油介質(zhì)脈沖功率開(kāi)關(guān)相關(guān)理論研究探析

鄒貴榮，王 榮，孫法治

（1.國(guó)網(wǎng)遼寧省電力有限公司大連培訓(xùn)中心，遼寧 大連 116023；2.國(guó)網(wǎng)遼寧省電力有限公司，遼寧 沈陽(yáng) 110006）

油介質(zhì)脈沖功率開(kāi)關(guān)相關(guān)理論研究探析

鄒貴榮1，王 榮1，孫法治2

（1.國(guó)網(wǎng)遼寧省電力有限公司大連培訓(xùn)中心，遼寧 大連 116023；2.國(guó)網(wǎng)遼寧省電力有限公司，遼寧 沈陽(yáng) 110006）

脈沖功率技術(shù)是一門新興的前沿科學(xué)技術(shù)，近年來(lái)由于廣泛的應(yīng)用得到了迅速發(fā)展。高壓脈沖功率開(kāi)關(guān)技術(shù)的發(fā)展直接制約著脈沖功率技術(shù)的應(yīng)用前景。油介質(zhì)具有安全性強(qiáng)、維護(hù)費(fèi)用低、平臺(tái)兼容性高等諸多優(yōu)點(diǎn)。脈沖功率開(kāi)關(guān)放電是一個(gè)復(fù)雜的過(guò)程，與開(kāi)關(guān)的電極形狀、正負(fù)極性、極間距離、液體介質(zhì)性質(zhì)和電壓作用時(shí)間密切相關(guān)。文中研究了油流速和油壓力對(duì)開(kāi)關(guān)油介質(zhì)中副產(chǎn)物的影響及開(kāi)關(guān)油介質(zhì)放電特性，為脈沖功率開(kāi)關(guān)的設(shè)計(jì)及相關(guān)理論提供一定的思路。

脈沖功率技術(shù)；高壓脈沖開(kāi)關(guān)（HPS）；油介質(zhì)放電特性

脈沖功率技術(shù)是一門在較長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)對(duì)較小的功率進(jìn)行壓縮，通過(guò)開(kāi)關(guān)系統(tǒng)以極快速度（可達(dá)納秒級(jí)）向負(fù)載釋放壓縮能量的電物理技術(shù)［1］?？偟膩?lái)說(shuō)，是對(duì)輸入功率的放大，通常負(fù)載上的功率大于106W［2］。它的主要特點(diǎn)是高電壓、大電流、高功率、強(qiáng)脈沖。脈沖功率技術(shù)已被廣泛應(yīng)用于受控核聚變與等離子體物理研究、電力系統(tǒng)、新興強(qiáng)激光、核爆實(shí)驗(yàn)室模擬、電磁炮等領(lǐng)域。脈沖開(kāi)關(guān)技術(shù)是脈沖功率學(xué)科中研究的重要內(nèi)容［3］，脈沖功率開(kāi)關(guān)是脈沖功率裝置中核心部件之一，常用的開(kāi)關(guān)種類很多［4］，例如：氣體開(kāi)關(guān)、液體開(kāi)關(guān)等。其中，油介質(zhì)開(kāi)關(guān)是脈沖功率技術(shù)中的一種最具代表性的開(kāi)關(guān)［5］。

1 高壓脈沖開(kāi)關(guān)（HPS）技術(shù)

HPS的設(shè)計(jì)理念使用了加壓流動(dòng)的油作為開(kāi)關(guān)介質(zhì)。油介質(zhì)和氣體介質(zhì)相比，具有安全性強(qiáng)、維護(hù)費(fèi)用低、平臺(tái)兼容性高等優(yōu)點(diǎn)。開(kāi)關(guān)可以在機(jī)載試驗(yàn)平臺(tái)上使用，選用poly－α烯烴或者PAO作絕緣油，與機(jī)身的兼容性很高［6］。大部分液體具有相對(duì)不可壓縮性，因此絕緣油在高壓下操作很安全。當(dāng)開(kāi)關(guān)放電時(shí)，緊鄰電弧通道的油分子被汽化或灼燒，由于氣體比液體擊穿場(chǎng)強(qiáng)低，因此蒸汽和氣孔可導(dǎo)致油介質(zhì)劣化，同時(shí)開(kāi)關(guān)脈沖重復(fù)頻率提高也會(huì)受到油介質(zhì)中陽(yáng)極和陰極間氣體產(chǎn)物清除率的限制。

