两级触发开关真空短间隙自击穿时延特性研究

摘要

脉冲功率技术在航空航天、国防军工、电力装备以及生物医药等领域的应用愈发广泛，而且随着应用需求的不断提升，对于脉冲功率系统也提出了更高的要求。作为脉冲功率系统中重要组成部分的开关设备，其性能的优劣将直接影响系统的输出参数。常用的气体开关可通过调整开关内部气体种类和气压等来满足众多需求，而且在较高功率和能量的脉冲功率系统中，多级气体开关的使用已十分成熟，充有氮气和六氟化硫混合气体的多级气体开关工作电压达到了MV级。但由于六氟化硫为温室效应气体，且在一定浓度下对人体有窒息作用，因此为保证开关的安全运营，针对六氟化硫介质需要频繁的日常维护和较高的维护成本。课题基于此问题提出采用多级真空开关的方式来替代多级气体开关，通过相关研究来验证多级真空开关的可行性。 文中分别使用商用真空灭弧室和可拆卸灭弧室作为实验试品，首先讨论了两实验平台中使用的球隙火花开关以及激光触发真空开关的击穿机理，并对真空短间隙的击穿机理进行着重分析。而后基于合成回路电压源和LC震荡回路设计实验系统，包括设置球隙火花开关的触发装置，商用真空灭弧室的选用，真空腔体的设计以及激光光路的设计。根据两间隙静态电压分布仿真结果给出实验中间隙分压的方案，并进行了真空腔体设计过程中的电场强度仿真。实验在真空短间隙静态耐压为10kV的条件下进行，通过改变总电压和两间隙不同的分压比来调整真空短间隙的欠压比和过压倍数，探究两影响因素对于真空短间隙自击穿时延的影响，最后又在可拆卸灭弧室平台上进行了激光能量对于真空间隙自击穿时延影响的实验。 实验结果表明真空短间隙自击穿时延会随着欠压比的提升逐渐降低，在欠压比达到70%以后时延下降趋势趋缓。同时欠压比在逐渐升高到70%以上的过程中，自击穿时延的降低幅度不同。真空短间隙自击穿时延也随着过压倍数的提高而减小。在现有条件下，250%过压倍数以内时，真空短间隙的自击穿时延随过压倍数提升降低幅度较大，而后随着过压倍数的持续增加，自击穿时延降低趋势放缓。可拆卸灭弧室平台上进行的激光能量的影响情况实验结果表明真空短间隙承受的脉冲电压上升速度越快，自击穿时延越低。在70%欠压比，350%过压倍数，激光能量63.9mJ的情况下，真空短间隙的自击穿时延达到了61ns。

目录

声明

1 绪论

1.1 论文研究背景

1.2 多级开关研究现状

1.3 真空间隙击穿影响因素的研究现状

1.3.1 真空度对于真空击穿的影响

1.3.2 间隙距离对于真空击穿的影响

1.3.3 外部磁场对于真空击穿的影响

1.3.4 材料对于真空击穿的影响

1.3.5 表面处理工艺对于真空击穿的影响

1.4 研究目的及意义

1.5 论文所做的工作及各章节安排

2 实验所用开关的放电击穿机理

2.1 球隙火花开关击穿的基本理论

2.2 真空间隙击穿的基本理论

2.3 激光触发间隙击穿的基本理论

2.4 本章小结

3 实验系统及实验试品仿真

3.1 商用真空灭弧室实验平台

3.1.1 商用真空灭弧室

3.1.2 球隙点火装置

3.2 可拆卸灭弧室实验平台

3.2.1 可拆卸灭弧室

3.2.2 激光触发装置

3.3 实验装置仿真

3.3.1 双断口多间隙距离下的电压分布仿真

3.3.2 真空腔体电场分布仿真

3.4 本章小结

4 真空短间隙自击穿特性试验

4.1 商用真空灭弧室短间隙自击穿特性试验

4.1.1 欠压比对于真空灭弧室短间隙自击穿时延的影响

4.1.2 过压倍数对于真空灭弧室短间隙自击穿时延的影响

4.2 可拆卸灭弧室短间隙自击穿特性试验

4.2.1 欠压比对于可拆卸灭弧室短间隙自击穿时延的影响

4.2.2 过压倍数对于可拆卸灭弧室短间隙自击穿时延的影响

4.2.3 前级间隙导通速度对于可拆卸灭弧室短间隙自击穿时延的影响

4.3 本章小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表学术论文情况

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