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喷射等离子体触发气体开关导通特性

张明康 刘轩东 沈曦 梁成军

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喷射等离子体触发气体开关导通特性

    作者简介: 张明康(1995—),男,硕士研究生,从事脉冲功率技术的研究;563457686@qq.com.
  • 基金项目: 国家自然科学基金项目(51207127)
  • 中图分类号: TM56

Discharge characteristics of a gas switch triggered by ejected plasma

  • CLC number: TM56

  • 摘要: 利用内嵌微孔火花放电产生喷射等离子体、作用于两电极开关,研究了间隙距离、气压、气体种类、开关工作系数和电压极性配合等因素对等离子体喷射控制开关导通特性的影响。实验结果表明,等离子体喷射触发开关可在工作系数为10%的条件下可靠快速导通,当开关采用0.5 MPa_N2作为绝缘介质、间隙距离5 mm时,触发导通时延为11.7 μs,抖动为1.42 μs;当间隙距离增大到18 mm时,触发导通时延增大至19.7 μs,触发可靠性降低;当工作系数由10%增大到60%时,触发导通时延由11.7 μs降低至1.1 μs。在确保开关自击穿电压一致的前提下,短间隙、高气压、负触发脉冲电压、正工作电压更有利于减小开关触发导通时延。
  • 图 1  喷射等离子体触发气体开关结构及等离子体喷射腔结构

    Fig. 1  Construction of the gas switch triggered by ejected plasma and structure of plasma ejection cavity

    图 2  开关实验回路

    Fig. 2  Schematic diagram of experimental apparatus

    图 3  触发回路空载时输出波形

    Fig. 3  waveform of unloaded trigger circuit

    图 4  触发电压波形和开关导通电流波形

    Fig. 4  Waveform of trigger voltage and that of conduction current

    图 5  开关导通时延与抖动随间隙距离的变化曲线

    Fig. 5  Delay time and jitter of the switch with different switching coefficients

    图 6  开关导通时延与抖动随开关工作系数的变化曲线

    Fig. 6  Delay time and jitter of the switch with different switching coefficient

    图 7  开关导通时延与抖动随气体种类和气压的变化曲线

    Fig. 7  Delay time and jitter of the switch with different gass type and pressures

    图 8  触发电压和主电压极性相反时开关触发击穿时延与抖动

    Fig. 8  Delay time and jitter of the switch with different polarities of main voltage and trigger pulses

    图 9  触发电压和主电压极性相同时开关触发击穿时延与抖动

    Fig. 9  Delay time and jitter of the switch with same polarities of main voltage and trigger pulses

    表 1  不同间隙距离下,主回路电压及开关触发导通概率

    Table 1  main voltage and discharge probability at different gap distance

    distance/mmmain voltage/kVdischarge number in 40 triggersdischarge probability/%
    5−740100
    13−203895
    15−223485
    18−272870
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    表 2  不同气体种类和间隙气压下,开关的间隙距离

    Table 2  Gap distance changes with gas type and pressure

    gas pressure/MPa distance/mm
    SF6 0.2 12
    0.3 8
    0.5 5
    N2 0.2 32
    0.3 22
    0.5 13
    20% SF6+80% N2 0.2 16
    0.3 11
    0.5 7
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    表 3  不同工作模式下,工作电压与触发脉冲电压极性

    Table 3  Polarities of main voltage and trigger pulse at different working mode

    working modepolarities of main voltagepolarities of trigger voltage
    negativepositive
    positivenegative
    positivepositive
    negativenegative
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出版历程
  • 收稿日期:  2019-06-28
  • 录用日期:  2019-10-21
  • 网络出版日期:  2019-11-07
  • 刊出日期:  2019-12-01

喷射等离子体触发气体开关导通特性

    作者简介: 张明康(1995—),男,硕士研究生,从事脉冲功率技术的研究;563457686@qq.com
  • 1. 西安交通大学 电力设备电气绝缘国家重点实验室,西安 710049
  • 2. 国网四川省电力公司成都供电公司,成都 610000

