[本科毕业设计] 三电极气体开关放电特性研究_百度文库

1、1 毕业设计（论文）题 目 三电极气体开关放电特性研究院系班学生姓名 呼义翔学 号指导教师 李江涛（副教授）设计所在单位 高电压技术教研室2007 年 6月2摘 要开关是脉冲功率装置的关键部件之一，近年来开关技术向大功率、高重复率、长寿命方向发展，开关触发性能对开关性能的提高也十分重要，特别是需要时间精确并联的多路并联脉冲功率系统对开关同步性、触发时延和抖动等提出了更高的要求。三电极场畸变气体开关结构简单、操作维护方便、工作性能相对稳定，能够满足大多数场合的同步触发要求。本文介绍了场畸变气体开关的工作原理，并重点对自行设计完成的脉冲变压器和触发电路进行了分析，经实验，触发装置基本满足要求；针对

2、一具体三电极场畸变气体开关，利用自行设计的触发装置对其进行实验研究，研究了开关工作电压欠压比、气压、间隙距离等对该开关放电特性的影响，对实验结果进行了一定的理论分析。经过实验初步得出：开关的触发时延分别随气压、欠压比、间隙距离的增大而减小；开关时延抖动分别随气压和欠压比的增大而减小。关键词：触发时延，时延抖动，欠压比，触发，场畸变3ABSTRACTSwitches are key components in pulsed-power systems. Recently, with the exception of aiming at high current, high repetition

3、rate and long life, another important developing target of the switch technique improving the triggering performance is also essential, especially in the field demanding precise time correlation such as multi-trigger connected in parallel systems, which has higher demands for their trigger delay and

4、 jitter. Field distortion switch of three- electrodes has some excellent characteristics such as simple structure, convenient maintenance and stable operating performance, so that it suits to most synchronous trigger demands for time precision.In this paper the principle of field distortion switch i

5、s introduced, at the same time the designs of the pulse transformer and trigger circuit are analyzed emphatically. Through testing the trigger devices can meet basic requirements perfectly. An idiographic field distortion switch of three-electrodes is researched by using the trigger devices of self-

6、design analyzed above. The affection on the switch discharge characteristics causing by under-voltage ratio, air pressure and gap distance is studied respectively and the experimental results are analyzed theoretically.The experimental results show that the larger the value of the under-voltage rati

7、o, air pressure and gap distance, the shorter the time delay is. And the larger the value of the under-voltage ratio and air pressure, the shorter the delay jitter is.Key words: trigger delay, delay jitter, under-voltage ratio, trigger, field distortion4目 录摘 要.1ABSTRACT.3目 录.4第一章 绪论.11.1 三电极场畸变气体开关的

8、用途和特点.11.2 三电极场畸变气体开关研究现状.21.3 本文工作的意义及目的.21.4 本文工作的主要内容及目标.2第二章 气体开关基本理论.42.1 气体开关击穿过程分析.42.2 开关的击穿电压、击穿时延及抖动.62.3 电压崩溃阶段分析.82.4 三电极场畸变气体开关原理.112.5 本章小结.15第三章 触发电路的设计.163.1 触发电路原理.163.2 脉冲变压器的设计.183.3 次级触发原理.233.4 本章小结.25第四章 三电极场畸变气体开关放电特性.264.1 开关静态特性.264.2 触发性能研究.264.3 本章小结.33第五章 结论.34致 谢.35参考文献.

9、36附 录.381第一章 绪论综述了三电极场畸变气体开关的用途和特点，重点总结了三电极场畸变气体开关的国内外研究现状，进而提出本文研究的内容和目标。1.1 三电极场畸变气体开关的用途和特点开关是脉冲功率技术的基础，也是脉冲功率技术研究的重点和优先发展对象。具有耐受电压高、导电电流大、击穿时延短、抖动小、电感和电阻小、电极烧蚀小等不同性能的各类型开关是脉冲功率技术中的重要研究内容1。按照不同的方式划分，闭合开关可分为多种不同的类型。例如，按照开关内部绝缘介质不同，开关可以分为气体开关、液体开关、固体开关三种类型。按照开关的导通方式来说，自身过电压导通和外触发导通开关，其触发导通方式按照触发源不同

10、，又可分为激光触发、紫外线照射、电弧照射及电触发（包括级联导通、触发管、场畸变触发）。这些类型的开关分别满足脉冲功率装置对开关的不同需要。例如，在脉冲功率装置中脉冲压缩环节使用的闭合开关和初级脉冲的形成所使用的开关就有很大不同。首先，前者承受脉冲电压幅值通常比后者高出约两个数量级，传输电荷量约高出一个数量级；其次，后者承受直流电压，电流持续时间为微秒数量级，而前者承受的是脉冲高压，放电电流持续时间为几十到100ns 的2。不同结构的三电极场畸变气体开关在触发时延、抖动、预击穿概率、火花通道电感、上升时间、使用寿命等方面有所不同，可应用到不同的脉冲功率装置中，例如，Marx 发生器和直线型变压器

