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100kA微秒导通时间等离子体融蚀断路开关理论和实验研究

陈林  
【摘要】:本文阐述了等离子体断路开关的研究背景和意义,综述了国内外在此方面的研究现状,并探讨了未来的发展趋势。鉴于目前在等离子体断路开关基础研究和工程设计中还存在的困难,本文分别从理论和实验两方面对100 kA等离子体融蚀断路开关的物理机制、技术性能和初步应用等进行了系统研究。 理论研究方面,本文分别利用解析理论和数值模拟方法对等离子体断路开关的导通、断路和功率流阶段进行了研究。 导通阶段中,利用一维柱面解析模型对MHD、EMHD和BP三种导通模式下导通电流、导通时间与等离子体初始密度、阴极半径和开关区长度的定标关系进行了推导,得到了各导通模式下的导通电流和导通时间与初始等离子体密度、阴极半径以及开关区长度的关系。在此基础上结合本文的实验装置构形,采用二维雪耙动力学数值模拟编码对MHD机制下的等离子体断路开关导通过程进行了模拟,得到了不同时刻雪耙阵面的形状以及开关最终发生断路所在的径向位置,并得到了不同峰值导通电流所对应的等离子体开关导通时间,该结果与本文实验结果符合较好。 断路阶段中,对等离子体开关的两种断路机制,即静电融蚀和Hall融蚀,进行了定性分析和综合比较。在此基础上,利用PIC粒子模拟程序对等离子体断路开关的断路过程进行了模拟计算研究。模拟结果揭示了断路间隙的形成过程和机制,并据此对等离子体断路开关断路阶段的现有模型进行了修正,认为断路过程中Hall融蚀和静电融蚀机制将同时存在,然而静电融蚀将在开关的最终的断路中占主导作用,且静电融蚀是由于磁场排斥所引起的。 功率流阶段中,结合本文设计的等离子体融蚀断路开关实验装置结构,利用PIC粒子模拟程序对该等离子体开关与简单感性负载的耦合特性进行了研究。模拟计算清晰地再现了伴随有电子流和离子流的开关至负载的功率流过程的物理图像。得到了与实验结果基本一致的开关电压和负载电流波形,显示了功率流阶段中的物理过程对于POS至负载的电流转换效率的重要影响。 实验研究方面,本文设计、研制了导通电流约为100 kA的等离子体断路开关实验装置以及相应的测量诊断系统,开展了该等离子体开关相关的电感储能脉冲功率装置系统性能研究和应用研究。本文设计、开发了一种在脉冲功率技术中具有广泛应用前景的高灵敏度激光干涉仪,并用于等离子体枪的系统性能研究。 作为等离子体融蚀开关的注入源——等离子体枪的性能研究中,获得了不同枪 100kA微秒导通时间等离子体融蚀断路开关理论和实验研究 工作电压下等离子体发光的时间积分图像和相应的放电电流波形。采用高灵敏度激 光干涉仪对电缆等离子体枪所喷射的等离子体电子密度和平均喷射速度进行了测 量,并且实验中在距离等离子体枪喷口约70 rnrn处放置一块可以移去的不锈钢薄板, 用来模拟真实等离子体开关中的中心阴极,研究了等离子体与电极材料的相互作用, 得到了等离子体电子密度的准二维分布。有关的测量结果为二维雪耙模拟计算和等 离子体枪的优化设计提供了依据。 等离子体断路开关性能实验中,研究了不同初始等离子体注入条件,包括不同 的触发延时、等离子体枪工作电压(2 IkV、24kV和27 kV)和等离子体枪数目(1、 、2、4和8)对等离子体开关性能的影响。同时还研究了不同Marx发生器工作电压(120 kV、200 kV和280kV)及不同开关区阴极半径(1。m和2。m)时的等离子体开关 性能,分别得到了相应条件下的等离子体开关性能变化规律。研究结果表明,开关 导通时间和开关电压随着枪与主回路之间触发延时、枪工作电压和数目的增加而增 加。随着Marx发生器工作电压的增加,负载电流的上升时间减小,电压倍增系数增 加。当开关区阴极半径增大时,导通时间和负载电流上升时间都增加,而开关电压 和电流转换效率都降低。但对以上各种情形,当开关导通时间接近主回路电流四分 之一周期时,开关电压呈下降趋势。实验中获得的最高电压增益系数约为4.9,最高 电流转换效率约为97%,负载电流上升时间小于100 ns。 本文利用所研制的等离子体开关实验装置进行了应用探索性实验,开展了以等 离子体开关为基础的快脉冲、大电流装置驱动丝阵Z箍缩负载的初步实验。实验中 采用了不同的丝直径和数目,其中钨丝直径分别为7卿和20卿,采用2根和4根 钨丝组成的环形阵列。并利用高速扫描相机获得了钨丝爆炸和箍缩过程中等离子体 自发光的物理图像,观察到了钨丝爆炸形成晕等离子体及其向轴线箍缩和后期向外 膨胀的过程。 本文对等离子体断路开关理论和实验方面的研究结果,将为更高电流水平的基 于电感储能技术的装置设计和建立奠定基础。


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