摘要: 利用内嵌微孔火花放电产生喷射等离子体、作用于两电极开关,研究了间隙距离、气压、气体种类、开关工作系数和电压极性配合等因素对等离子体喷射控制开关导通特性的影响。实验结果表明,等离子体喷射触发开关可在工作系数为10%的条件下可靠快速导通,当开关采用0.5 MPa_N2作为绝缘介质、间隙距离5 mm时,触发导通时延为11.7 μs,抖动为1.42 μs;当间隙距离增大到18 mm时,触发导通时延增大至19.7 μs,触发可靠性降低;当工作系数由10%增大到60%时,触发导通时延由11.7 μs降低至1.1 μs。在确保开关自击穿电压一致的前提下,短间隙、高气压、负触发脉冲电压、正工作电压更有利于减小开关触发导通时延。

English Abstract

  • 气体火花开关因具有结构简单、性能稳定、调控方便、可重复频率工作等特点,在脉冲功率领域得到了广泛的应用[1-7]。按工作方式,其可分为自击穿开关和触发击穿开关。当对开关稳定性、时序性和可控性要求较高时,通常采用后者。

    目前通常采用电脉冲、激光、紫外预电离等方式触发导通开关[8-12]。电脉冲触发利用触发脉冲对间隙电场的畸变作用,首先在触发间隙放电,进而在第二个间隙上形成过电压使其放电,因而电脉冲触发开关的最低工作系数仅能降至50%左右[13-14]。激光触发是将激光脉冲聚焦于触发间隙,使焦点附近的气体电离产生大量等离子体,在电场作用下发展成为火花通道,完成触发间隙的击穿,进而在串联的自击穿间隙上形成过电压使其击穿,激光触发开关在工作系数大于70%时,才能获得较好的放电特性[10]。紫外预电离利用火花放电间隙产生热电弧,发出强烈的紫外光照射在主间隙,增加一定数量的初始电子,降低气体击穿场强,紫外预电离开关工作系数不能低于55%[15]。上述三种触发方式在脉冲功率技术中均有广泛应用,但受气体开关本身技术特点的限制,当开关工作系数较低时,开关不能可靠触发,且导通时延和抖动随工作系数的降低迅速增大。而新型的采用喷射等离子体触发的气体开关[16-20],能实现开关在工作系数低于55%时可靠触发,并且在相同工作系数下,相较于传统电脉冲触发气体开关,其触发抖动大大降低。刘善红等人研究了喷射等离子体的时空分布特性,得到了气压、触发脉冲能量对等离子体喷射高度及时空分布特性的影响[20]。而在喷射等离子体注入主间隙后,间隙距离、间隙气压、绝缘气体种类与工作系数范围等关键技术参数对主间隙导通的影响规律仍需深入研究。鉴于此,本文采用微孔火花放电产生喷射等离子体用于两电极气体开关的触发,研究了间隙距离、气压、气体种类、工作系数与电压极性对开关触发导通特性的影响规律。

    • 喷射等离子体触发气体开关结构如图1所示,主要由主电极、等离子体喷射腔、外壳以及相应的连接杆组成。其中主电极1通过连接杆4与外部的直流高压相连,主电极2作为接地电极。等离子体喷射腔3嵌入主电极2中,喷射腔上层为板电极(主电极2),中心开有锥形喷孔,下层为聚四氟乙烯绝缘环11,正对喷孔处为微孔放电腔;针电极12安装在放电腔的底部,通过连接杆5与外部的触发回路相连;开关外壳主体6、上端盖7、下端盖8均为有机玻璃材料,用尼龙螺杆9连接构成开关的密封腔体,可通过气孔10控制腔体内气压。

      图  1  喷射等离子体触发气体开关结构及等离子体喷射腔结构

      Figure 1.  Construction of the gas switch triggered by ejected plasma and structure of plasma ejection cavity