11、驱动源（LTD ）是脉冲功率技术中最重要的两种初级储能电源。Marx 发生器触发的基本要求是尽可能降低发生器建立时间的抖动，LTD 所有开关都要求同步触发击穿。同两电极开关相比较，三电极场畸变气体开关具有可控性，在开关抖动、火花通道电感、火花通道电阻、上升时间等方面的性能都有所提高。21.2 三电极场畸变气体开关研究现状长期以来，人们对多种开关结构、电极材料、触发方式和气体种类等对场畸变气体开关特性的影响进行了深入研究，为了降低电弧对电极材料的烧蚀同时减小火花通道电感、电阻，自上个世纪90年代以来，国际上一直在研究多通道气体开关。通过研究，基本掌握了：陡前沿触发脉冲有利于多通道放电的形成；电极

12、结构的优化可保证开关放电时相邻火花通道彼此隔离，以利于形成多通道放电；触发电极的结构与材料影响开关的触发及间隙多通道的形成等等。在此基础上，俄罗斯、美国研制了多种结构和触发方式新颖、工作电压等级100 kV6 MV 的多级多通道气体开关。在国内，西北核技术研究所与西安交通大学联合研制了中间电极采用不锈钢弹簧、触发电极位于放电通道之外同轴状气体开关，可以形成23通道的放电，但放电通道不稳定。尽管国内外已经研制出多通道放电的气体开关，但在多通道放电理论方面却研究很少。过去的研究主要侧重于开关技术，而对于纳秒脉冲触发放电机理、流注通道的形成规律及通道相互作用等却研究很少，迄今为止，未能掌握纳秒脉冲波

13、形对形成多通道放电的影响规律，也未能掌握开关电场分布对放电通道的影响规律。因此，如何通过控制触发脉冲等参数使得场畸变气体开关形成多通道放电，以及如何进一步增加放电通道是目前气体开关的一个重要研究方向。1.3 本文工作的意义及目的本文主要针对目前应用最广泛的三电极场畸变气体开关，研究其放电特性（触发时延、抖动、多通道放电的形成及影响因素等），为后续研究纳秒脉冲下间隙放电过程、脉冲波形对放电通道的影响以及电极结构对放电通道的影响规律，从而掌握纳秒触发脉冲下开关间隙的放电机理，由此掌握开关间隙形成多通道放电的影响因素奠定一定的基础。1.4 本文工作的主要内容及目标在充分理解吸收现有资料，获得气体开关

14、放电理论知识的基础上，在选定具体的三电极场畸变气体开关的前提下，对其放电特性进行了一定的研究，最终希3望对三电极场畸变气体开关的放电特性规律有所总结，因此本文工作的内容主要为：1、脉冲变压器的设计2、触发电路的设计3、实验研究气压、欠压比、间隙距离等因素对开关放电特性的影响4、对实验结果进行分析，得出结论4第二章 气体开关基本理论气体放电理论至今尚未成熟，现今一般用汤逊气体放电理论和流注放电理论3来解释。汤逊理论适用于pd （气压和电极间距离乘积）值较小的范围，工程上感兴趣的气压较高的气体击穿一般用流注理论来解释。气体开关的放电过程通常可分为“气体击穿”和“电压崩溃”两个阶段4。“气体击穿”阶

15、段是指：在电场作用下，有效初始电子产生，形成电子雪崩并过渡到流注，流注发展贯穿气体间隙，在两个电极间建立起一条弱电离通道。这一过程决定了开关的击穿电压和放电时延；“电压崩溃”阶段是指：气体击穿后，放电通道在放电电流焦耳加热作用下，放电通道温度及电离率急剧增加及膨胀，通道电阻迅速下降，导致气体间隙两端电压迅速下降，此即所谓的电压崩溃（collapse ）2.1 气体开关击穿过程分析描述气体开关击穿过程最有效的理论是流注理论，这一理论的特点在于认为碰撞电离及空间光电离是维持自持放电的重要因素，并强调空间电荷对电场的畸变作用。自然空气由于来自宇宙射线和地中及大气中放射性物质的作用，通常存在少量的带电

