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两电极旋弧开关触发系统的研究

吴传奇  
【摘要】:作为脉冲功率技术的关键技术的大功率闭合开关,其发展和应用越来越广泛。旋转电弧开关因为其开断电流大、库伦转移量大和开关寿命长等优点在新型的大功率闭合开关中表现突出。在大电流工作环境下,其特殊的两电极无触发极结构,使得稳定的触发导通该开关成为必须研究的问题。 根据触发旋弧开关的电压要求,本文设计了三级双边充电的Marx发生器作为开关的触发装置。其理论输出电压达到120kV以上,回路电感控制在2uH左右,工作状态的分布电容只有约0.1nF,装置整体体积较小,重量较轻。对实验中产生的第二级火花球隙触发电压偏小和Marx点火装置对地电位的影响,本文都提出了较好的改进方法。 本文还对Marx发生器的充放电机理进行详细的分析,通过数学分析对不同充电情况下的充电效率和充电速度进行比较,得到工频整流充电充电速度慢、效率低,但充电电压高、装置简单,因而适合单次的Marx发生器;直流充电性能完全相反,更适合重频的Marx发生器。并利用ATP软件的电路仿真验证了理论分析的正确性。通过数学模型的建立对Marx的放电回路进行分析,得到了其输出电压主要与主电容、回路电感和负载有关,与回路的分布电容无关。用电路仿真对以上四个参量对放电电压的影响进行分析验证,主电容和回路电感可以影响输出电压,但其本身的变化范围较小,分布电容则在负载阻抗较大时对电压产生振荡作用,因此要得到好的输出电压波形,需要根据设计的Marx来调整负载的阻抗。 对于旋弧开关的触发导通的原理,本文利用ansys对电极区域的径向电场强度进行了仿真,分析其作为稍不均匀场的在纳秒脉冲下气体击穿的理论机理。通过触发特性实验和小电流触发导通实验对开关的触发特性进行了实验研究,得到触发脉冲的电压幅值和上升沿对开关触发导通的稳定性影响不明显,当触发电压幅值达到一定值后,起主要作用的是脉冲第一个半波的脉宽,即Marx发生器在初始阶段瞬间输出的能量大才能使开关稳定导通。本文通过触发导通实验的结果,粗略的估计了旋弧开关的触发时延,但由于高压脉冲测量仪器的响应频率偏低,时延还不够精确。文章还根据开关的实际工作中负载极小的情况,对开关的两种触发方式进行了实验比较,得到在开关的阳极侧触发要远好于在开关的负载侧触发,并将此触发方式应用到了后面的大电流实验中。 对于触发装置在旋弧开关大电流工作环境下的触发稳定性,本文也通过开关的大电流实验进行了验证,且三次实验都顺利触发导通,触发装置的稳定性比较满意。


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