      实验回路如图2所示,主要由主回路、触发回路、气体开关及测量装置等组成。触发回路由储能电容C、触发间隙S和负载电阻R组成。储能电容C充直流高压,通过触发间隙对负载电阻放电,输出快前沿触发脉冲,并施加到针电极上。当触发回路储能电容充电电压为40 kV时,其空载时的典型输出脉冲波形如图3所示,其输出触发脉冲幅值约为40 kV,上升沿约为50 ns,脉宽约为12 μs。主回路储能电容串接在高压板电极与接地板电极之间,并充直流高压。分别采用电阻分压器和Pearson 101A线圈测量触发脉冲波形和主回路放电电流波形,电阻分压器分压比约为8000:1,Pearson 101A线圈灵敏度为0.01 V/A。

      图  2  开关实验回路

      Figure 2.  Schematic diagram of experimental apparatus

      图  3  触发回路空载时输出波形

      Figure 3.  waveform of unloaded trigger circuit

      当触发脉冲施加到针电极上时,针电极与地电极之间的微孔间隙发生放电,从而产生喷射等离子体。随着喷射等离子体在气体开关主间隙内的发展,等离子体头部与高压电极的距离减小,引起电场严重畸变,从而导致间隙放电。由于等离子体喷射为间隙放电提供了大量初始电子,降低了间隙的绝缘强度,因此可以在极低的工作系数下使开关可靠触发放电,又由于触发脉冲不直接触发气体开关,故不需要高幅值的触发脉冲。当气体间隙导通时,触发脉冲和开关导通电流波形如图4所示,开关触发导通时延Δt定义为触发脉冲起始时刻至主回路电流起始时刻的时间差,抖动为导通时延的标准差。

      图  4  触发电压波形和开关导通电流波形

      Figure 4.  Waveform of trigger voltage and that of conduction current

      气体开关的工作系数定义如下

      $m = {U_0}/{U_{\rm{b}}}$

      (1)

      式中:U0为施加在气体开关两端的工作电压,单位为kV;Ub为相同条件下气体开关的自击穿电压,单位为kV。当气体开关采用N2或SF6气体作为绝缘气体时,其自击穿电压分别可由下式估算

      ${U_{{\rm{b - N_2}}}} = 24.5pd + 6.7\sqrt {pd} $

      (2)

      ${U_{{\rm{b - SF_6}}}} = 88.5pd + 0.5$

      (3)

      式中:p为气体压强,单位为MPa;d为间隙距离,单位为mm。在下文中,气体开关的自击穿电压及在不同充电电压下的工作系数均由上式计算而得。

    • 空气中氧气的存在会使微孔中针电极在触发脉冲的作用下迅速烧蚀而导致开关失效,故气体开关使用N2作为绝缘介质,气压0.5 MPa;触发脉冲电压幅值为+48 kV;开关间隙距离d分别为5,13,15和18 mm。为了保证开关工作系数10%不变,开关充电电压分别设置为−7,−20,−22和−27 kV。每组实验重复40次,得到不同间隙距离下开关触发导通概率如表1所示。可知,间隙距离对主间隙触发导通概率影响较大。随着间隙距离的增大,主间隙触发击穿概率迅速降低,当间隙距离为15 mm时,主间隙击穿概率降低到85%,不能可靠触发导通。这是因为在触发脉冲幅值确定的情况下,等离子体喷射高度相同,随着开关间隙距离增大,喷射等离子体头部与高压电极间的距离增加,在10%左右的极低工作系数下,等离子体喷射触发开关的导通概率迅速降低。

      表 1  不同间隙距离下,主回路电压及开关触发导通概率

      Table 1.  main voltage and discharge probability at different gap distance

      distance/mmmain voltage/kVdischarge number in 40 triggersdischarge probability/%
      5−740100
      13−203895
      15−223485
      18−272870

