電極場(chǎng)畸變氣體開關(guān)擊穿特性研究

袁曉霞

（神華神東電力有限責(zé)任公司神東熱電公司）

0 引言

LTD的發(fā)展可以追溯到20世紀(jì)70年代，到目前為止，主要經(jīng)歷了三個(gè)發(fā)展階段，從20世紀(jì)70年代到90年代初，是LTD技術(shù)的初步應(yīng)用階段。俄羅斯強(qiáng)流電子學(xué)研究所（HCEI）的科學(xué)家G. A. Mesyats和B. M. Kovachuck就提出了作為初級(jí)儲(chǔ)能源的LTD技術(shù)。LTD技術(shù)發(fā)展逐漸成熟，初步形成系列化，標(biāo)準(zhǔn)化、集成化模塊，是在1995年到2000年這一階段。LTD模塊采用特殊結(jié)構(gòu)，將電容器和開關(guān)集成為一體，使整個(gè)裝置的結(jié)構(gòu)緊湊，回路電感大大減小[1]。2000年以來，LTD的技術(shù)優(yōu)勢(shì)不斷在工程實(shí)際中得以優(yōu)化，使LTD技術(shù)進(jìn)入了快速發(fā)展的階段[2]。從20世紀(jì)早期的LTD初級(jí)回路電感較大，輸出脈沖上升時(shí)間在1μs以上[3]，近十年來，模塊化FLTD技術(shù)取得了多項(xiàng)突破性進(jìn)展。在這一階段，俄、美兩國的研究人員相繼開發(fā)出快脈沖LTD模塊，成為LTD發(fā)展史上的一個(gè)里程碑。它特殊的電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)是其得以快速發(fā)展的有力保障[4]。LTD中采用并聯(lián)方式對(duì)電容器進(jìn)行充放電，不僅可以實(shí)現(xiàn)多臺(tái)串并聯(lián)，降低儲(chǔ)能電容器絕緣的要求，并且LTD向結(jié)構(gòu)更加緊湊、體積更小，回路電感更小趨勢(shì)發(fā)展，同時(shí)能量利用率也有了很大的提高。LTD作為脈沖功率裝置中的初級(jí)儲(chǔ)能裝置與Marx發(fā)生器相比，可以提供較短的脈沖輸出，可驅(qū)動(dòng)Z-pinch、二極管等負(fù)載。快脈沖LTD的技術(shù)優(yōu)勢(shì)主要是建立在性能優(yōu)良的電子器件和特殊的電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上的，器件方面則要求電容器有盡可能小的內(nèi)電感，而開關(guān)需要具備較低電感，較低抖動(dòng)及較低觸發(fā)閾值等性能[5]，初級(jí)放電開關(guān)是模塊化快前沿LTD中的重要器件之一，開關(guān)時(shí)間常數(shù)是代表開關(guān)主要性能的關(guān)鍵參數(shù)之一，它直接決定開關(guān)輸出脈沖的上升時(shí)間。開關(guān)時(shí)間常數(shù)是由開關(guān)電感、弧道電阻及驅(qū)動(dòng)阻抗共同決定的，因此要獲得快上升沿的電流脈沖，必須滿足開關(guān)回路的電感盡可能小。但是問題在于LTD中使用開關(guān)數(shù)量很多，為保證多個(gè)開關(guān)能夠同時(shí)動(dòng)作，要求使用的開關(guān)一致性好或者說開關(guān)的抖動(dòng)比較小[6]。綜上所述，影響開關(guān)的輸出電流脈沖上升沿、峰值的關(guān)鍵因素是開關(guān)的電感和抖動(dòng)，而開關(guān)是LTD裝置中的重要器件之一，所以減小開關(guān)的擊穿時(shí)延和抖動(dòng)、減小間隙導(dǎo)通的電感、降低預(yù)擊穿概率、延長開關(guān)壽命是保證LTD獲得快前沿脈沖和開關(guān)同步觸發(fā)的主要內(nèi)容。