16、质点，他们平均热运动能量约为10-2eV 量级，这个能量相对于气体分子振动、电子能级跃迁能和电离能而言都小得多，不会引起放电，但可为电场作用下气体放电发展提供初始电子。5 子将有一个确定的概率通过势垒，从而形成阴极表面电子发射，它对气体放电起始也有重要影响。初始电子也可通过外部触发的方式获得，如紫外线照射、激光电离、电弧电离、放射性元素衰变辐射等均可快速产生初始电子。现代的开关一般都采用触发技术，在两个开关主电极中间或者阴极主电极中间加一触发电极，利用触发脉冲信号形成很高的过电压，引起强场发射或者直接形成电弧放电，快速产生初始电子，帮助气体间隙击穿。在电场作用下，电子向阳极方向加速运动，动能增

17、加。同时，电子在其运动过程中不断和气体分子碰撞。当电场很强，电子动能达到足够数值后，就能引起碰撞电离。分子电离后新产生的电子和原电子一起又将从电场获得动能，继续引起电离。这样就会因为连锁反应，电子数目激增，形成电子崩，放电电流也随之迅速增加。由于电子的迁移速率要比正离子的大两个数量级，因此在电子崩发展过程中，正离子相对于电子来说可看成是静止的。同时由于电子的扩散用，电子崩在其发展过程中半径逐渐增大。这样电子崩中出现了大量的空间电荷，崩头最前面集中着电子，其后直到尾部则是正离子，形成球头状的锥体，如图2-1所示。 图2-1电子崩形成示意图随着电子崩的发展，电子崩中的电子数n 是按n =e x 指

18、数增加的，因此电子崩的电离过程集中于崩头部，空间电荷的分布也是极不均匀的。当电子崩发展到足够程度后，空间电荷将使电场分布明显畸变，大大加强了崩头及崩尾的电场而6削弱了电子崩内部的电场，如图2-2所示。 图2-2空间电荷影响下的空间电场电子崩发展过程中，如果外电场以及空间电荷的电场足够强，电子崩将放射出大量光子，这些光子引起空间光电离，新形成的光电子又激烈地造成了新的电子崩，称为二次电子崩。二次电子崩中的电子进入主电子崩头部的正空间电荷区，由于这里电场强度比较小，电子大多形成负离子。大量的正、负带电质点构成了等离子体，就是流注。流注在电场作用下继续发展，继而贯通整个间隙，击穿完成。2.2 开关的

19、击穿电压、击穿时延及抖动理论上，一旦形成流注，放电可以由本身产生的空间光电离而自行维持，转入自持放电，因此流注形成条件就是自持放电条件，在均匀电场中也就是导致击穿的条件。但是在工程实践中，很难从微观角度进行分析判断，目前，击穿电压的计算常采用一些经验或者半经验公式，在均匀电场下，给出了空气和纯六氟化硫气体介质的击穿电压公式5： b U =24.22pd + (air (2-1b U =88.5pd +0.5 (SF6 (2-27每个气体间隙都有它的最低静态击穿电压，即长时间作用在间隙上能使间隙击穿的最小电压。所以，欲使间隙击穿，外加电压必须不小于这个静态击穿电压。对于触发脉冲信号作用下的气体开

20、关来说，当对静态击穿电压为U 0的间隙施加冲击电压时，经t 0时间电压上升到U 0，但间隙并不立即击穿，而是需要再经过t l 时间后完成击穿，如图2-3所示。 图2-3放电时间的各组成部分开关的击穿时延T d 由三部分组成：1、升压时间t 0电压从零升到击穿电压U 0所需的时间。2、统计时延t s 从电压达到U 0的时刻到间隙内部产生第一个有效初始电子为止经过的时间。3、形成时延t f 从形成第一个有效初始电子的时刻到间隙完全击穿经过的时间。这里说的第一个有效初始电子是指该电子能发展一系列的电离过程，最后导致间隙完全击穿的那个电子，因为间隙中出现的每个自由电子都可能引起击穿。由于初始电子的产生

21、服从概率分布，统计时延的长短具有统计性质，通常取其平均值来考虑，称为平均统计时延。显然， 有T d = t0+ ts + tf ，其中t s + tf 称为放电时延t l ，为了减小升压时间t 0，总希望触发信号的上升前沿尽可能的快。平均统计时延与电压、电场、外界照射都有关系，一般电压越高，电场越强，则t s 越小，通过紫外线、激光或者放射性元素源照射间隙，也可以得到较小的t s 。8在场畸变开关中，触发时延同自击穿时延相比有一定的不同，在场畸变开关中，通过施加快速的触发脉冲，间隙的内部由较均匀的电场分布状态迅速转到极不均匀的电场分布状态，在此过程中即使间隙间的电压未达到自击穿电压，但由于电场

