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重复频率长寿命气体火花开关的研究

贺臣  
【摘要】:脉冲功率技术在科学试验、国防、生物医学以及环境保护等领域有着广泛的应用,而脉冲功率技术的发展要求作为脉冲功率系统关键元件之一的开关器件具有耐压高、导通电流大、工作寿命长、击穿时延和分散性小的特性以及能重复频率工作等。本文研究对象是场畸变型、旋转电弧气体火花开关。 本文首先综述了各种脉冲大电流闭合开关的特性、工作原理以及近年来脉冲大电流闭合开关的发展状况,特别介绍了气体火花开关的工作机理以开关的发展与分类。 气体火花开关放电时通过的大电流会引起开关电极的烧蚀,而这种烧蚀是影响气体放电开关性能,特别是开关寿命的主要因素。结合旋转电弧开关和环形轨道开关特点,设计了一种旋转电弧、场畸变气体火花开关,有效地减少了气体火花开关电极烧蚀,提高了气体火花开关寿命。它是使开关间隙放电产生的电弧在自身产生的磁场的驱动作用下沿着开关电极的表面运动,减小电弧与电极相互作用的时间,从而达到减小开关电极烧蚀的效果;根据旋转椭圆法近似法,设计出了形状相对优化的开关主电极表面,使开关电极表面的电场尽可能均匀。开关电极表面的放电均匀,这样将防止电弧集中于电极表面的某些地方,因而使电极的烧蚀较均匀,减小开关电极的烧蚀,从而延长开关的寿命;在不同开关结构、不同电极材料和不同电流波形情况下对开关进行了单次触发放电实验,验证了旋转电弧、场畸变间隙开关能够有效地减轻开关电极的烧蚀程度;开关进行了静态自击穿实验,实验结果表明开关静态自击穿电压是比较稳定的,同时也说明所研制的开关间隙内部电场分布比较均匀。 在介绍了触发式气体火花开关触发方式和触发电路的基础上,为减小场畸变开关击穿时延及抖动,提高开关工作的稳定性,研制了一套高陡度场畸变开关脉冲触发系统,可产生幅值为-30kV、上升时间为5.4ns的触发脉冲,其触发脉冲陡度可达5kV/ns左右,并将它应用于开关单次触发击穿试验研究中,对实验结果进行分 WP=4 析表明:开关击穿时延的分散性及开关时延有随触发电压陡度增加而降低的趋势。 介绍了重复频率气体火花开关的绝缘恢复特性,对提高吹气和非吹气火花开关绝缘恢复速度的方法以及气体火花开关以重复频率方式工作的特点和击穿方式作出了总结,并提出了适合场畸变、旋转弧开关的重复频率工作方式。对所研制的旋转电弧、场畸变火花开关在非吹气状态下进行了以准过电压自击穿为工作方式的重复频率击穿实验,其结果表明场畸变旋转电弧开关可以较高重复频率(试验中达到3kHz)、较高电压(6kV)连续击穿且间隙绝缘能尽快恢复。 为对场畸变开关进行重复频率击穿实验,研制了以单片机89C51为核心的触发控制系统,用于对L-C谐振恒流充电电路中的IGBT驱动电路提供控制信号,通过连续控制IGBT通断获得重复频率高压脉冲。该控制系统有良好的人机接口,控制方式灵活,能产生单次脉冲控制信号和频率范围为1Hz~3kHz、分辨率为1Hz,幅值为5V的连续脉冲控制信号;该系统进行了多次开关重复频率击穿试验,工作性能稳定、可靠。


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