氣體開關(guān)是脈沖功率裝置中的關(guān)鍵部件，在電路中起著隔離和接通電路的作用。近幾十年來，氣體開關(guān)技術(shù)發(fā)展迅速，種類繁多，應(yīng)用廣泛。常用的氣體開關(guān)有三電極間隙、場(chǎng)畸變間隙、激光間隙、多弧道間隙、介質(zhì)（比如液體、薄膜）間隙等[7]。氣體開關(guān)按間隙數(shù)目可分為單間隙、兩間隙和多間隙；按電極結(jié)構(gòu)可以分為同軸軸向型，同軸徑向型和軌道型。觸發(fā)開關(guān)最常見的構(gòu)形是場(chǎng)畸變火花間隙開關(guān)、激光觸發(fā)開關(guān)和三電極開關(guān)。按照氣體開關(guān)的觸發(fā)方式可以分為：電脈沖觸發(fā)、電子束觸發(fā)、激光觸發(fā)。而其中應(yīng)用最廣泛的是電脈沖觸發(fā)。場(chǎng)畸變開關(guān)憑借其使用操作方便、適用范圍廣泛的特點(diǎn)，一直是國內(nèi)外氣體開關(guān)研究領(lǐng)域的熱點(diǎn)。國外方面：俄、美、法等國家關(guān)于這方面的研究起步較早，發(fā)展較快，技術(shù)也相應(yīng)地更加成熟。國內(nèi)方面：西北核電所、中國工程物理研究院也一直致力于這方面的研究，并且取得了一定的成績[8]。

為了進(jìn)一步滿足LTD模塊的要求，本文所討論的氣體開關(guān)與電容器組成了一種緊湊型快脈沖放電單元，為了進(jìn)一步分析此開關(guān)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，靜態(tài)以及動(dòng)態(tài)觸發(fā)特性，本文主要模擬計(jì)算三電極場(chǎng)畸變氣體開關(guān)的靜電場(chǎng)分布以及觸發(fā)后的電場(chǎng)變化情況，并對(duì)結(jié)果進(jìn)行了分析。

1 開關(guān)結(jié)構(gòu)及電場(chǎng)仿真

1.1 開關(guān)結(jié)構(gòu)概述

根據(jù)LTD對(duì)開關(guān)的低電感，低抖動(dòng)的要求，本文中所研究的三電極場(chǎng)畸變開關(guān)與電容器組成了一種緊湊型快脈沖放電單元，減小了電容器與開關(guān)連接部分的電感，而且使整個(gè)裝置的結(jié)構(gòu)更加緊湊。

開關(guān)結(jié)構(gòu)如圖1所示。圖1中1為電容器引出電極板，直接蓋在電容器串聯(lián)組件端面并壓緊，通過直徑42mm長度8mm圓柱電極2引出到塑殼外，4為密封圈，3為電容器與開關(guān)和放電支路轉(zhuǎn)接電極，5為電容器側(cè)面充電電極，在殼體內(nèi)部與電極1連接，6為封裝塑殼。試制了電容器容量43nF、工作電壓70kV的電容器。圖2為與電容器一體化開關(guān)結(jié)構(gòu)，開關(guān)直徑為156mm，高度50mm，正負(fù)高壓電極間的氣體間隙大約為16.4mm。

圖1 電容器結(jié)構(gòu)

1.2 模擬計(jì)算三電極場(chǎng)畸變氣體開關(guān)的靜電場(chǎng) 分布

氣體擊穿理論說明，氣體間隙中的電場(chǎng)分布情況是影響氣體間隙擊穿的主要因素[14]。在分析開關(guān)的性能時(shí)，開關(guān)中的電場(chǎng)分布對(duì)開關(guān)的穩(wěn)定性和動(dòng)作延遲時(shí)間和抖動(dòng)都有著決定性的影響[12]。在開關(guān)開斷動(dòng)作的過程中，開關(guān)內(nèi)部的電場(chǎng)分布不斷在改變，因此使用電磁場(chǎng)仿真軟件Ansoft對(duì)開關(guān)進(jìn)行電場(chǎng)仿真對(duì)研究開關(guān)性能是非常必要的。

