快前沿直线脉冲变压器多间隙气体-供参考！
2018/1/14 0:20:11 点击：
快前沿直线脉冲变压器多间隙气体-供参考！
快前沿直线脉冲变压器多间隙气体开关直流自击穿特性孙铁平，乔开来，丛培天，张国伟，黄涛，罗维熙，王亮平，曾正中（西北核技术研究所，西安710024）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.Pm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. 1kA增加到30. 0kA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0.04MPa增加到0.30MPa击穿电压的分散性由1.5%增加到36%.初步分析了降低开关自击穿电压分散性的途径和方法。
低抖动、低自放率、长寿命的气体开关是快前沿直线脉冲变压器驱动源（FLTD）的关键部件之一1.大型FLTD驱动源包含的开关数量达到数万只甚至数十万只，并且要求每个开关均是触发控制，同步击穿，因此对放电开关提出了苛刻的要求，开关的性能将直接影响FLTD驱动源输出电流的前沿和幅值以及整个系统的稳定性和可靠性。开关静态击穿电压分散性（击穿电压标准偏差与击穿电压平均值之比）是衡量开关静态特性的主要技术指标之一，开关静态击穿电压分散性越小，在一定欠压比下开关自放率越低，有利于开关在较高欠压比下工作。影响开关静态击穿电压分散性的因素很多，主要有电极表面状态、开关间隙的电场分布、气体压强、气体种类、放电电流等。本文针对自行设计的一种堆栈式结构多间隙气体开关（其中由两个电极和一个绝缘垫块构成一个放电间隙），实验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静态击穿电压分散性的影响，以探索降低开关静态击穿电压分散性的途径和方法，提高开关静态放电稳定性，降低开关自放电概率，为该类型开关设计提供据。
1电极表面粗糙度对静态特性的影响电极烧蚀情况（粗糙度0.40.8 8Mm两种情况时，击穿开关电极表面具有的较小间距和峰谷所构成的微观几何形状特性，称为表面粗糙度。轮廓算数平均值（单位为〃m）是目前生产中评定零件表面粗糙度的主要参数，其值越小，零件表面越光洁。由于电极表面存在凸点，引起局部电场增强，降低了间隙的击穿电压，使击穿电压的分散性增大1（M11.实验中电极表面粗糙度由0. 1Mm逐步增至12. 5Mm，在相同粗糙度下重复放电50次，获得每个粗糙度下静态击穿电压平均值及其标准偏差。间隙距离5.0mm，放电电流30kA，气体为洁净的干燥空气，气体压强0MPa（相对压强，其它同）。表1为电极参数及实验结果。从实验结果可以看到，电极表面粗糙度对击穿电压的影响仅在粗糙度为12.5Mm时比较显著，击穿电压明显降低，在其它情况下，击穿电压变化不明显，变化范围小于0.电极表面粗糙度对击穿电压标准偏差的影响较大，粗糙度在0.基金项目：西北核技术研究所预研基金项目（11030707）：：小铁平⑴78―、，男，硕士助研，主要从事脉冲功率技术研究；ping415sohu.电压标准偏差基本一致，没有明显变化。随着电极表面粗糙度进一步增大，击穿电压标准偏差明显增大，同粗糙度小于0.8 m时相比，粗糙度为12.5Mm时击穿电压标准偏差增大了将近1.5倍，静态稳定性显著降低。
粗糙度对击穿点的分布没有明显影响，各种粗糙度情况下击穿点分布均匀。为电极烧蚀情况（粗糙度0.）根据实验结果，电极表面粗糙度选择为0.1~0.8Mm比较合适，粗糙度进一步减小对开关电极击穿性能的改善作用不明显，同时会大大增加机械加工的难度和加工的成本。因此堆栈式多间隙开关电极表面粗糙度设计为0.4~0.8Mm为宜。
表1不同粗糙度时的自击穿电压2电场不均匀系数对静态特性的影响开关静态击穿电压分散性与开关间隙的电场分布密切相关，电场分布越集中，开关静态击穿电压分散性越小，但是同时开关的静态击穿电压降低18121.由静电场模拟结果可知，电场不均匀系数主要影响开关的电场分布。对于多间隙开关中采用的圆环形电极，电场类型为稍不均匀场。电场不均匀系数越大，最大电场强度越高、高场强区分布越集中，最大场强主要分布于电极的内外两侧。电场不均匀系数越小，高场强区分布面积越大，主要分布于电极的中部。为电场不均匀系数1.50和1.12时的静电场分布。
