环保型高压真空开关电流开断基础

针对“双碳”战略下绿色环保开关设备的发展需求,“真空灭弧+洁净空气”绝缘方案对于开关设备的SF_(6)替代目标而言是一种彻底的解决方案。对于真空开关向更高电压等级发展面临的关键问题进行全面分析,重点阐述真空开关在高电压大电流下的开断问题。基于真空电弧的基础理论,将弧后介质恢复过程分为残余等离子体消散阶段、金属蒸气恢复阶段、金属液滴与熔融触头表面恢复阶段,并对比分析3个阶段下真空灭弧室电极间隙的恢复特性。针对环保型真空开关向更高电压等级发展的需求,总结归纳真空灭弧室在绝缘设计、电弧控制、X射线辐射、载流发热方面的关键问题,阐述洁净空气绝缘在实际应用过程中的难点和解决措施,旨在为252 kV及以上电压等级真空开关的研究与设计提供参考。最后,讨论高压真空开关的研究现状和发展趋势。

空气中并联金属丝阵列电爆炸等离子体自辐射特性

在空气中开展了平面丝阵的电爆炸实验,对比研究了非难熔金属铜丝阵列和难熔金属钽丝阵列在电爆炸过程中的能量沉积特性,重点分析了其等离子体通道演化过程及光辐射特性。实验结果表明,随着铜丝阵列或钽丝阵列根数(质量)的增加,丝阵列在电压峰值前沉积的能量会有所增加且总体相变时间会变长。对于铜丝阵列,当其能量沉积速率较快时,电爆炸过程中的光辐射强度会随金属丝根数的增加而有所增加,但光辐射持续时间相对于单丝较短。铜丝和铜丝阵列电爆炸等离子体通道膨胀过程较快,放电中心通道内的加热和电离过程不够集中。当铜丝根数增加时,放电过程中各丝之间的相变时刻不够同步,放电等离子体通道发展极不均匀。对于钽丝阵列,在储能一定的条件下,随着钽丝阵列根数(质量)的增加,其光辐射强度会有所下降。钽丝和钽丝阵列在相变过程中的气液混合通道能够被加热到较高的温度,放电通道内热电离过程显著,等离子体通道易于发展,但放电通道膨胀速率要明显慢于铜丝。丝阵列放电过程中各丝之间相变时刻的不同步会影响电流的分布,进而导致各丝之间的能量沉积过程不同,使得丝阵列中各丝等离子体通道的建立过程不同步。

高压陶瓷电容器在重复频率脉冲下的性能测试及改善

为研究高压陶瓷电容器在重复频率充放电过程中的性能变化情况,搭建了一台基于两级磁压缩和脉冲变压器的重复频率高压脉冲电源,并在25 Hz的频率下对高压陶瓷电容器的性能进行测试。主要研究了电容器寿命随脉冲电场强度的变化情况,电容器的失效模式,以及改善电容器性能的措施。结果表明:高压陶瓷电容器的寿命随电场强度的增加而下降;电容器在重复频率下的失效模式有陶瓷介质的内部击穿、陶瓷-环氧界面击穿和铜电极端子的脱落三类。因此,可通过增加环氧包封韧性来缓冲陶瓷-环氧界面的电-热应力,改善铜电极端子结构来减低接触面的烧蚀,从而改善高压陶瓷电容器在重频下的性能。

封闭式双间隙伪火花开关的触发及导通特性

伪火花开关是一种工作于巴申曲线左半支的低气压脉冲放电开关,具备耐受电压高、通流能力大、工作范围宽、寿命长、抖动低等优点,在脉冲功率装置中具有非常大的应用前景。为此研制了一款封闭式的双间隙伪火花开关,采用陶瓷–金属焊接密封方式,由改进型雪崩三极管纳秒脉冲电源和高介Ba TiO3陶瓷触发单元构成沿面放电式触发系统,触发稳定性极高。围绕伪火花开关的放电特性,主要研究了触发能量、阳极电压和工作气压对开关触发时延、抖动以及电压下降速率的影响规律。试验结果表明,触发系统极高的触发稳定性为伪火花开关触发时延抖动的降低提供了保障,最终可在间隙距离2.5mm的开关中将触发抖动降低至1ns以下;伪火花开关的电压下降速率受超密集辉光放电阶段发展过程的影响,而与空心阴极内部的过程无关,因此只受到阳极电压和工作气压的影响。此外,还分析了伪火花开关导通过程中电流过零点后发生淬灭的原因可能是开关阳极附近电子的产生速率低于消耗速率,使得反向放电通道的建立过程受阻,并采取了相应措施进行改善。

伪火花放电的物理机制与应用综述

伪火花放电是一种工作于巴申曲线左半支、引燃于空心阴极结构、具有弥散的主放电通道的特殊低气压放电,在脉冲功率和等离子体等领域得到广泛应用。该文综述了近年来有关伪火花放电物理机制和典型应用的研究。首先分析伪火花放电主要过程的典型特征、微观机制和影响因素,依次为预放电、空心阴极放电、超密集辉光放电和真空电弧放电四个阶段;其次讨论当前伪火花放电研究中仍存在的问题,如电流淬灭和阻抗波动等;然后介绍伪火花放电的典型应用,包括伪火花开关、电子束源、极紫外光源等,并着重介绍相关装置的参数水平和技术特点;最后探讨伪火花放电研究今后的发展趋势。

