氣體開關串級環(huán)形間隙放電相互影響機制研究

黃 濤，叢培天，翟戎驍，王志國，張?zhí)煅?/p>

(西北核技術研究所 強脈沖輻射環(huán)境模擬與效應國家重點實驗室，陜西 西安 710024)

快脈沖直線變壓器驅動源(FLTD)在Z箍縮慣性約束聚變和閃光照相領域有廣闊的應用前景，而FLTD多間隙開關是當前脈沖功率技術研究的熱點之一[1-4]。FLTD多間隙開關采用多個圓環(huán)電極形成多個間隙串聯(lián)結構，當觸發(fā)脈沖加載到中間觸發(fā)電極上時，直流充電電壓與觸發(fā)脈沖極性相反的間隙首先擊穿，然后電壓在剩余間隙重新分配，產(chǎn)生過壓自擊穿，這種工作方式具有靜態(tài)特性好、觸發(fā)閾值低等特點[5-7]。在開關特性研究中，發(fā)現(xiàn)觸發(fā)間隙難以形成多通道放電、各間隙通道數(shù)和位置不一致、多個通道區(qū)域集中等現(xiàn)象，通過電路分析無法合理解釋和有效解決上述問題，進而可能導致放電支路電感增大、開關電極燒蝕加重[8-11]。因此，有必要開展FLTD多間隙開關的串級環(huán)形間隙放電影響因素與機制研究，了解多間隙多通道放電特性差異的主要形成原因，為掌握間隙通道數(shù)和位置調控方法提供技術參考，對于優(yōu)化裝置回路參數(shù)和提升運行穩(wěn)定性也具有重要意義。

本文設計一種三電極兩間隙實驗開關，簡化和等效FLTD多間隙開關的基本工作過程，針對中空和非中空觸發(fā)電極的兩只開關進行擊穿特性實驗，分別測量觸發(fā)和自擊穿間隙的擊穿延時和放電通道數(shù)。對比兩只開關兩間隙的脈沖電壓擊穿和多通道放電特性，從串級間隙順序放電的相互作用過程出發(fā)，分析觸發(fā)和自擊穿間隙放電性能的主要影響因素和作用機制。

1 實驗設計與測量方法

1.1 實驗開關設計

參考FLTD堆棧式多間隙開關的工作參數(shù)和組成結構[12]，本文設計了串級兩間隙等效實驗開關，不同觸發(fā)電極結構的兩只實驗開關如圖1所示。除觸發(fā)電極結構略有差異外，兩只開關其他部件結構完全一致。開關整體為同軸圓柱形，總高度11 cm、外徑12 cm；正高壓電極、中間觸發(fā)電極和負高壓電極均為環(huán)形結構，外徑5 cm、內(nèi)徑2 cm，端面為方形平頭，邊緣倒角0.5 cm，電極材料為不銹鋼(1Cr18Ni9Ti)。電極與中間觸發(fā)電極構成觸發(fā)間隙，負電極與中間觸發(fā)電極構成自擊穿間隙，間隙距離均為0.5 cm。密封筒為圓筒形，材料為有機玻璃，內(nèi)外壁表面拋光，具有良好的透光性，有利于放電通道的光學拍攝。絕緣上下蓋板為圓盤形，與密封筒組成3個電極之間的絕緣支撐結構，大幅增加了電極之間的沿面絕緣長度，避免沿面放電影響間隙擊穿穩(wěn)定性。通過金屬觸發(fā)桿，引入外觸發(fā)電壓脈沖，直接饋入到中間觸發(fā)電極，開關工作氣體選用干燥壓縮空氣。實驗開關電極材料、電極結構、間隙距離、工作氣體及間隙電場分布等條件與堆棧式六間隙開關完全一致，且工作過程也是觸發(fā)間隙先擊穿，然后電壓重新分配，自擊穿間隙擊穿。因此，兩間隙實驗開關可簡化和等效FLTD多間隙開關的工作過程，用于串級間隙順序放電相互影響機制研究。

①——正高壓電極；②——中間觸發(fā)電極；③——負高壓電極；④——觸發(fā)連接桿；⑤——觸發(fā)間隙；⑥——自擊穿間隙；⑦——絕緣上蓋板；⑧——絕緣下蓋板；⑨——絕緣密封筒；⑩——金屬隔板a——中空觸發(fā)電極；b——非中空觸發(fā)電極圖1 不同觸發(fā)電極結構的兩只實驗開關

