大气压下氮气火花开关击穿过程的数值仿真

为研究大气压下氮气火花开关的纳秒脉冲击穿过程,采用粒子模拟方法对间隙放电过程进行模拟,获得流注形成发展过程的瞬态物理图像,并对比分析了脉冲前沿对间隙放电过程的影响。模拟结果表明:氮气火花开关的纳秒脉冲击穿过程主要包括两个阶段:流注形成阶段和流注快速发展阶段;流注快速传播阶段流注头部会产生逃逸电子,且光电离反应会导致流注通道形成分叉;流注快速传播阶段的放电通道平均传播速度高于流注形成阶段;脉冲前沿越大,流注传播速度越小,流注形成的临界电压越低,流注贯穿间隙的时延越长,与实验结果一致。

气体火花开关电阻特性

利用二极管输出电压约1MV、脉宽约40ns的重复频率Tesla型脉冲功率驱动源,对大间隙、高气压的重复频率氮气火花开关进行了实验研究。通过将开关等效为RLC电路,利用测量得到的形成线电压与锥形段电压来计算氮气火花开关电阻。电阻的变化情况是放电开始时刻比较大,随着放电通道的形成,电阻迅速变小,最终达到Ω级的阻值。通过计算值与理论公式推算值比较,检验Barannik,Rompe-Weizel,Demenik,Toeple,Vlastos公式适用性,并尝试对Rompe-Weizel公式常数项进行了修正。

氮气介质高气压开关特性

从理论分析、软件模拟、实验研究等方面研究了氮气介质高气压开关的工作特性。根据强度理论计算所设计并加工的开关的理论压强可达10 MPa。对氮气介质高气压开关进行实验,得到在气压范围2,4,6MPa、电极间隙0.1,0.5,1.0mm时,气隙的击穿延时小于14ns,抖动小于1ns;在气压2 MPa、电极间隙0.1mm时50%击穿电压约为34kV。与常压空气开关相比较,该开关具有很好的稳定性和绝缘特性。

氮气火花开关击穿机制的理论和数值研究

三电极气体火花开关带有触发极,相比两电极开关,其开关导通的可控性较高,工作电压较低且抖动小,所以气体火花开关中三电极开关的应用较为广泛.本文针对大气压氮气环境下的两电极开关和三电极开关的击穿机制进行了理论与数值模拟研究.通过理论和数值计算发现,对于平板-平板的两电极开关来说,低电压下(小于6.3 kV)无法产生流注击穿,高电压下(大于6.3 kV)会先形成由阴极到阳极的负流注,然后再形成由阳极向阴极的正流注.而在三电极开关的击穿过程中,首先会在触发极和绝缘体之间发生击穿,然后这个通道不断向阴阳极扩展,最终形成阴阳极之间的电弧通道.在本文的计算工况下,如果需要阴极-触发极、阳极-触发极同时击穿的话,其阴极-触发极之间的外加电压需要大于1.18 kV,而阳极-触发极之间的外加电压需要大于3 kV.当考虑触发极的场致发射后,该击穿阈值可以显著降低.