1.12电场不均匀系数1.50和1.12时的静电场分布实验中电极表面粗糙度1.6Mm放电电流30.0kA，间隙距离5.5mm，电场不均匀系数由1.12逐步增大至1.80，相同条件下重复放电50次，获得不同电场不均匀系数下的静态击穿电压平均值及其标准偏差。表2为实验结果。实验结果说明，电场不均匀系数由1.12增大至1. 80，间隙击穿电压明显降低，降低幅度超过13%；静态稳定性显著提高，标准偏差减小了近80%，击穿点越来越集中，这也说明了仅在少数部位放电有利于提高击穿电压的稳定性。电场不均匀系数小于1.20时，间隙击穿电压及其标准偏差变化趋缓，击穿点分布表2不同电场不均匀系数时的实验结果Table均。为电场不均系数1.50和1.12时的电极烧蚀情况。由于FLTD装置对开关的放电寿命提出了很高要求，如果电场不均系数过大，击穿点过于集中，加剧了电极局部区域的烧蚀程度，将不利于延长开关的寿命，同时击穿电压偏低，需要增加间隙距离来提高开关工作电压，使开关高度增加、电感增大。如果电场不均系数太小，电场分布过于均，间隙的静态稳定性明显降低，击穿电压的分散性达到2%以上，不利于开关稳定工作。因此必须在二者之间寻求平衡，既能保证开关静态击穿电压的稳定性，又可以延长开关的放电寿命。根据实验结果，电场不均系数为1 20和1.30时，电极烧蚀均，击穿电压稳定性较高，可作为电极设计时优先采用的电场分布。
电场不均匀系数为1.50和1. 12时的电极烧蚀情况3放电电流对静态特性的影响在气体开关放电过程中，放电电极会被加热而升温，若有足够多的能量沉积到电极材料中，会使电极表面温度升高直至熔点或沸点，熔化或蒸发的电极材料会脱离电极表面，在电极表面形成许多微小的凹坑和凸起，使放电间隙的微观电场分布发生畸变，增加了击穿过程的不确定性。放电电流的能量越大，电极表面发生溅射的作用越强，电极烧蚀越严重，击穿电压分散性越大//13th孙凤举，邱爱慈，曾正中，等。快Z箍缩短脉冲大电流驱动源技术的发展。强激光与粒子束，200618（3）：513~520.（SunFengu，Qiu周良骥，邓建军，陈林，等。国际快脉冲直线变压器驱动源技术研究进展。强激光与粒子束，2008 20（12）：1947-1953.（ZhouLiangi邹文康，周良骥，陈林，等。100GW/直线变压器驱动源的物理设计与模拟。强激光与粒子束，200820（2）：327-330.（ZouW/enkang，Zhou梁天学，孙才亲新，邱爱慈，等。200kV多级多通道火花开关。高电压技术，2006 32（10）：56~58.（LiangTianxue，Sun罗敏，常安碧，曹绍云，等。高功率大电荷量重复频率气体开关实验研究。强激光与粒子束，2003，15（4）412-416.（LuoMin，Chang赖贵友，杨兰均，郭良福，等。大库仑两电极气体开关静态特性。强激光与粒子束，200921（1）：4346.（LaiGuiyou，Yang罗敏，江金生，常安碧，等。高功率气体火花开关电极烧蚀机理研究。强激光与粒子束，2004曾正中。实用脉冲功率技术引论。西安：西科学技术出版社，2003.
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1电极表面粗糙度对静态特性的影响电极烧蚀情况（粗糙度0.40.8 8Mm两种情况时，击穿开关电极表面具有的较小间距和峰谷所构成的微观几何形状特性，称为表面粗糙度。轮廓算数平均值（单位为〃m）是目前生产中评定零件表面粗糙度的主要参数，其值越小，零件表面越光洁。由于电极表面存在凸点，引起局部电场增强，降低了间隙的击穿电压，使击穿电压的分散性增大1（M11.实验中电极表面粗糙度由0. 1Mm逐步增至12. 5Mm，在相同粗糙度下重复放电50次，获得每个粗糙度下静态击穿电压平均值及其标准偏差。间隙距离5.0mm，放电电流30kA，气体为洁净的干燥空气，气体压强0MPa（相对压强，其它同）。表1为电极参数及实验结果。从实验结果可以看到，电极表面粗糙度对击穿电压的影响仅在粗糙度为12.5Mm时比较显著，击穿电压明显降低，在其它情况下，击穿电压变化不明显，变化范围小于0.电极表面粗糙度对击穿电压标准偏差的影响较大，粗糙度在0.基金项目：西北核技术研究所预研基金项目（11030707）：：小铁平⑴78―、，男，硕士助研，主要从事脉冲功率技术研究；ping415sohu.电压标准偏差基本一致，没有明显变化。随着电极表面粗糙度进一步增大，击穿电压标准偏差明显增大，同粗糙度小于0.8 m时相比，粗糙度为12.5Mm时击穿电压标准偏差增大了将近1.5倍，静态稳定性显著降低。
