诱导触发型气体间隙开关快速绝缘恢复特性

气体间隙开关动作迅速、结构简单,在电力系统中应用前景良好,但对其绝缘恢复特性研究尚少。为此,文中采用双脉冲法研究开关间隙距离、触发介质气压及其种类对气体开关绝缘恢复特性的影响规律。结果表明:诱导触发型气体间隙开关绝缘恢复经历过渡期、快速恢复期和饱和期3个阶段,饱和期的持续时间远大于前两阶段之和,且在快速恢复期无“平台现象”出现。减小开关间隙距离,气体开关绝缘恢复速率渐进增大,其绝缘基本恢复时间(绝缘恢复系数R_(U)>90%)可降低50%。触发介质气压对气体开关绝缘恢复特性影响显著,对绝缘恢复过程的影响特性存在差异。增大触发介质气压会减缓气体开关的绝缘恢复过程,0.1~0.3 MPa压缩干燥空气中,气体间隙开关绝缘基本恢复时间对应为11~40 ms。强电负性SF_(6)对气体开关绝缘恢复具有明显增强作用,其绝缘恢复速率接近于空气中的4倍。研究结果可为气体间隙开关快速绝缘恢复技术提供理论指导。

气体间隙开关喷射等离子体触发性能劣化及剩余触发寿命预测研究

喷射等离子体诱导型气体间隙开关用于电力系统过电压防护具有明显优势,但高注入触发能量下多次放电累积效应引起的触发失效问题严重,极限可触发次数具有不确定性,亟须开展触发寿命与触发有效参数的关联规律以及剩余触发寿命预测研究。为此该文搭建了气体间隙开关触发寿命研究平台。结果表明,低容值触发电路可迅速建立触发放电主通道,电弧电流可达3.7kA;高容值触发电路提高了用于解离产气材料而形成喷射等离子体的能量,显著提升了触发腔等离子体喷射触发能力。触发回路电容C_(1)距C_(2)放电时延Δt_(0)、击穿时延Δt_(1)、触通时延Δt_(2)可分别用于表征触发一级腔、二级腔、气体开关导通性能的劣化程度,其变化过程可用于表征气体开关触发失效的阈值范围。以等离子体喷射高度作为预测因子,建立了气体开关剩余触发寿命预测模型ARIMA(1,1,2),预测值与试验结果基本吻合,剩余触发寿命预测误差在10%以内。研究结果可为气体间隙开关实现稳定触通及触发寿命预测提供理论参考和工程应用指导。

V/N火花间隙开关的电场和电容模拟计算

介绍了V/N间隙火花开关的工作原理。此开关被用于工作电压500 kV、工作电流400 kA、脉宽100 ns、驱动阻抗1.25Ω的脉冲功率源主开关。利用有限元计算的软件Ansoft对设计的V/N开关进行建模,计算了模型加压导通过程几个关键时刻的电场和电位的分布及开关的结构电容为15.67 pF。

用于线圈发射器的三电极间隙开关系统

电磁线圈发射器工作需要能承受很高工作电压和很大工作电流的闭合开关,这些开关目前主要有半导体开关和间隙类开关。其中间隙类开关具有电感低、耐压高、寿命长、可靠性高等特点而被广泛使用。在理论分析的基础上设计了一套用于线圈发射器的三电极间隙开关系统,它包括光控部分、触发系统、开关器件3部分。光控信号控制触发系统产生陡化的脉冲高电压,脉冲高压接入三电极的触发极控制主电极导通。控制信号与触发部分采用光纤连接,隔离了高压对低压的干扰。控制电路用金属罩屏蔽,能够有效地在复杂电磁环境下运行。试验检验得到开关性能:延迟时间为1.2μs,抖动时间约300ns。开关系统满足了电磁线圈发射的需要。