22、的畸变，可能产生出有效初始电子，从而减小平均统计时延，这样便可以大大缩短触发时延时间。放电形成时延t f 主要与气体间隙的E/P值有关，由于间隙中电子雪崩的发展快慢决定于电子碰撞电离系数, 而随E/P的增大而指数增大。当外加电压相同时，气压越小越大，电子雪崩发展到满足流注形成的条件所需要的时间也就越短，即放电时延也就越小。在短间隙中（1cm以下），特别是电场比较均匀时，t f 远小于t s ，这是全部放电时延基本上等于统计时延。因此，对于实际应用中电场比较均匀的气体开关，主要通过减小统计时延来降低击穿时延。抖动用来表征开关放电的分散性，其值为开关击穿时延的标准偏差： j t = （2-3）其中

23、，d T 为N 次击穿时延的平均， d i Nd i=11T =TN 从上面对开关的击穿时延的分析结果来看，由于击穿时延的各个组成部分在多次放电时本身存在差异，它们的累加就构成了整个击穿时延的分散性，因此减小开关的抖动主要从t 0、ts 、tf 三个方面来考虑。统计时延t s 和形成时延t f 的分散性主要与开关结构、工作条件及触发器性能等都有关系。2.3 电压崩溃阶段分析对于气体开关而言，击穿前是一个充满绝缘介质的隔离间隙，可等效为一个电容；开关击穿后，隔离的间隙被放电电弧连接，此时开关可等效为一个变化不大的电感和一个可变电阻对电容的旁路，其 电路示意图2-4，a 、b 之间为开关的等效电路

24、元件，C gap 是气体间隙的等效电容；K是理想开关，它在流注通道贯穿整个间隙瞬间闭合；R s 和L s 分别是火花通道的电阻和电感。9 LsK 图2-4气体开关的等效电路模型火花电阻在放电过程中是不断变化的，他在放电发展初始阶段较高，在放电回路电流很大时则较低，当能量消耗殆尽时又恢复较高的阻值。人们已经建立了许多模型来描述Rs(t随时间的迅速下降过程。在这些模型中，基本上都是以火花通道的能量守恒作为出发点，即放电电流的焦耳加热除了增加火花通道的内能外，还提供通道膨胀、热传导及辐射所损失的能量。据此得到的火花通道时变电阻如下所示6：( s d R t = （2-4）式中，R 为火花通道电阻，单

25、位为；p 为气体间隙的气压，单位为0.1MPa ；d 为气体间隙距离，单位cm ；i 为火花通道电流，单位A ；a 为通道电阻系数，对于空气和氮气a =0.1MPa·cm2 /s·v2.从式中可以看出，火花通道电阻是随时间变化的，增大开关间隙和气体压力都会增加火花电阻，增大通道电阻系数有利于减小火花电阻。对于场畸变气体开关而言，火花电阻可以通过下试计算得到7：-12p1p1p2p2i iR =2T 4p +ln ln C i i （2-5）其中T 为开关击穿后电流波的振荡周期；C为放电回路的等效电容；ip1、i p2分别为电流波的第一、二个峰值。由于电子雪崩的形成和发展具有

26、统计性，所以火花通道是曲折并带有分枝的，再加之一些其它因素，使得火花通道具有一定的电感，即火花电感。精确计算火花通道电感Ls 比较困难，一种简便的处理方法是将电流通道近似等效为内、外径分别为r c 、r 0的传输线8。 图2-5气体开关火花通道示意图这样，火花间隙通道电感可表示为：00s c U r L =d ln( 2p r （2-6）由于火花通道通常很细（10-4m 量级），相对于r0（一般为0.1m）而言小得多，而且自然对数变化慢，自然对数ln1037，火花电感近似为Ls d×2×7=14d（nH），Z0为电极波阻抗。对于场畸变气体开关而言，火花电感可以通过下试计算得

27、到7：-122p1p2i TL =4p +ln C i （2-7）其中参数同火花电阻公式中相同。在外电路确定的条件下，开关电流上升的速度取决于放电通道的电气等效参数：电阻和电感。放电通道电流提供的焦耳热，不但增加了通道中载流子的数目，并且引起流注通道扩张，增大了通道的截面积，使得放电通道的电阻率和电阻值迅速减小，有使回路电流增大的效果；而放电通道的电感对电流的增大有阻碍作用。11同两电极气体开关相比，场畸变气体开关放电时可以形成多个电流通道，从而可以减小开关的火花电阻和火花电感，有利于缩短电流上升时间。2.4 三电极场畸变气体开关原理常用的气体火花间隙大多是三电极的，除了两个主电极之外，还有一

