长寿命铜钨合金气体开关电极的烧蚀形貌

研究密闭腔内结构紧凑、长寿命、大通流能力且能重复频率稳定工作的气体开关,对于油气开发中应用的脉冲功率装置意义重大。从工程实际出发,开展了对铜钨电极烧蚀形貌与相关特性的系统研究。搭建了开关实验平台,模拟实际工程中开关的变化过程。通过接触式非球面测量仪、共聚焦显微镜等设备完成对不同寿命阶段电极表面形貌的观测,得到表面轮廓线、平面显微图像,以及3维重建模型等数据,定量表述电极表面烧蚀形貌。结果表明,随着累计转移电荷量的增加,阳极、阴极的表面粗糙度均明显增加,且边缘区较中心区具有更高的粗糙度;对于同一区域,阴极都具有更高的粗糙度;20000次自击穿放电后,表面粗糙度增加至7.752?m(阴极,边缘)与5.573?m(阳极,边缘)。总体而言,阴极较阳极烧蚀更为严重,多次放电后表面形貌复杂,难以用简单模型描述。该研究是对传统气体开关技术的重要补充,具有相当的科研价值,同时也对油气开发等工业应用实际具有重要借鉴意义。

密封腔体、大电流条件下重复频率长寿命气体开关的烧蚀特性

为进一步提高铜钨合金(质量分数为30%的铜和70%的钨)二电极自击穿气体开关的性能,在干燥空气为绝缘气体、气腔温度最高达80℃、不可换气的有限密闭腔体(1.2 L)内,以及30 kV自击穿电压、75 kA通流能力、0.1 Hz重复频率且工作寿命达至少5 000次等极端工作条件下,实验研究了电极烧蚀量、表面烧蚀特性随放电次数的变化,进而分析了开关工作性能及失效原因。结果表明:阴极电极头烧蚀更为严重,电极烧蚀率为6.3×10-6cm3/C,阳极电极头的电极烧蚀率为5.5×10-6 cm3/C,阴、阳极电极头表面均存在大量蚀坑、凸起和裂纹;自击穿电压呈现较明显上升趋势,5 800次放电时加压至45 kV开关未击穿,判定开关失效;聚四氟乙烯绝缘子表面损失大量氟元素并新增铜、钨等元素。因此推断开关失效的主要原因为在密封腔体、大电流条件下,电极烧蚀的喷溅产物与绝缘子表面发生复杂化学反应并生成强电负性气态产物,造成开关自击穿电压骤升。