粗糙度对击穿点的分布没有明显影响，各种粗糙度情况下击穿点分布均匀。为电极烧蚀情况（粗糙度0.）根据实验结果，电极表面粗糙度选择为0.1~0.8Mm比较合适，粗糙度进一步减小对开关电极击穿性能的改善作用不明显，同时会大大增加机械加工的难度和加工的成本。因此堆栈式多间隙开关电极表面粗糙度设计为0.4~0.8Mm为宜。
表1不同粗糙度时的自击穿电压2电场不均匀系数对静态特性的影响开关静态击穿电压分散性与开关间隙的电场分布密切相关，电场分布越集中，开关静态击穿电压分散性越小，但是同时开关的静态击穿电压降低18121.由静电场模拟结果可知，电场不均匀系数主要影响开关的电场分布。对于多间隙开关中采用的圆环形电极，电场类型为稍不均匀场。电场不均匀系数越大，最大电场强度越高、高场强区分布越集中，最大场强主要分布于电极的内外两侧。电场不均匀系数越小，高场强区分布面积越大，主要分布于电极的中部。为电场不均匀系数1.50和1.12时的静电场分布。
1.12电场不均匀系数1.50和1.12时的静电场分布实验中电极表面粗糙度1.6Mm放电电流30.0kA，间隙距离5.5mm，电场不均匀系数由1.12逐步增大至1.80，相同条件下重复放电50次，获得不同电场不均匀系数下的静态击穿电压平均值及其标准偏差。表2为实验结果。实验结果说明，电场不均匀系数由1.12增大至1. 80，间隙击穿电压明显降低，降低幅度超过13%；静态稳定性显著提高，标准偏差减小了近80%，击穿点越来越集中，这也说明了仅在少数部位放电有利于提高击穿电压的稳定性。电场不均匀系数小于1.20时，间隙击穿电压及其标准偏差变化趋缓，击穿点分布表2不同电场不均匀系数时的实验结果Table均。为电场不均系数1.50和1.12时的电极烧蚀情况。由于FLTD装置对开关的放电寿命提出了很高要求，如果电场不均系数过大，击穿点过于集中，加剧了电极局部区域的烧蚀程度，将不利于延长开关的寿命，同时击穿电压偏低，需要增加间隙距离来提高开关工作电压，使开关高度增加、电感增大。如果电场不均系数太小，电场分布过于均，间隙的静态稳定性明显降低，击穿电压的分散性达到2%以上，不利于开关稳定工作。因此必须在二者之间寻求平衡，既能保证开关静态击穿电压的稳定性，又可以延长开关的放电寿命。根据实验结果，电场不均系数为1 20和1.30时，电极烧蚀均，击穿电压稳定性较高，可作为电极设计时优先采用的电场分布。
电场不均匀系数为1.50和1. 12时的电极烧蚀情况3放电电流对静态特性的影响在气体开关放电过程中，放电电极会被加热而升温，若有足够多的能量沉积到电极材料中，会使电极表面温度升高直至熔点或沸点，熔化或蒸发的电极材料会脱离电极表面，在电极表面形成许多微小的凹坑和凸起，使放电间隙的微观电场分布发生畸变，增加了击穿过程的不确定性。放电电流的能量越大，电极表面发生溅射的作用越强，电极烧蚀越严重，击穿电压分散性越大//13th孙凤举，邱爱慈，曾正中，等。快Z箍缩短脉冲大电流驱动源技术的发展。强激光与粒子束，200618（3）：513~520.（SunFengu，Qiu周良骥，邓建军，陈林，等。国际快脉冲直线变压器驱动源技术研究进展。强激光与粒子束，2008 20（12）：1947-1953.（ZhouLiangi邹文康，周良骥，陈林，等。100GW/直线变压器驱动源的物理设计与模拟。强激光与粒子束，200820（2）：327-330.（ZouW/enkang，Zhou梁天学，孙才亲新，邱爱慈，等。200kV多级多通道火花开关。高电压技术，2006 32（10）：56~58.（LiangTianxue，Sun罗敏，常安碧，曹绍云，等。高功率大电荷量重复频率气体开关实验研究。强激光与粒子束，2003，15（4）412-416.（LuoMin，Chang赖贵友，杨兰均，郭良福，等。大库仑两电极气体开关静态特性。强激光与粒子束，200921（1）：4346.（LaiGuiyou，Yang罗敏，江金生，常安碧，等。高功率气体火花开关电极烧蚀机理研究。强激光与粒子束，2004曾正中。实用脉冲功率技术引论。西安：西科学技术出版社，2003.
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