28、个触发电极，以便指令控制，获得较好的时间关联工作性能。除了电脉冲触发之外，有的气体火花开关还利用激光、X 光、电子束、紫外线等进行触发，本实验所采用的是电脉冲触发。间隙内部最大场强与其平均场强的比值从1或者接近1的状态迅速向远大于1的状态转变时，即使内部的平均场强保持不变，其击穿电压也会明显下降。采用电压脉冲迅速提高间隙内电场的不均匀程度，从而到达间隙指令击穿的开关，称之为电触发场畸变开关。采用电触发的火花间隙开关已经有大量成熟的设计方案，主要分为两大类：一类为同轴式结构，另一类为轨形结构。同轴式结构中，按照放电通道与其轴线的关系又可分为轴向放电开关和径向放电开关，本实验选用的是一种轴向放电的

29、同轴式开关，开关结构和电极形状见图2-6所示, 开关主要由外壳、触发盘、电极、电极座以及气嘴等组成。开关的外壳由两个相同环氧树脂筒通过尼龙螺栓固定而成。触发盘位于开关的中间, 与两个电极间的距离相等, 盘中间开有圆孔使火花通过, 触发盘边缘考虑到耐烧蚀性和提高场畸变系数11，12, 厚度为0. 4 mm。开关电极通过螺纹连接固定在极板上，可以通过旋转螺纹上下移动，实现调整间距的功能。电极直径为60.5mm ，电极头部为球冠，球半径约为200mm 。电极间距调整范围020 mm ,最高工作电压大于200 kV ,开关外壳最大承受气压大于0. 4 MPa。12 图2-6开关结构实物图 图2-7触发

30、间隙示意图图2-7为主电极的示意图（1表示高压电极、2表示地电极），C 为薄圆盘形的触发电极，其边缘为圆形，沿主电极之间面向平行排布。把触发电极准确地固定在两主电极的正中。触发电极预置电压取决于外电路，适用U c = +U/2，其中U 是主电极上所加的操作电压，U c 为触发电极上的电压。也就是说，触发电极置于+U/2等电位的位置。在触发脉冲到达之前, 要求开关内电场与电极之间的电场要尽量分布均匀, 同时要求触发盘对电场分布的影响小, 这样有助于提高开关稳定性, 减小开关误动作的几率13，14 ，但对于实际的厚度来说，电场分布会畸变，13触发电极边缘的电场会加强。 图2-8电极间电位分布假设触

31、发电极上的电位 U c 突然降低到0，如图2-8（a ）所示，电场分布会急剧变化。示意图中电极间的线为等电位线，数值为其电位。 这样，整个电压U 就加到了间隙a 上，其中的电场强度E a 随间隙a 上电压的增大而增加。然而， 触发电极边缘的电场强度 E c 受一更大因素的影响而增大，因为这一区域有不同的更强的场域。后者的电场强度可以用下列公式来估算14:(-1C C a aE =U l 0.3l /r+0.65 (2-8 其中r 是触发电极边缘的曲率半径，依据(2-8举例有：l a =lb =5mm,r=0.5mm则有：E c 7.3U ；如果电压U =50 kV，那么电场强度为365 kV/

32、cm ，可以超过其在气压小于0.3 MPa时的击穿场强。 发现用显微镜才可以观察到的金属表面的小毛刺可以使E c 增强10100倍。如果触发电极的极性突然翻转，例如给触发电极上加U /2的电压(图2-8.c 所示 ，那么加到a 间隙上的电压变为1.5U 。结果会使得E a 增加为原来的3倍，E c 受间隙间等电位线分布畸变的影响而根据(2-8可知E c = 365 × 1.5 = 547 kV/cm.，加之毛刺的影响，实际电场强度至少为由(2-8所得出的十倍，至少超过106 V/cm如果加到a 间隙的电压U a 超过其自击穿电压U ca ，则由于E c 很高，局放电流开始从触发电极的

33、边缘流动，毛刺电晕，雪崩，流注开始迅速发展，到主电极1的放电通道很快形成。a 间隙在延迟t a 时间后便击穿，t a 是从触发电极上的电压变化瞬间开始计时的。一部分毛刺被破坏的同时另外又会形成毛刺。当触发电极上电压的翻转，t a 会降低，因为加到a 间隙上的电压变为原来的1.5倍之高，而平均电场强度E = U a /la ，其中l a 为间隙a 的距离。14当间隙a 击穿后，电压U 全部加到了b 上。U 超过了间隙b 的击穿电压，加之a 间隙放电的光照射作用，间隙b 很快就会被击穿，同触发电极上电压变为U /2考虑不同，间隙b 击穿时间更短。这主要同以下事实有关：此时a 间隙中已经形成一个或者