间隙开关对电磁成形机放电性能的影响

利用实验方法，对间隙开关中各因素对电磁成形设备放电参数的影响进行了研究。

等离子体喷射触发型SF_(6)间隙开关触发寿命试验研究

为实现白鹤滩—江苏±800kV特高压混合直流输电工程可控自恢复泄能装置的快速控制,研制高气压大触发能量的新型等离子体喷射触发型SF_(6)间隙开关样机,该间隙开关触发腔采用两级触发腔沿面放电接续触发结构,可以实现在极低工作系数下1ms内的快速可靠触发。为提高SF_(6)间隙开关的触发寿命,搭建试验平台并进行试验研究。首先研究触发腔结构尺寸对SF_(6)间隙开关寿命的影响,结果表明增加第一级触发腔的沿面距离可以有效提高触发寿命,但不宜过长,否则会产生熄弧现象,故触发腔尺寸采用3.5mm+6mm;然后研究触发腔材料对触发寿命的影响,结果表明聚四氟乙烯的产气能力和抗烧蚀能力比较均衡,综合性能要优于添加二硫化钼或氮化硼的聚四氟乙烯,可以有效提高触发寿命达到583次;研究表明触发腔劣化是SF_(6)间隙开关触发寿命终止的根本原因,据此提出触发腔劣化过程的监测方法,根据触发过程中一级腔沿面闪络电压、二级腔导通时储能电容的剩余电压、二级腔导通时延、主间隙导通时延等特征参量随触发次数的变化可以监测触发腔的劣化过程,从而监测触发腔状态,提高可靠性。通过上述研究,SF_(6)间隙开关样机的触发寿命达到了583次,满足了工程需求,并具备触发腔状态监测功能,提高了可靠性。

机械式直流断路器换流支路用气体间隙开关方案及其诱导击穿特性

常规机械式直流断路器换流支路控制开关在快速操作、灵活控制和经济性兼容方面尚未完全满足配电网大规模应用的要求。为此,创新性地提出一种直流断路器换流支路用气体间隙开关方案,其操作性能受其触通特性的影响;进一步设计了样机,并搭建了用于研究其触通过程中喷射等离子体发展特性及其影响规律的触发试验平台。结果表明:气体间隙开关喷射等离子体诱导击穿过程可分为快速发展、饱和和消散3个阶段。随着工作系数的提高,气体间隙开关由饱和导通模式过渡到快速导通模式,触通时延及开关主间隙击穿时的等离子体临界喷射高度均随之降低。强绝缘、强电负性气体SF6对喷射等离子体的发展具有明显的抑制作用;气压增大对等离子体喷射也有明显的抑制效果,喷射速度和喷射高度均随之渐进减小,触通时延则随之增大。低气压下气体间隙开关主间隙在等离子体初次喷射过程中即可触通,而高气压下会存在明显的预击穿效应。研究成果可为直流断路器换流支路用特快速开关的设计提供理论指导,对于提高配电网快速开合技术的经济性、灵活性具有参考意义。

极低工作系数下SF6间隙开关喷射等离子体诱导击穿作用规律

喷射等离子体触发型SF_(6)间隙开关用于混合直流输电系统消能装置控制开关的优势十分明显,但极低工作系数下的喷射等离子体诱导SF_(6)间隙开关击穿作用规律尚不明晰。为此搭建了喷射等离子体诱导击穿试验平台,研究了SF_(6)间隙中喷射等离子体特征参数的时空分布特性,以及触发条件参数和主间隙施加电压的作用规律。结果表明,喷射等离子体呈高亮度的类圆锥形状,其初始发展速度可达2.0km/s以上。提高SF_(6)间隙开关触发腔中第2级腔(连接中间电极)的电容值和充电电压,其第2级间隙的沿面放电电流随之增大,触发腔的导通时延及其分散性也会随之降低;同时喷射等离子体的几何特征量(面积、径向和轴向长度以及发展速度等)和电气参量均随之渐进增大。增大间隙开关高压电极的施加电压,即提高其工作系数,SF_(6)间隙开关诱导击穿末期的等离子体喷射速度出现抬升现象;且随着工作系数的增大,喷射等离子体的头部局部电场畸变增强,引起其头部带电粒子的运动速度进一步提高,喷射速度的抬升效应愈加显著。研究成果为高压大容量强绝缘气体间隙开关的等离子体喷射触发性能的提升方法提供理论指导。

气体火花间隙开关的自击穿性能研究

为了解气体火花间隙开关的自击穿性能,文中从自击穿实验角度着手,对电场不均匀度进行了仿真计算,测量了两电极气体火花间隙开关不同间隙距离下的自击穿电压,通过计算相对极差和变异系数来分析自击穿电压的稳定性并进行韦布尔检验。实验结果表明,自击穿电压随间隙距离的增大而增大并近似线性关系;间隙距离是影响自击穿电压稳定性的重要因素,自击穿电压的稳定性随间隙距离的增大而增大。从自击穿稳定性角度来看,可以适当增大气体火花间隙开关的电极之间间隙距离来增强自击穿电压稳定性。