      开关触发放电平均时延和抖动变化曲线如图5所示。由图5可知,随着间隙距离的增加,主间隙触发放电平均时延和抖动显著变大,间隙长度由5mm变为18 mm,其导通时延由(11.7±1.42)μs增至(19.7±4.23)μs;而当间隙距离大于13 mm时,时延和抖动的增加趋势更明显。结合表1可知,这是因为当间隙距离为13 mm时,主间隙已经处于能够可靠触发的临界状态附近,如果间隙距离继续增大,则主间隙触发导通概率迅速降低,其放电时延和抖动也明显变大。

      图  5  开关导通时延与抖动随间隙距离的变化曲线

      Figure 5.  Delay time and jitter of the switch with different switching coefficients

    • 气体开关间隙距离为5 mm;使用N2作为绝缘介质,气压0.5 MPa;触发脉冲电压幅值固定为+48 kV;改变主回路充电电压,使得开关间隙工作系数m变化范围为10%~60%。每组实验重复40次,得到不同工作系数下开关间隙触发导通平均时延和抖动变化曲线如图6所示。

      图  6  开关导通时延与抖动随开关工作系数的变化曲线

      Figure 6.  Delay time and jitter of the switch with different switching coefficient

      图6可知,工作系数对开关触发导通平均时延和抖动的影响十分明显。随着工作系数的增加,开关间隙触击穿发时延和抖动几乎线性减小,当工作系数由10%增大到60%时,其时延由(11.7±1.42) μs变为(1.1±0.28) μs。这是因为当工作系数增加时,开关上施加的电压使喷射等离子体头部与主电极间更易发生击穿,即使开关击穿时喷射等离子体头部到达的高度随工作系数增加而降低,而在触发脉冲幅值相同、开关气压相同的条件下,每次触发等离子体喷射的速度与极限高度是相同的,从而导致开关触发导通时延与抖动下降;而在高工作系数下,较传统电脉冲触发气体开关,由于喷射等离子体在主间隙内的发展需要一定时间,气体开关触发导通时延主要由喷射等离子体发展时间构成,故而其时延与抖动偏大。

    • 气体开关分别充SF6,N2以及SF6和N2的混合气体(混合气体组成为20%的SF6和80%的N2),气压分别为0.2,0.3和0.5 MPa。触发脉冲电压幅值固定为+48 kV,主回路储能电容充电电压为−20 kV,为保证开关的工作系数为10%不变,即开关的自击穿电压为200 kV不变,不同气体种类和间隙气压下主间隙距离相应改变。表2为不同气体种类和气压下对应的开关间隙距离。每组实验重复40次,得到不同气体种类和气压下间隙距离和触发导通平均时延和抖动变化曲线如图7所示。由图7可知,不同气体种类和气压下间隙触发导通平均时延和抖动相差较大,在开关自击穿电压相同的条件下,随着气压增大、间隙距离减小,开关的触发导通时延明显降低。这表明气压升高将抑制喷射等离子体的发展,其喷射高度降低,但在保持开关自击穿电压以及工作系数相同的情况下,开关间隙距离减小,两者共同作用使得开关的触发导通时延降低。

      表 2  不同气体种类和间隙气压下,开关的间隙距离

      Table 2.  Gap distance changes with gas type and pressure

      gas pressure/MPa distance/mm
      SF6 0.2 12
      0.3 8
      0.5 5
      N2 0.2 32
      0.3 22
      0.5 13
      20% SF6+80% N2 0.2 16
      0.3 11
      0.5 7

      图  7  开关导通时延与抖动随气体种类和气压的变化曲线

      Figure 7.  Delay time and jitter of the switch with different gass type and pressures

      SF6气体中的导通时延显著大于N2中的时延情况,这是因为SF6的强电负性,吸附电子阻碍喷射等离子体的发展,从而使开关的触发导通时延增加。

    • 气体开关分别充SF6,N2,触发脉冲电压幅值固定为48 kV,主回路储能电容充电电压为20 kV,气体开关间隙距离固定为5 mm不变。触发脉冲极性与气体开关工作电压极性组合可有四种工作条件,如表3所示。

