随气体压强改变的曲线( p 曲线) 与电极粗糙程度有关，对 光滑表面的电极而言，咖曲线与巴申曲线相吻合，开关的击穿电压与气体压强成正比关 系，但如果增大电极表面粗糙程度，开关 的击穿电压随气压增大变化很小。1 。电极 表面的粗糙程度是相对的，在低气压下被 认为是光滑的电极，随着气压的增强就应 当逐渐被认为是粗糙电极。韩晓莲等人实 验发现电极表面的细微结构可视为电极 的粗糙度。1 ，图1 。2 5 是实验中得到的刻 槽电极与光滑电极的p 曲线“，由此可 见，在不改变气压的时候，通过增加电极 p r 驯r e 憎帅) 图125 不同电极时开关的w 扫曲线 粗糙度改变开关 曲线，也可以达到提高气体绝缘恢复速度的目的。 ( 3 ) 采用吹气的方法，在脉冲间隔时阔内吹走开关内炙热气体，加快带电粒子的复合与扩 散： 国内外常用的重复频率开关一般都采用了吹气的方式，该方法对除去炙热气体和除去 带电粒子都非常有效。j o h nm k t i l l l m a n 较早研究了吹气对开关绝缘恢复特性的改善m 1 。 实验中采用了吹气使气流循环的方式，通过气泵使气体循环流动，使得炙热气体和带电粒 子能够迅速被吹离电弧通 道，并在气流循环过程中 扩散消失。由于整个实验 系统中开关腔体、循环管 道的气量较大，电弧通道 炙热气体和带电粒子扩散 开后，短时间内不会使全 部气体温度和带电粒子浓 【a 1a x j a i f l 。w ( b ) r d 乜珂出w 图12 6 轴向气流吹气和旋转气流吹气示意图 度改变太多，这种吹气循环的方式达到了加快开关恢复的目的。 第6 页 一搦 寻 一 二历。两一前 国防科学技术大学研究生院学位论文 文 4 将常用的开关吹气方法总结为两种方式轴向吹气和旋转吹气( 如图1 2 6 所 示) ，轴向吹气的气流在实验中容易实现：旋转吹气的气流具有一定角度，能有有效的将 开关击穿产生的残余物吹离电弧通道。两种吹气各有优点，采用何种方式通常取决于开关 的具体结构。 根据巴申定律，k l l l l l m a l l 提出了吹气式气体开关绝缘能力完全恢复的判据“”： j p o p 凡d ( 1 2 2 ) 式中d 为放电时j 处的气体密度，p 。为开关放电结束经过充分恢复后的气体密度，为电 极间距，线积分路径为两电极间任意放电通道路径。对于采用轴向吹气且功率不太高的气 体火花开关，k u h i m a n 经过进一步简化推导，得到近似恢复函数 川2 碉装竽 z 固 式中励和死分别为开关截至时刻电弧通道 1 0 0 的半径和温度，s 为湍流扩散系数，v 为气 ，、 流流速，d 为电极间距，开关恢复函数尉o 童加 爻 定义为某时刻击穿电压与放电前自击穿电墅6 0 望 压之比。图1 2 7 为根据上式绘制的曲线， 茸4 0 童 由图可见，流速越大开关恢复时间越短。对 未 2 u 于吹气开关恢复时间较粗略的估计，可采用 0 1 5 中提出的彳f = 加( 其中加为开关恢复 时间，d 为电弧通道半径，v 为气流速度) o0 0 0 l0 0 0 1o 0 1 0 1 1 1 m e ( s ) 图12 7 吹气式开关恢复函数计算曲线 来计算，即认为当电弧通道内的炙热气体被完全吹离原电弧通道位置时，开关就完全恢复。 ( 4 ) 脉冲时问间隔里，在开关电极间加一扫描电压，降低电弧通道带电粒子的浓度”“1 ； 气体的绝缘恢复过程中，虽然带电粒子消失的速度很快，但即使气体中带电粒子浓度 很小，其存在也会对电子崩的产生有很大的影响。脉冲时间间隔里，当开关电极问加扫 描电压，该电压的幅度不足以使开关击穿，但能使得带电粒子能够在该扫描电压所产生的 电场中运动，到达开关电极而被吸收，从而达到降低带电粒子浓度的目的。s c o t tj m a c g r e 9 0 r 等人在研究s f 6 和空气的绝缘恢复实验中加入了一个幅度2 k v 的扫描电压，气 体的绝缘恢复曲线如图1 2 8 、图1 2 9 所示“，由图可见，扫描电压的加入，使得气体的 绝缘恢复速度大幅度增大，原来的恢复曲线中平台部分消失，气体完全绝缘恢复时间缩短 了近百倍。 第7 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 事实上，对于脉冲功率技术中使用的开关而言，由于工作电压高，脉冲间隔时间内加 一扫描电压在技术上很难达到，于是s c o t tj m a c g r e g o r 提出在脉冲功率实验的回路中构造 t i m e f m 融 图128 外加扫描电压下s f 8 的绝缘恢复曲线 图1 29 外加扫描电压下空气的绝缘恢复曲线 扫描电压的设想。对电容储能型脉冲功率调制器而言，实验发现在主脉冲之后有较强的 后续振荡( 图1 2 1 0 ) ，合理利用这一振荡作 为扫除带电粒子的扫描电压具有重要的现实 意义。