低抖动大气压空气电晕均压多间隙气体火花开关

为了发展结构简单、便于维护的大功率气体火花开关,研制了大气压空气电晕均压多间隙气体火花开关,该开关采用电晕放电均压方式,由9个相同的间隙构成。利用有限元分析方法对9间隙电晕均压气体火花开关的电场进行了分析,发现适合长度的电晕针对开关主间隙的电场影响很小,且加载触发脉冲时可在中间间隙形成了强烈的畸变电场。在理论分析的基础上,开展了开关击穿特性研究,实验结果表明电晕均压有利于提升开关的稳定性,开关自击穿电压分散性降低,自击穿电压略微增大;同时多间隙开关实现了良好的触发导通,在工作电压60~85 kV(工作欠压比56.8%~80%)范围内,开关的击穿延时抖动均小于20 ns,当工作电压达到80 kV以上时,抖动可小于10 ns。文中设计的大气压空气电晕均压多间隙气体火花开关可用于直线脉冲变压器等脉冲功率系统,使用的基于电场模拟对电极结构进行优化的方法对设计其他类型的开关具有借鉴意义。

可调间隙亚纳秒气体开关的研制

设计了一种高工作电压、高重复频率的亚纳秒气体开关,该开关由Peaking间隙和Chopping间隙组成,可以将纳秒信号转化为亚纳秒脉冲。开关腔外有两组调节旋钮,分别用来调节Peaking间隙和Chop-ping间隙,使输入脉冲的前后沿能同时得到锐化。对设计的开关进行的实验研究结果表明:在系统重频5 Hz运行时,开关能稳定输出电压278 kV、脉宽620 ps的脉冲;在系统重频100 Hz运行时,开关能稳定输出电压270 kV、脉宽700 ps的脉冲。

快前沿直线脉冲变压器多间隙气体开关直流自击穿特性

针对一种用于快前沿直线脉冲变压器（FLTD）的堆栈式多间隙气体开关,研究了电极表面粗糙度、电场不均匀系数、放电电流、气体压强等因素对开关自击穿电压分散性的影响。电极表面粗糙度0.1-0.8μm时,击穿电压平均值没有明显变化,击穿电压分散性小于1.5%;电场不均匀系数为1.20和1.30时,电极烧蚀均匀,开关自击穿电压分散性小于2.0%;放电电流由1.1 kA增加到30.0 kA时,击穿电压的分散性增加了约2倍,电极烧蚀的作用明显增强;工作气压由0.04 MPa增加到0.30 MPa,击穿电压的分散性由1.5%增加到3.6%。初步分析了降低开关自击穿电压分散性的途径和方法。

气体开关串级环形间隙放电相互影响机制研究

针对中空和非中空触发电极结构的两间隙开关,进行了触发击穿特性实验,对比两个间隙的击穿抖动和通道数,分析了串级两间隙的相互影响机制。实验结果表明:两只开关触发间隙击穿抖动和通道数变化规律基本一致;非中空开关自击穿间隙击穿抖动随工作系数的增大而减小,最小约3 ns,中空开关自击穿间隙击穿抖动始终约1 ns;非中空开关自击穿间隙难形成多通道放电,中空开关自击穿间隙通道数明显多于其他间隙。触发间隙首先放电产生紫外光,通过触发电极中空通孔预先照射自击穿间隙产生初始电子,是自击穿间隙击穿抖动减小、通道数增加的主要作用机制。

可调间隙亚纳秒气体开关的优化设计

对用于UWB-1系统的可调间隙亚纳秒气体开关进行了结构优化设计,并采用Ansoft软件分别对开关绝缘子和电极处的静电场进行了模拟。优化后的调节旋钮在实验调试中使用方便,能准确地测量开关间隙的大小。绝缘子结构优化后,局部场强集中点的最大场强降低为126.6 kV.mm-1,低于理论击穿场强,满足了绝缘要求。对优化后的亚纳秒气体开关进行了高压实验,结果表明:绝缘子处没有击穿现象发生,开关工作稳定,输出脉冲的前后沿变快且脉宽变窄。系统重复频率5 Hz运行时,优化后的脉冲前后沿和脉宽分别比优化前减小了130,120和100 ps。系统重复频率100 Hz运行时,优化后的脉宽比优化前减小了150 ps,比重复频率5 Hz运行时只增加了30 ps。