      表 3  不同工作模式下,工作电压与触发脉冲电压极性

      Table 3.  Polarities of main voltage and trigger pulse at different working mode

      working modepolarities of main voltagepolarities of trigger voltage
      negativepositive
      positivenegative
      positivepositive
      negativenegative

      图8为触发电压和主电压极性相反时开关触发导通时延和抖动随气压的变化曲线。由图可知,相同触发电压和主电压极性下,由于气体开关间隙距离固定,在气压相同条件下SF6气体绝缘强度高于N2气体,故而SF6中开关导通时延明显大于N2中击穿时延。另外,Ⅱ条件下开关触发击穿时延明显小于条件Ⅰ下的导通时延。其原因可能是,在条件Ⅱ下,触发电压为负极性,对应着“针-板”电极模型中“负尖-正板”的情况,此时等离子体喷射腔击穿电压较高,等离子体获得的初始能量高,从喷孔喷出的初始速度大。同时,主电压为正极性,开关间隙中电场方向由主电极指向板电极,对喷射等离子体头部的电子具有加速作用,进一步加快了等离子体在开关间隙中的发展,因此开关导通时延明显减小。

      图  8  触发电压和主电压极性相反时开关触发击穿时延与抖动

      Figure 8.  Delay time and jitter of the switch with different polarities of main voltage and trigger pulses

      图9为触发电压和主电压极性相同时开关触发击穿时延和抖动随气压的变化曲线。可知,条件Ⅳ下开关触发导通时延小于条件Ⅲ下的导通时延。其原因可能是,在条件Ⅳ下,触发电压和主电压均为正极性,虽然喷射等离子体获得的初始能量低,从喷孔喷出的初始速度小,但在开关间隙中受到电场的加速作用,导致其发展速度更快,因此开关导通时延较小。这也说明主电压极性对开关触发导通时延的影响更明显。

      图  9  触发电压和主电压极性相同时开关触发击穿时延与抖动

      Figure 9.  Delay time and jitter of the switch with same polarities of main voltage and trigger pulses

      另外,对比图8图9还可以发现,四种工作条件下开关触发导通时延的大小关系为Δt<Δt<Δt<Δt。这个结果是由前述两种因素共同作用造成的,即触发电压极性主要影响喷射等离子体的初始速度,而主电压极性主要影响喷射等离子体的发展快慢,并且后者作用更明显。因此,为了获得更小的开关触发导通时延,开关工作条件可选为条件Ⅱ,即主电压为正极性,触发电压为负极性。

    • 本文实验研究了微孔火花放电喷射等离子体触发开关的触发导通特性,获得了不同间隙距离(5~18 mm)、不同工作系数(10%~60%)、不同气压(0.2~0.5 MPa)、不同气体种类(N2,SF6)、不同主电压与触发电压极性下的开关导通时延和抖动,主要结论如下:(1)开关触发导通时延与触发击穿概率随间隙距离增加分别增加与降低,当气体开关采用0.5 MPa_N2作为绝缘介质时,间隙长度由5 mm变为18 mm,其导通时延由(11.7±1.42)μs增至(19.7±4.23)μs,导通概率由100%降至70%;(2)随着工作系数增加,开关导通时延和抖动迅速降低,当工作系数由10%增大到60%时,其时延由(11.7±1.42)μs变为(1.1±0.28)μs。在确保开关自击穿电压不变的前提下,高气压、短间距更利于获得较小的开关导通时延和抖动,SF6和N2混合气体在这方面具有较为明显的优势,是优选的气体绝缘介质;(3)触发电压与工作电压的极性配合对开关的触发导通特性有明显影响,负极性触发脉冲与正极性工作电压的配合可最大程度降低开关的触发导通时延。

参考文献 (20)

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