34、多个放电通道，这些放电都是由于在t a 时间里触发电极和电极2之间的电压变为U /2从而使触发电极在b 间隙的边缘处开始放电引起的。当a 间隙击穿后，触发电极上的电压由原来的U /2 变为 +U ，这样可以加速b 中的放电结束。规律显示：在某种条件下，b 中的放电通道可以在a 击穿的同时或者更早时间内短路间隙14。本实验选择的是产生一负的脉冲信号，幅值为工作电压的二分之一，使得触发电极电位突变为零，如图2-8（a ）所示电位变化。三电极场畸变气体开关的参数主要有：静态击穿电压、火花电感、火花电阻、上升时间、触发时延、时延抖动等，这里就触发时延和时延抖动给出定义，其余的在第二章节中已给出，这里就

35、不再赘述。触发时延（t d ）表示的是触发信号作用于触发电极后到开关击穿经过的时间长度的物理量，定义为作用在触发电极上电压脉冲峰值时刻到开关击穿形成电流脉冲幅值10%的时刻所经历的时间，如图2-9所示， 图2-9触发时延示意图时延抖动用来表征开关触发放电时延的分散性，其值为触发击穿时延的标准偏差：15 j t = （2-9） 其中，d t 为N 次触发时延的平均值，N d di i =11t =tN 2.5 本章小结本章对气体开关放电理论进行了全面总结，重点利用经典气体放电理论汤逊和流注放电理论对气体开关击穿过程进行了全面而细致的分析，从有效初始电子的产生，到碰撞电离与一次电子崩的形成，再到光

36、电离与流注的形成了气体开关放电的不同阶段，对开关的击穿电压、击穿时延及抖动给予了详细定义，同时对开关火化电阻和火化电感给出了严格的公式推倒，同时对实验所用三电极场畸变气体开关结构尺寸、材料等进行了详细描述，并对三电极场畸变气体开关工作原理进行了较为细致的分析，给出了影响畸变气体开关性能的一些参数以及触发时延、时延抖动等参数的严格定义，为对三电极开关放电特性的研究奠定了良好基础。16第三章 触发电路的设计3.1 触发电路原理 图3-1触发电路图如图3-1所示，+U为工作电压；K 1为主电极间隙，R 2为保护电阻，防止开关导通后电弧电流过大烧蚀电极表面，影响开关寿命；两个R 构成电阻分压器钳制A

37、点电位，使其在未触发情况下电位始终为+U/2，即触发电极电位为+U /2，为了减小电源的负载，要求R 的阻值足够大；C 1为隔离电容，使得A 点电位同触发回路隔离；K 2为一间隙距离可调的触发间隙；C 2为一储能电容，通过直流电压充电，在触发间隙导通瞬间释放储能；R 4、R 1分别为波头、波尾电阻，可以适当改变触发间隙动作后所产生的脉冲波形；间隙触发信号由脉冲变压器构成的次级触发电路提供（见3.3节）在工作电压U 确定的情况下（由欠压比K 和开关自击穿电压U 0决定，即U =K U0），通过调整触发间隙K 2的间距，使得U x 电压恰为其自击穿电压的90%，保持触发间隙距离不变，通过R 3对C

38、 2充以U x 电压，通过次级触发电路的动作， K 2击穿产生幅值为U x 的脉冲。其中U x 可正可负，但幅值受到球径大小的限制不17可能无限增大，否则不确定度会超出允许范围。幅值为U x 的脉冲通过隔离电容C 2后同原触发电极电位U/2叠加，电位突变为U x + U/2，从而实现电场畸变。 图3-2触发电极电位变化等效电路如图3-2所示，电容C a 、C b 为触发电极的杂散电容，包括连接触发电极 和隔离电容C 1以及两个电阻R 之间导线的杂散电容。当脉冲信号产生后，首先通过隔离电容，图3-3为一脉冲通过隔离电容前后脉冲变化情况，其中A 波形为通过隔离电容前波形，B 波形为通过隔离电容后波

39、形，发现波头会被拉长，幅值也有所下降，但是不是很明显，从后续的触发延迟测量结果来看，对测量结果的影响可以忽略不计。当脉冲通过隔离电容，到达触发电极时，由于杂散电容的存在，触发电极上的电位不会即刻由原来的U/2变为U/2+Ux，而是需要经过rC a 和rC b 的时间，其中r 为回路电阻，C a 和C b 的电荷交换速率自然地受到电流波前沿陡度的影响，r 、 C a 、C b 越小，则相对于主电极高压侧，触发电极上的电压达到U/2+Ux 的时间就越短。18 图3-3隔离电容两侧波形（A 为通过电容前波形，B 为通过电容后波形）由图3-1所示电路可知，最终触发脉冲由间隙K 2产生，由于间隙的击穿存