FLTD多間隙開關中間電極一般設計為中空圓環(huán)結構[13]，圖1a中的觸發(fā)電極中空結構與其完全一致，可完全反映放電時觸發(fā)和自擊穿間隙之間的相互影響機制。為進行對比分析，設計了另外一種觸發(fā)電極結構，中間設置不銹鋼金屬隔板，成為非中空圓環(huán)結構(圖1b)，目的是為了屏蔽觸發(fā)和自擊穿間隙之間的粒子輸運或光輻射機制影響。

1.2 實驗電路與平臺

圖2 實驗電路示意圖

實驗電路如圖2所示，兩只儲能電容C1、C2與實驗開關K、回路雜散電感L形成串聯(lián)放電回路。儲能電容均為440 nF，分別連接實驗開關的正負高壓電極，正負高壓直流電源通過阻值約為1 MΩ的充電保護電阻R1、R2為電容充電，觸發(fā)實驗時，充電電壓分別為+25 kV、-25 kV。E、F兩點采用高壓電阻分壓器測量直流充電電壓，N點采用羅果夫斯基線圈測量負載電流，M點采用阻容分壓器測量觸發(fā)電極電壓。實驗采用銅棒直接連接兩只電容的輸出端，回路放電電流幅值約45 kA、周期約1.2 μs；觸發(fā)電纜TD連接中間觸發(fā)電極，觸發(fā)脈沖發(fā)生器產(chǎn)生的負觸發(fā)脈沖不經(jīng)過觸發(fā)電阻直接饋入開關。

通過設置觸發(fā)脈沖發(fā)生器的充電電壓，輸出不同幅值的電壓脈沖，通過高壓同軸電纜傳輸給開關，在中間觸發(fā)電極上形成的不同電壓上升速率的觸發(fā)脈沖波形如圖3所示。不同輸出狀態(tài)的電壓脈沖前沿時間為9～12 ns(10%～90%電壓幅值)，電壓幅值為50～80 kV，進而計算電壓脈沖上升速率分別為3.06、4.05、5.15和7.52 kV/ns。

圖3 不同電壓上升速率的觸發(fā)脈沖波形

1.3 測量與診斷方法

圖4 觸發(fā)電極電壓與回路電流波形

觸發(fā)電極電壓與回路電流波形如圖4所示。觸發(fā)電極電壓起點t0到峰值t1(觸發(fā)間隙擊穿時刻)的時間t1-t0，作為觸發(fā)間隙的擊穿延時；觸發(fā)電極電壓開始快速下落時刻t1到回路電流波形起點t2的時間t2-t1，作為自擊穿間隙的擊穿延時；觸發(fā)電極電壓起點t0到回路電流波形起點t2的時間t2-t0，作為開關的擊穿延時。統(tǒng)計多發(fā)次實驗的擊穿延時，獲得該狀態(tài)下的擊穿抖動。

普通數(shù)碼相機記錄間隙放電積分結果，給出放電通道數(shù)，這里采用4臺相機，分別從不同角度對開關間隙放電通道進行拍攝，選取通道數(shù)最多的一幅圖像作為間隙放電通道數(shù)讀取的有效圖像，盡量避免環(huán)形間隙放電通道的相互干擾或重疊，保證通道數(shù)讀取的準確性。間隙放電通道圖像如圖5所示，正高壓電極與中間觸發(fā)電極之間為觸發(fā)間隙放電通道，負高壓電極與中間觸發(fā)電極之間為自擊穿間隙放電通道。

圖5 間隙放電通道圖像

2 實驗結果

在實驗條件完全一致的情況下，分別開展中空開關和非中空開關的放電特性實驗，同時對中間觸發(fā)極電壓、回路電流和通道發(fā)光圖像進行測量或拍攝，給出開關的靜態(tài)與觸發(fā)擊穿特性，記錄每個間隙擊穿延時和放電通道數(shù)，統(tǒng)計擊穿抖動和平均放電通道數(shù)。

2.1 開關擊穿特性

進行約500發(fā)次的開關老煉實驗，使自擊穿電壓穩(wěn)定。在氣壓0.12、0.14、0.16、0.18、0.20和0.22 MPa 6個氣壓條件下，分別進行50發(fā)次自擊穿實驗，獲得不同氣壓下的開關平均自擊穿電壓及其分散性。中空開關和非中空開關的自擊穿電壓數(shù)據(jù)相近，均近似如下線性關系：

Usb=12.6p+4.54

(1)

式中：Usb為開關自擊穿電壓(單只電容充電電壓)，kV；p為絕對氣壓，p=0.1 MPa。自擊穿電壓相同，且自擊穿電壓分散性均小于3%，表明兩只開關的自擊穿特性基本一致。