气体介质对多间隙气体开关电晕均压与自击穿特性的影响

快脉冲直线变压器型驱动源(FLTD)是近年来快速发展的新型脉冲功率源技术,多采用多间隙气体开关作为开关器件。电晕均压措施有利于提升开关击穿性能,但不同气体中电晕放电有显著区别。本文首先研究了空气中针电极对单间隙电晕放电特性的影响,确定了电晕针电极的尺寸,之后研究了N2,CO2,SF6/N2混合气体、C4F7N/N2混合气体中的电晕放电特性,研究了电晕均压6间隙气体开关击穿电压及其稳定性随气体种类和气压的变化规律。实验结果表明,N2中电晕电流较大且不稳定,空气中电晕电流比N2中低,且电晕放电较为稳定,微量强电负性气体加入会极大降低电晕放电电流。当采用空气和N2作绝缘介质时,气体开关击穿电压随气压升高线性增加,但存在低值击穿,微量强电负性气体混合N2可显著提升击穿电压的稳定性。1%SF6/99%N2混合气体在0.18 MPa时,击穿电压约为197.33 kV,标准偏差占击穿电压比例为1.50%,1%C4F7N/99%N2混合气体在0.15 MPa时,击穿电压约为190.42 kV,标准偏差为0.55%。这表明,微量环保替代气体C4F7N与N2的混合气体对于提升多间隙气体开关击穿电压稳定性有显著作用。

快前沿直线脉冲变压器驱动源多间隙气体开关

进行了一种可用于快前沿直线脉冲变压器驱动源系统的多间隙气体开关的设计和实验,给出了开关的静态放电实验结果,获得了静态击穿电压平均值及标准偏差随气体压强的变化规律。开关充0.15 MPa干燥空气时,最高耐压可以达到200 kV。研究了开关在不同欠压比和不同触发脉冲幅值下的触发特性。开关工作电压150 kV、欠压比78.5%、触发电压70 kV时,开关的触发延迟时间34.4 ns,抖动1.6 ns。开关经过5 000余次放电,击穿点分布均匀,可以形成多通道放电。开关结构新颖,安装操作简便,装配精度大大提高,实用性强。

多间隙气体开关放电通道图像的实验研究

利用 45°锥体不锈钢反射镜和分幅式变象管高速相机 ,研究了环状不锈钢和弹簧两种间隙电极结构的气体开关在不同气压下自击穿和触发击穿时的放电通道。实验表明 :两种间隙电极结构开关触发击穿放电通道数比自击穿多 ;同等实验条件下 ,环状不锈钢间隙电极开关放电稳定性比环状弹簧间隙电极开关好 ,弹簧电极的均匀性和支撑需要进一步完善。

多间隙气体开关触发特性

针对触发脉冲幅值、气体压强和紫外光照射3个因素对多间隙气体开关触发特性的影响规律开展实验研究。实验结果表明:触发电压由50kV提高到70kV时,开关触发时延的抖动降低约40%,统计时延的抖动降低约44%,形成时延的抖动变化不大。触发电压继续升高,触发抖动降低的趋势明显减缓。开关工作气压由0.16MPa提高到0.28MPa,开关触发时延的抖动增大约1.6倍,统计时延和形成时延的抖动均显著增大。紫外光辐照时间增长,开关触发抖动显著减小,最佳的辐照时间为80～140ns,开关触发时延的抖动降低约39%。紫外光辐照可以有效降低开关统计时延的抖动,对形成时延影响不大。

多间隙气体开关绝缘子寿命

针对设计的一种堆栈式结构多间隙气体开关,分析了绝缘子污染对开关寿命的影响机理。对绝缘子表面电场分布进行了模拟计算,实验研究了绝缘子污染对开关自击穿电压的影响,得到了开关自击穿电压和绝缘子表面绝缘电阻的变化规律,开关在放电电流32kA实验条件下工作13 000次后,自击穿电压平均值由171.5kV降低至130.8kV,绝缘子表面绝缘电阻由200GΩ下降至22.6GΩ,绝缘子已无法正常使用。同时提出了提高绝缘子抗污染能力、延长绝缘子寿命的措施和方法。

电晕均压多间隙串联气体开关特性实验

研制了一种电晕放电均压的小型多间隙串联气体开关,分析了电晕放电在开关工作过程中的作用,开展了开关自击穿特性、电晕放电伏安特性、针尖烧蚀以及开关寿命测试等特性实验。结果表明:老练后开关自击穿电压标准偏差小于3.5%,电晕均压效果明显;随着放电次数增加,电晕针尖逐渐钝化,触发性能变化不大;开关电晕放电电流随耐受电压升高增大,增长趋势逐渐变快;开关充400kPa干燥空气,±100kV工作电压下开关放电50 000次以上,触发性能稳定,触发击穿时延抖动约4.3ns,自放电概率低于1×10^(-4)。