40、在一定的不确定度，为了减小这一不确定度，我们采取如下方法：当工作电压为U 时，则所需触发脉冲幅值在实验中为-U/2，为使其在次级脉冲作用下可靠触发，我们选择间隙自击穿电压幅值的90%恰为-U/2，即欠压比为0.9，在这种情况下，抖动比较小11,12 ，可以保证所需的脉冲幅值。R 4、R 1分别为波头、波尾电阻，当增大R 4则波头拉长，增大R 1则波尾拉长，如此可以在一定范围内调整波形。3.2 脉冲变压器的设计根据现有研究，三电极场畸变开关的触发前沿陡度大多为纳秒量级，据此我们希望通过脉冲变压器产生初级脉冲，用以点火空气间隙，实现二级点火，从而产生较高幅值和较快前沿的触发脉冲。脉冲变压器的设计包

41、括变压器结构、铁心材料、绝缘方式的选取，绕组线径、匝数、铁心尺寸和绝缘距离的确定等，针对间隙触发作用的脉冲变压器要求满足如下要求：191、输出脉冲的波形畸变不允许超过规定的值；2、变压器温升不应超过规定的值，具有足够的抗电强度和可靠性；3、漏感和分布电容在脉冲变压器中起着决定性的作用，因此要求这两个参数尽量小。4、具有较高的效率，变比要求较大。初步设计要求：a 输入电压U i =400V；b 输出电压U 0=20KV；c 脉宽t k 0.5s ；d 功率P 100W ；本实验主要研究空气间隙距离小于1cm ，气压不超过0.25MPa 情况下的场畸变开关放电情况，空气间隙1cm ，气压为0.25

42、MPa 时的自击穿电压约60KV ，则所需二级输出脉冲幅值最高不超过为40KV ，一级触发需要不超30KV ，则单个脉冲变压器的输出有20KV 足以满足其要求，加之在初级触发电路的设计中输出脉冲为两脉冲变压器一次侧并联，二次侧串联而得，幅值会更高。因此设计要求U 0=20KV；对于间隙击穿而言，击穿时延一般为纳秒量级，对于脉宽为0.5s 足以保证点火间隙的可靠击穿。功率P 为一估算值，估算公式为：20k 1CU P t （3-1）其中C 为触发极同间隙两电极之间的等效电容，皮法量级；t k 为脉冲宽度，微秒量级；脉冲变压器结构主要有同轴圆筒式绕组结构、饼式绕组结构和锥形绕组结构。同轴圆筒式绕组

43、结构漏感比较小、结构简单、加工方便，脉冲电压可达数百千伏，脉冲功率可达数百兆瓦，是最常用的一种结构；饼式绕组结构是把脉冲变压器的绕组分成好多段，每段都用宽而薄的扁线或者铜箔绕制，各段可以有不同的连接方式，具有高的输出电压和功率；锥形结构的主要特点是绝缘距离和绕组间或者层间电压成比例，整个线圈成锥形。综合考虑，我们所需的脉冲变压器主20 要是需要电压信号，功率并不大，但需要较大的变比，输出脉冲电压需达到几十千伏，即绝缘距离是主要问题，所以同轴圆筒式绕组结构和锥形绕组结构比较适合，考虑到锥形结构要求工艺比较高，综合考虑最终选择同轴圆筒式绕组结构。一次侧利用薄铜皮绕制（仅一圈），铜皮与铁心之间用聚四

44、氟乙烯隔开；二次侧直接绕于固定于一次侧上的尼龙骨架上，二次侧仅一层，所以不存在层间绝缘问题；一次侧采用铜皮、整个设计的紧凑型结构以及二次侧仅一层的设计均有利于脉冲变压器漏感的减小。脉冲变压器对铁心的材料要求比较高，最主要的有以下几点：1、在前沿很陡的窄脉冲作用下，磁感应增量的变化率很高，在铁心中将感生强烈的涡流，引起显著的损耗。为了降低这种损耗，确保在窄脉冲情况下能得到高的有效脉冲磁导率，希望铁心材料的电阻率越高越好。2、对于不加去磁磁场的脉冲变压器来说，铁心工作在极限磁滞回环上，为了能有较高的B 值，铁心材料的饱和磁感应强度越高越好，剩余磁感应强度越高越好。3、对于外加去此磁场的脉冲变压器来