基于推挽电路的双极性长脉宽单级LTD模块

针对肿瘤消融的应用需求,研制了基于推挽电路的全固态双极性长脉宽单级LTD模块。其原边采用4路推挽电路,并加入双向短路匝与RCD缓冲电路,可输出前沿快、脉宽覆盖数百纳秒到数微秒范围的双极性方波脉冲。采用现场可编程门阵列(FPGA)产生驱动信号,该信号通过电光–光纤–光电转换进行隔离后输送至驱动芯片,驱动MOSFET开关动作。实验结果表明:所研制的单级LTD模块可输出重复频率达0.5 kHz的双极性方波脉冲,当输出百纳秒脉冲时,脉宽在300~1000 ns范围内可调,输出电压幅值500 V,输出脉冲前沿约13 ns;当输出微秒脉冲时,脉宽在1~8μs范围内可调,输出电压幅值为250 V,最大平顶降<5%,后沿反向过冲幅值约15%。可以通过多模块叠加提高其输出电压。

双间隙伪火花开关的触发及导通特性

伪火花开关是一种工作于巴申曲线左半支、引燃于空心阴极结构、主放电通道呈现弥散特征的低气压脉冲放电开关,具有导通电流大、重复频率高、工作范围宽、寿命长、抖动低和烧蚀小等优点,在重复频率脉冲功率中具有非常大的应用潜力。文中研制了一款双间隙多通道伪火花开关,采用陶瓷金属半密封结构,工作气体为氦气,触发单元为基于高介钛酸钡薄片的电荷注入式结构。研究了不同触发脉冲作用下触发单元的放电特征和工作模式,以及气压、阳极电压和脉冲参数对触发单元电荷注入特性、开关导通时延与抖动及阳极电压跌落速率等的影响规律。此外,根据电极烧蚀形貌分析了开关的多通道同步触发特性,根据放电波形讨论了实验中遇到的电流淬灭现象。实验结果表明:触发单元放电存在脉冲电晕和沿面闪络两种工作模式;高气压和大能量的触发脉冲有利于降低开关时延、抖动和阳极电压跌落时间;快前沿的触发脉冲有利于降低开关抖动;阳极电压对触发时延和抖动的影响不大;开关能够实现多通道的同步触发和导通,且在小电流条件下存在两种淬灭形式。

伪火花放电初始发展过程的仿真研究

伪火花放电是一种引燃于空心阴极结构,主放电通道呈现弥散特征的特殊低气压放电,在脉冲放电开关、电子束源等方面具有重要应用。为研究伪火花放电的初始过程,文中采用粒子模拟和蒙特卡洛碰撞方法(particle in cell/Monte Carlo collision, PIC/MCC),建立了与外回路元件相耦合的二维静电等离子体仿真模型。通过研究电子、离子、电势等参量的演变特征,区分出触发电子推进、汤逊放电、虚阳极形成和透入、空心阴极放电、电势陷阱形成、离子耗尽等一系列子阶段,并确认了到达阳极的电子包含高能和低能两个组分。此外,研究了气压和初始电子参数对触发时延和阳极电流峰值的影响规律。仿真结果表明:气压和初始电子参数通过作用于阴极孔附近的离子密度和阴极空腔内部的电子密度分别对触发时延和电子电流峰值产生影响;随着气压、注入电荷量、电子能量和注入时间的增大,以及触发极位置的前移,触发时延不断缩短;随着电子能量的增大和触发极位置的前移,电子电流峰值有可能减小;并且,各参数的变化规律均呈现出饱和趋势。最后,讨论了阴极孔附近的离子耗尽和空心阴极阶段电流淬灭的可能联系,以及外回路电感值和PIC方法对伪火花放电仿真结果的影响。

伪火花放电初始阶段电势势垒形成的仿真研究

伪火花放电是一种工作于巴申曲线左半支的特殊低气压放电,在气体开关、电子束源等方面具有重要应用。当气压较低时,伪火花放电在空心阴极放电阶段的末尾会在阴极孔处形成电势势垒,阻碍阴极腔内电子的流出,从而阻碍放电的进一步发展。为研究电势势垒的形成过程,采用粒子模拟和蒙特卡洛碰撞方法(PIC/MCC),建立了与外回路元件相耦合的二维静电等离子体仿真模型。通过研究阴极孔区域的电势与电荷变化,发现当气压较低时虚阳极形成后,阴极孔处电势下降速度过快加速了阴极孔内电子的流出,直至电子消耗殆尽最终形成电势势垒。仿真结果发现:增大气压可以有效增大阴极孔内的电子数、离子数以及电子的碰撞电离率,从而使电势势垒的形成时间不断向后推移乃至完全抑制;虚阳极形成后阴极孔内的碰撞电离主要由空心阴极放电阶段产生的大量自由电子维持,二次电子发射对虚阳极和鞘层电场的维持作用仅占20%。