在外觸發(fā)擊穿實驗中，根據(jù)式(1)計算充氣氣壓0.3、0.25和0.2 MPa時開關自擊穿電壓，而電容充電電壓為±25 kV，可得3種氣壓下開關工作系數(shù)分別為60%、70%和80%。在上述3種工作系數(shù)時，分別饋入4種前沿上升速率的觸發(fā)電壓脈沖，每種工作狀態(tài)進行30發(fā)次外觸發(fā)擊穿實驗，統(tǒng)計開關擊穿延時和抖動。不同工作系數(shù)和觸發(fā)脈沖電壓上升速率時中空開關和非中空開關擊穿延時和抖動(由數(shù)據(jù)統(tǒng)計誤差棒給出)如圖6所示，中空開關和非中空開關的觸發(fā)特性表現(xiàn)出明顯的差異，中空開關的觸發(fā)擊穿延時與抖動小于非中空開關的觸發(fā)擊穿延時與抖動。

2.2 間隙擊穿抖動

不同工作系數(shù)和觸發(fā)脈沖電壓上升速率時中空開關和非中空開關觸發(fā)和自擊穿間隙的擊穿抖動如圖7所示。兩只開關觸發(fā)間隙擊穿抖動規(guī)律基本一致：隨工作系數(shù)的增大，擊穿抖動變化不明顯；隨觸發(fā)脈沖電壓上升速率增大，擊穿抖動不斷減小，最大擊穿抖動大于5 ns，最小擊穿抖動約1 ns。中空開關和非中空開關自擊穿間隙擊穿抖動隨觸發(fā)脈沖電壓上升速率的變化規(guī)律不明顯；隨工作系數(shù)的增大，中空開關自擊穿間隙擊穿抖動基本無變化，始終保持在約1 ns；工作系數(shù)為60%時，非中空開關自擊穿間隙擊穿抖動約15 ns，80%時約3 ns，隨工作系數(shù)的增大，擊穿抖動最大下降差大于10 ns。總之，無論何種工作狀態(tài)，中空開關自擊穿間隙的擊穿抖動均保持在約1 ns，明顯小于非中空開關自擊穿間隙的擊穿抖動，也優(yōu)于兩只開關觸發(fā)間隙的擊穿性能。

圖6 中空開關(a)和非中空開關(b)的擊穿延時和抖動

工作系數(shù)：a——60%；b——70%；c——80%圖7 中空開關和非中空開關的觸發(fā)和自擊穿間隙擊穿抖動

工作系數(shù)：a——60%；b——70%；c——80%圖8 中空開關和非中空開關觸發(fā)和自擊穿間隙放電通道數(shù)

2.3 間隙放電通道數(shù)

不同工作系數(shù)和觸發(fā)脈沖電壓上升速率時中空開關和非中空開關觸發(fā)和自擊穿間隙的放電通道數(shù)如圖8所示。中空開關和非中空開關觸發(fā)間隙平均放電通道數(shù)變化規(guī)律基本一致：隨工作系數(shù)的增大，觸發(fā)間隙的放電通道數(shù)略有上升，但工作系數(shù)從60%到80%，通道數(shù)上升不足1個；隨觸發(fā)脈沖電壓上升速率增大，觸發(fā)間隙放電通道數(shù)不斷上升，70%、80%工作系數(shù)時，這個規(guī)律尤為明顯，但通道數(shù)最大上升也不足1個；觸發(fā)間隙平均放電通道數(shù)最大約為2個。中空開關和非中空開關自擊穿間隙放電通道數(shù)隨觸發(fā)脈沖電壓上升速率變化規(guī)律不明顯；隨工作系數(shù)的增大，非中空開關自擊穿間隙放電通道數(shù)變化不明顯，始終保持在約1～1.5個；工作系數(shù)為60%時，中空開關自擊穿間隙放電通道數(shù)約2個，80%時接近4個，隨工作系數(shù)的增大，放電通道數(shù)最大上升約2個。總之，無論何種工作狀態(tài)，中空開關自擊穿間隙的放電通道數(shù)明顯大于非中空自擊穿間隙的通道數(shù)，也大于兩只開關觸發(fā)間隙的通道數(shù)。