45、说，希望矫顽磁力要小，矩形系数要大，饱和磁感应强度要高。4、为了降低脉冲变压器的温升，希望铁心材料的损耗越小越好。5、铁心材料应当具有较好的温度稳定性及较低辐射特性等。最常见的脉冲变压器铁心材料有：电工钢、软磁合金、软磁铁氧体、非金态合金等。考虑到本实验所需脉冲变压器功率比较小，变比比较大，具有可重复性要求的特点，选择铁氧体材料，其特点是工艺性好、电阻率高、在脉冲宽度小于1s 情况下，铁氧体的有效磁导率要比普通冷轧钢高出近十倍，但铁氧体饱和磁感应强度比较低，所以后续电路设计时需要考虑采取一定的去磁措施。具体参数如下：表3-1所选铁氧体材料参数 牌号 B m r c (A/mBr (A/m r2

46、1根据经验粗略地讲，当脉冲宽度大于1015s 时，绝缘材料材料的性能和工频电压时相同。当脉冲宽度为1s 左右时，绝缘材料材料的抗电强度大约为工频时高两倍。在脉宽为110s 的范围内，随着脉冲宽度的增长，绝缘材料的抗电强度成比例的下降15。本次实验脉冲变压器的一次侧采用聚四氟乙烯，厚度为0.5mm ，工频耐压为千伏量级，对于脉宽0.5s ，幅值为400V 的脉冲电压具有很大的绝缘裕度。紧贴一次侧固定有壁厚d 为3mm 的尼龙骨架，如图3-4所示。其中e 为10mm ，用于绕二次绕组；c 为2mm ，便于二次绕线的排布，防止脱乱；f 为13mm ，增大一次侧和二次侧之间的延面距离，防止滑闪；a 为

47、5mm 。 图3-4骨架结构根据导线电流和允许电流密度来确定导线的截面积。根据经验，在干式脉冲变压器时，多层绕组时电流密度J =35A/mm2; 单层绕组时J =46A/mm2;当采用圆柱形导线时，可以按照以下经验式计算导线线径15： d = （mm ） （3-2）在后续电路设计中，采用了储能元件的充电电流I CHe 及铁心的去磁电流I Q 都流过初级绕组的结构，则等值初级电流为： D Z I （A ） （3-3）考虑到引线功率结合实际经验，最终选取一次侧引线为0.8mm 的漆包线，二次侧绕组线为0.4mm 的漆包线。22本实验所需脉冲变压器对尺寸没有严格要求，所以选择了口子形结构，易于组装，

48、加工骨架，同时中间可以留有一定的气隙，不需要考虑饱和问题。如图3-5所示为最终设计完成脉冲变压器，一次侧匝数为1匝，二次侧为55匝。测试结果如图3-6所示，A 波形为输入脉冲，幅值350V ，B 波形为输出脉冲，幅值18KV ，变比N 51；脉宽大约为0.5s ；多次实验未发现绝缘问题；基本符合预想设计要求。 图3-5单个脉冲变压器23 图3-6脉冲变压器测试结果（A 为输入波形，B 为输出波形）3.3 次级触发原理 图3-7次级触发电路次级触发电路用于产生触发信号，作用于图3-1中的K 2间隙。基本原理如图3-7所示，通过倍压电路对储能电容充电，当储能电容电压达到放电管自击穿电压时，放电管导

49、通，储能电容对脉冲变压器一次侧放电，产生初级脉冲；两脉冲变压器一次侧并联二次侧串联，从而实现输出幅值叠加的目的。在此过程中，为了能够使得两脉冲变压器输出峰值叠加，必须满足两变压器输出波形近似一致，这就要求在设计时做到两变压器参数近乎一致，在选择外围电路参数和布线24时能够尽量做到一致。另外考虑到变压器铁心磁化问题，特意采用储能电容和脉冲变压器一次侧串联的设计，这样使得储能电容在充电过程中对铁心进行磁化，而放电过程中对铁心进行退磁，从而保证了较大的磁感应增量，有利于变压器的性能提高。本实验所用的图3-7所示电路属于不可控电路，虽然可以满足对间隙K 2的触发，但是其每次触发电压幅值不可调，同时可控性较差，但已可以满足实验需要。对于更为复杂的实验可以选用图3-8所示电路，用两个Mos 管替代放电管，从而弥补图3-7所示电路的不足，但其需要Mos 管控制电路，这里不再详述。 图3-8 Mos 管控制的次级触发电路脉冲变压器串接的目的在于使其输出比单个变压器幅值更高的脉冲，就此需要两脉冲输出波形尽量一致，特别是