- 頭條同軸型火花開關研制及其觸發特性試驗研究2020-11-25 作者：程顯、李泰煜、葛國偉、王俊啟、夏榮翔 | 來源：《電工技術學報》 | 點擊率：導語鄭州大學電氣工程學院、河南省輸配電裝備與電氣絕緣工程技術研究中心的研究人員程顯、李泰煜、葛國偉、王俊啟、夏榮翔，在2019年第16期《電工技術學報》上撰文指出，高精度納秒級同軸型火花開關在脈沖功率領域有著較為廣泛的應用。 針對低抖動、長壽命的工程需求，提出一種同軸型場畸變火花開關結構，采用橫向自耦式設計，使用紫外光透過率高的石英玻璃擋板，模擬紫外光預電離情況；結合脈沖變壓器與半導體元器件功能特點，設計一種基于Tesla變壓器與陡化回路的可控高壓納秒脈沖源，該脈沖源最高輸出電壓80kV，上升沿50ns。在上述基礎上，搭建該同軸型火花開關實驗電路，對其紫外光預電離作用下的開關觸發特性進行實驗研究。研究此預電離開關的靜態擊穿電壓特性，對比不同工作系數下和有/無紫外光預電離下的開關觸發特性及其燒蝕均勻度，分析脈沖源輸出和觸發電壓對開關導通特性的影響。 試驗結果表明：此同軸型火花開關在0.1MPa氣壓、工作系數76.1%及以上且有紫外光預電離的情況下，開關觸發穩定，抖動小于2ns；增大脈沖源輸出電壓可以提升紫外預電離效果，優化開關觸發特性。研究結果為紫外光預電離開關在實際工程中的應用提供了參考和依據。
觸發開關在脈沖功率系統中占有特殊地位，開關性能的好壞直接影響到脈沖功率系統能否正常運行。氣體觸發開關因其工作電壓高、放電電流大、導通阻抗低、可靠性好等諸多優點，在大功率激光、加速器、Z箍縮、閃光照相等脈沖功率領域中廣泛應用。
抖動、工作壽命一直是衡量氣體觸發開關性能的兩個重要指標，現已成為脈沖功率開關技術的重要研究課題，國內外機構對這兩方面開展大量實驗研究工作。針對長壽命開關的設計研究主要集中在電極燒蝕與絕緣保護兩個方向。
中國工程物理研究院、華中科技大學等分別對不同電極材料進行了燒蝕特性實驗并研究了其壽命；西北核技術研究所通過不同電極結構優化電場分布，使得放電均勻減少表面燒蝕；國防科技大學采用防污染開關設計，減少其電極噴射物所帶來的絕緣支撐污染，提高了開關使用壽命。
為解決氣體火花開關的可靠觸發問題，除選用快前沿的觸發脈沖外，采用預電離技術或者是改變電極結構也可達到降低開關抖動的目的。
其中，西安交通大學在開關觸發盤內加裝預電離針技術，研究其在紫外光預電離下開關的導通特性；在觸發極內部嵌入一個用于等離子噴射的噴孔，在噴射腔內觸發放電產生等離子體，是另一種促進間隙導通的方式；此外，也有相關研究機構通過改變電極結構平行間隙排列，增強間隙間火花放電預電離作用，降低開關擊穿時延。隨著近年來脈沖功率技術迅速發展，工程應用對火花開關的低抖動、長壽命特性提出了更高要求。
本文以一種同軸型火花開關作為研究對象，采用空芯Tesla變壓器與陡化開關相結合作為其脈沖源，搭建一套測試觸發開關性能的實驗回路。開關電極的特殊設計增大了放電電極等效面積，有效地降低了開關的電極燒蝕，延長其使用壽命。采用石英玻璃擋板研究觸發間隙火花放電產生紫外光對過電壓間隙的預電離效果，分析此預電離作用與同軸型火花開關觸發特性的相互關系。
基于上述實驗回路研究該同軸型火花開關在有/無紫外光預電離效果、不同工作系數下的開關觸發特性以及表面燒蝕狀況，并討論影響紫外光預電離作用的相關因素。研究結果為預電離開關在實際工程中的進一步應用提供了參考和建議。
圖1 開關剖面圖及電極放大示意圖
圖5 實驗回路實物圖
圖10 試驗前后電極表面燒蝕對比圖
總結
設計了一種同軸型火花開關，其采用橫向自耦式結構，利用觸發間隙放電產生紫外光促進金屬電極表面初始電子形成，進而優化導通特性。通過放置光學石英玻璃和環氧樹脂擋板，模擬有/無紫外光預電離效果，研究其對此開關觸發特性影響，得到以下結論：
- 1）開關自擊穿電壓實際值隨氣壓升高呈線性增長變化；脈沖源在不同輸出電壓下，進行四種條件的開關導通特性試驗，測試結果表明，0.1MPa氣壓下同軸型火花開關工作系數在76.1%及以上且有紫外光預電離作用，脈沖輸出電壓在40～50kV區間內時，開關觸發特性穩定，抖動小于2ns。
- 2）觸發間隙擊穿電壓幅值對導通時延影響較大，電壓值達到40kV時，受金屬電極尺寸限制，紫外光預電離對開關導通時延的作用已趨于飽和；經過100次自擊穿試驗及800次觸發特性試驗后，開關電極表面燒蝕較為均勻，電極材料經過表面拋光處理后仍可繼續使用，電極整體耐燒蝕性較好。