另一方面，如果脉冲形成线充电时间 较慢，随着开关电极两端电压的上升，这一 充电过程中对带电粒子也具有很好的清扫作 用，对油介质脉冲形成线而言，油电阻率低 的特点允许充电过程较慢( 数十微秒以上) ， 这是水介质脉冲形成线无法做到的，因此多 脉冲运行时，油介质脉冲功率调制器可望比 水介质脉冲功率调制器间隔更短。 ! ! 圭! ：! ! ；、；卜： 逝哑 ：i ： ： ! ：f ；一： ：m 口lp “妇l： _ ，f ! ! 图1 21 0 电容储能型脉冲功率调制器p f l 电压波 形 ( 5 ) 其他一些提高气体火花开关恢复速度的方法； 除上述方法外，国内外在一些具体的应用场合，还采用了其他一些办法，如改变负载 阻抗，控制充电方式等等。 由于开关的能耗与通过电流强度有关，当电流越大，开关击穿时电弧通道产生炙热气 体和带电粒子也就越多，开关截止后开关的恢复速度也就越慢。s c o t tj m a c g r e g o r 等人在 多脉冲实验中采用不同阻抗的负载以研究脉冲电流改变时开关的恢复曲线，实验结果如图 1 2 1 l 所示，随着负载阻抗的增大使得脉冲电流减小，开关的恢复速度得到增加，但主 要表现在1 0 0 m s 前，在1 0 0 m s 后，三条恢复曲线基本重合。 第8 页 lm扩ljb 国防科学技术大学研究生院学位论文 当充电时间较长时( 充电时间与脉冲间 隔可比拟) ，开关的恢复曲线与充电时电压 的上升曲线可能出现相交的情况，这也意味 着开关会提前击穿，采用通常的月c 充电方 式时，电压上升曲线向上凸出，增大了两种 曲线相交的可能性，这对开关的多脉冲运行 不利。罗敏等人在研制高功率大电荷量重复 i l 瓣随j 。l 蕊“1 嚣舞 = _ | ：霭嚣 一 繇 曩专蔓镕菇熟辫叶l 髓瓣l ：二；嚣：l “秘 ，二j i 2 i i2 l1 1 l：35 。 冀澜 暴“嚣l 黔一_ 酬一 娶摄十专萎= | m 7 鞭雏i 一辩“ 十戮r 。h i 蝌一苷 _ | p 一蠢制 频率气体开关过程中，采用了恒流充电的方 图1 2 1 1 电流对开霎嚣恢复曲线的影响 式( 如图1 2 1 2 所示) “”，使得电压随时间迅速升高，同时缩短充电时间，使得充电时电压 的上升曲线远离开关的恢复曲线，取得了工作电压1 0 0 k v ，峰值电流1 0 0 k a ，电荷传递量 o 1 5 c 脉冲，重复频率1 0 0 h z 的工作参数。 炙热气体对气体绝缘程度的影响本质 上是气体分子浓度对气体绝缘程度的影响， 若在开关击穿后充入气体，弥补高温带来的 分子浓度影响，则开关的恢复可望加快。 r k e n n e t l lh u t c h c r s o n 等人采用金属氢化 物作为电极材料实现了这一方法【1 7 j ，如图 1 2 1 3 所示，实验中采用氢气作为绝缘气体， 当气体火花开关击穿，开关电极表面的温度 升高，金属氢化物在加热的情况下释放出氢气 浓度得到弥补，在控制适当的情况下，高温 造成的气体浓度降低与气压增大引起的气体 浓度增大正好抵消，从而降低了炙热气体对 气体绝缘程度的影响，提高了气体火花开关 的多脉冲运行能力。 1 2 3 气体火花开关绝缘恢复特性研究状 况小结 自上世纪6 0 年代起，伴随着脉冲功率技 图1 21 2 充电方式与开关绝缘恢复时间的关系( u b ， s e l f - b 他a k d o w nv o i t a g e ：u w ：o p e 陀t i n gv o i t a g e ：0 怕s e r v e d 悖c o v e r yt i m eo fs w h ) 开关腔内压强增大，电弧通道的气体分子 s w 招 曲口，幻牙， 术的发展，气体火花开关的绝缘恢复特性就 围12 1 3 采用金属氢化物电极的气体火花开关 一直是国内外广为研究的课题之一。炙热气体和残余带电粒子是影响气体火花开关的绝缘 第9 页 。 国防科学技术大学研究生院学位论文 恢复特性的主要因素，两个影响因素的地位取决于气体火花开关的具体类型和工作参数。 炙热气体的影响实质是气体分子浓度的影响“1 ，通常情况下，炙热气体对低气压开关的影 响比对高气压开关的影响严重，对大电荷转移开关的影响比对小电荷转移开关的影响严 重。当充电很快时，带电粒子的影响较突出，而在充电较慢的情况下，带电粒子的浓度在 充电过程中被大量削弱，此时带电粒子的影响也就较弱，炙热气体就成为影响开关恢复的 主要因素。 提高开关的恢复速度有多种方法，通常采用的有：采用合适的绝缘气体、增大开关内 气压、吹气、在间隔时间内加扫描电压、控制充电曲线等方式，这些方法其目的都是加快 炙热气体和带电粒子的消逝速度或者降低二者