圖2 與電容器一體化開關(guān)結(jié)構(gòu)

當(dāng)開關(guān)上施加電壓為±60kV，開關(guān)未觸發(fā)時(shí)，靜電場(chǎng)模擬仿真的結(jié)果如下。未觸發(fā)時(shí)開關(guān)內(nèi)部的電位分布如圖3所示。未觸發(fā)時(shí)氣隙上的電場(chǎng)分布如圖4所示。

圖3 未觸發(fā)時(shí)開關(guān)內(nèi)部的電位分布

圖4 未觸發(fā)時(shí)氣隙上電場(chǎng)分布

開關(guān)的穩(wěn)定性主要表現(xiàn)在當(dāng)開關(guān)未觸發(fā)時(shí)，開關(guān)內(nèi)部的電場(chǎng)分布應(yīng)該盡量比較均勻，這樣可以減少開關(guān)誤動(dòng)作的幾率[12]。從上圖中可以看出，未加觸發(fā)電壓時(shí)，間隙中電場(chǎng)分布基本均勻，沒有出現(xiàn)電場(chǎng)畸變明顯的點(diǎn)。同時(shí)正負(fù)高壓電極間的氣隙最小場(chǎng)強(qiáng)出現(xiàn)在氣隙中間，且最小場(chǎng)強(qiáng)為51kV/cm。

1.3 模擬計(jì)算觸發(fā)后的電場(chǎng)分布

開關(guān)施加電壓為±60kV，觸發(fā)電極上施加電壓為50kV時(shí)的仿真計(jì)算結(jié)果如下。觸發(fā)時(shí)開關(guān)內(nèi)部的電位分布如圖5所示。觸發(fā)時(shí)氣隙上的電場(chǎng)分布如圖6所示。

圖5 觸發(fā)時(shí)開關(guān)內(nèi)部的電位分布

圖6 觸發(fā)時(shí)氣隙上的電場(chǎng)分布

從上圖可以看出，施加觸發(fā)電壓為50kV時(shí)，與觸發(fā)電極所加電壓極性相反的負(fù)高壓端處的氣隙上電場(chǎng)強(qiáng)度達(dá)到最大，此時(shí)最大電場(chǎng)強(qiáng)度出現(xiàn)在觸發(fā)盤的邊緣處，其值為150kV/cm。由此可以計(jì)算出開關(guān)的場(chǎng)畸變系數(shù)K。場(chǎng)畸變系數(shù)K是一個(gè)反映觸發(fā)前后場(chǎng)畸變開關(guān)氣體間隙的電場(chǎng)畸變程度的電氣參數(shù)，同時(shí)也是影響開關(guān)動(dòng)態(tài)性能—擊穿時(shí)延、抖動(dòng)的重要因素之一[11]。假定開關(guān)觸發(fā)電極處未觸發(fā)時(shí)電場(chǎng)強(qiáng)度為E1，觸發(fā)后的電場(chǎng)強(qiáng)度為E2，比值K=E2/E1稱為開關(guān)的場(chǎng)畸變系數(shù)。經(jīng)計(jì)算，此開關(guān)的場(chǎng)畸變系數(shù)K=2.94。

2 結(jié)束語

本文在總結(jié)國內(nèi)外研究的基礎(chǔ)上介紹了LTD開關(guān)的結(jié)構(gòu)，并對(duì)一種新型開關(guān)進(jìn)行了數(shù)值分析，總結(jié)起來可以得到以下結(jié)論：

1）此開關(guān)不同于LTD中常用的多級(jí)多通道氣體開關(guān)，它與電容器組成緊湊型快脈沖放電單元，使開關(guān)的尺寸大大減小，開關(guān)采用電觸發(fā)方式觸發(fā)。

2）通過對(duì)開關(guān)觸發(fā)導(dǎo)通前后內(nèi)部電場(chǎng)進(jìn)行仿真計(jì)算，得出觸發(fā)后開關(guān)氣體間隙的場(chǎng)畸變系數(shù)為2.94，對(duì)進(jìn)一步研究開關(guān)的性能有指導(dǎo)作用。

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