3 結果分析與討論

3.1 間隙作用電壓對比

串級兩個間隙擊穿過程的作用電壓是不同的，一定幅值觸發(fā)電壓時觸發(fā)間隙擊穿，即觸發(fā)間隙作用電壓與觸發(fā)電壓和直流耐壓有關。觸發(fā)間隙導通后，儲能電容電壓加載到觸發(fā)電極上，電壓加載時間和幅值由回路參數(shù)和電容充電電壓決定。工作系數(shù)為60%、4種觸發(fā)電壓上升速率情況下，開關工作時觸發(fā)電極電壓波形如圖9所示。觸發(fā)電壓(觸發(fā)間隙電壓)上升，不同觸發(fā)脈沖電壓上升速率時觸發(fā)間隙擊穿電壓作用時間和幅值不同，但均大于-50 kV，可知兩只開關觸發(fā)間隙的擊穿電壓大于75 kV；觸發(fā)間隙導通，電壓反向上升階段自擊穿間隙未發(fā)生擊穿，電容電壓全部加載到觸發(fā)電極，不受工作系數(shù)和觸發(fā)脈沖電壓上升速率的影響，始終約為25 kV，兩只開關自擊穿間隙承受的電壓約等于50 kV，此電壓下，自擊穿間隙擊穿。

圖9 開關工作時觸發(fā)電極電壓波形

不同觸發(fā)脈沖電壓上升速率時，觸發(fā)間隙擊穿電壓作用時間和幅值有差異，自擊穿間隙擊穿電壓幅值不變，可解釋自擊穿間隙的擊穿抖動和通道數(shù)隨電壓上升速率變化不明顯的現(xiàn)象。觸發(fā)和自擊穿間隙距離一致，自擊穿間隙擊穿電場小于觸發(fā)間隙，氣體間隙擊穿抖動隨擊穿場強的增大而減小，放電通道數(shù)隨擊穿場強的增大而增大[14]。因此，自擊穿間隙擊穿抖動將大于觸發(fā)間隙，自擊穿間隙放電通道數(shù)小于觸發(fā)間隙，非中空開關間隙擊穿抖動和放電通道數(shù)變化符合上述規(guī)律，但中空開關的實驗結果與之相反，擊穿抖動小、放電通道數(shù)多，從作用電壓角度無法解釋。

3.2 間隙相互作用機制

中空開關和非中空開關的電路參數(shù)、工作過程和作用電壓相同，自擊穿間隙擊穿抖動和放電通道數(shù)卻不同，兩只開關的唯一差異是觸發(fā)電極結構不同，由此推斷，因觸發(fā)間隙比自擊穿間隙早幾十ns發(fā)生擊穿放電，通過中空開關觸發(fā)電極中空通孔，觸發(fā)間隙電弧產(chǎn)生的紫外光和帶電粒子可作用于自擊穿間隙，且預先電離出大量初始電子，促進擊穿放電的形成和發(fā)展。觸發(fā)間隙放電為自擊穿間隙預先產(chǎn)生初始電子，包含兩個物理過程：1) 帶電粒子直接漂移到自擊穿間隙，在氣體中碰撞形成初始電子；2) 紫外光照射自擊穿間隙，產(chǎn)生初始電子。幾十ns時間內(nèi)，漂移速度慢的正離子無法到達自擊穿間隙，而電壓極性又不能驅動電子向自擊穿間隙方向運動，因此，可否定第1個物理過程。初始電子產(chǎn)生的物理機制只能是紫外光照射，通過氣體光致電離或金屬電極表面光電效應產(chǎn)生初始電子，圖10為觸發(fā)和自擊穿間隙紫外光輻照過程示意圖。

圖10 觸發(fā)和自擊穿間隙紫外光輻照過程示意圖

中空開關觸發(fā)間隙放電產(chǎn)生紫外光，照射自擊穿間隙，能在間隙中產(chǎn)生大量的電子，若初始電子數(shù)量達到一定值，可有效縮短統(tǒng)計延時，減小間隙擊穿抖動[15]，氣體開關引入紫外預電離方式，可將開關擊穿抖動控制在1 ns以內(nèi)[16]。這樣可解釋不同工作系數(shù)下，中空開關自擊穿間隙擊穿抖動始終保持約1 ns的現(xiàn)象。紫外光預電離措施還有助于增加氣體間隙放電通道數(shù)[17]，因此，中空開關自擊穿間隙放電通道數(shù)明顯多于其他間隙。

4 結論

本文實驗結果表明，中空開關自擊穿間隙擊穿抖動優(yōu)于兩只開關的其他間隙，始終保持約1 ns，中空開關自擊穿間隙放電通道數(shù)明顯大于兩只開關的其他間隙。中空開關觸發(fā)間隙放電產(chǎn)生紫外光，通過觸發(fā)電極中空通孔，預先照射自擊穿間隙，產(chǎn)生大量初始電子，促進間隙氣體放電的產(chǎn)生和發(fā)展，這是間隙擊穿抖動減小、通道數(shù)增加的主要作用機制。上述結論不僅可應用于串級環(huán)形間隙開關中，而且對其他電極結構串級間隙氣體開關的研制也有借鑒意義。