1.1 油流速對(duì)氣體副產(chǎn)物的影響

油流速越高越有利于清除放電區(qū)域的氣體副產(chǎn)物，但隨著油流速逐漸增大，會(huì)出現(xiàn)以下2個(gè)問(wèn)題。首先，油泵的功率損耗會(huì)迅速增大；其次，根據(jù)伯努利原理，油泵的出口壓力和出口流速成反比關(guān)系，當(dāng)油流速增加到一定程度時(shí)，泵出口壓力會(huì)下降到油的汽化壓力，此時(shí)將產(chǎn)生對(duì)油介質(zhì)的絕緣強(qiáng)度恢復(fù)不利的空穴。

1.2 油壓力對(duì)氣體副產(chǎn)物的影響

使用加壓油可減小放電過(guò)程中產(chǎn)生的氣體副產(chǎn)物的絕對(duì)體積，同時(shí)也可提高油介質(zhì)的恢復(fù)速率。假設(shè)試驗(yàn)中蒸汽壓力為常數(shù)，相同的油流速和油溫下，操作壓力的升高增加了氣泡消失的可能性。由于阻尼振蕩運(yùn)動(dòng)以及油吸收率的升高，氣泡消失率上升。式（1）是描述氣泡在環(huán)境壓力下瓦解的持續(xù)時(shí)間。

式中：τ是氣泡瓦解的時(shí)間（s）；ri是氣泡的初始半徑（m）；ρ是流體密度（kg／m3）；P是液體靜壓力（Pa）。該過(guò)程是一個(gè)周期性過(guò)程，氣泡振蕩周期可為任意氣泡的振蕩周期。從式（1）中可明顯看出，振蕩周期和壓力的平方根成反比。壓力增加，振蕩周期減小，在粘性流體（如油）中，氣泡消失更快。

初始?xì)馀莅霃絩i對(duì)決定相對(duì)持續(xù)時(shí)間很重要，利用一個(gè)已知的吸收能量來(lái)估計(jì)初始?xì)馀莅霃??？纱_定1個(gè)方程用來(lái)描述球形氣泡外邊界上的力，就是外部壓力乘以外表面積，如式（2）。式（2）中F是球形氣泡外邊界上受到的外力（N），P是球形氣泡受到的外部壓強(qiáng)（Pa）。形成氣泡所做的功為反作用力乘以位移，對(duì)于球形氣泡如式（3），式（3）中氣泡被油壓壓縮時(shí)，氣泡外圍力所做的功可以很好地預(yù)測(cè)初始值［7］。

因許多損耗的功無(wú)法預(yù)測(cè)，故式（3）在很多情況下并不實(shí)用。因此，介紹另一種被廣泛接受的方法，用來(lái)預(yù)測(cè)電弧通道中能量的吸收，對(duì)于生成1個(gè)氣泡所需能量進(jìn)行合理預(yù)測(cè)。該方法由J.C. Martin給出，開(kāi)關(guān)的能量耗散方程如式（4）所示［8］。式（4）中，V是擊穿充電電壓（kV）。能量在電弧通道中耗散，形成1個(gè)氣泡時(shí)，氣泡外圍力所做的功W（J），由于電弧通道阻抗衰減，電弧通道隨時(shí)間常數(shù)τr呈指數(shù)下降，τr由式（5）給出，式（5）中Z為電源阻抗（Ω），Eb為擊穿時(shí)場(chǎng)強(qiáng)（MV／cm）。當(dāng)4.8 Ω脈沖發(fā)生器在250 kV、1.2 MV／cm下發(fā)生擊穿，阻抗為電弧通道吸收的能量約為7.6 J。

放電形成氣泡的尺寸可由式（3）預(yù)估得來(lái)。氣泡半徑和壓力有關(guān)，故選擇一些極端條件來(lái)預(yù)估。大氣壓（101 kPa）下，氣泡半徑為2.62 cm；高壓（10 MPa）下，半徑為5.66 mm。2種情況下，都預(yù)測(cè)出氣泡半徑比電極間隙大幾倍。電極導(dǎo)致的邊界約束使得氣泡形狀幾何失真。電極表面滑動(dòng)接觸及Rayleigh流體所致的不穩(wěn)定導(dǎo)致氣泡在前1個(gè)振蕩周期收縮，單個(gè)氣泡承受擊穿過(guò)程。最終，壓力液體中的氣泡會(huì)被液體吸收，液體保持飽和。

給液體增壓的另一個(gè)好處是增加油吸收氣體的能力，如圖1［9］所示，氣體吸收容量是關(guān)于油壓的函數(shù)。當(dāng)壓力達(dá)到油的臨界壓力（一般為2±1 MPa），油可以吸收大量氣體，幾乎是油體積的2倍。因此，可以吸收的氣體總量取決于所用油的體積。當(dāng)壓力變低，油變成過(guò)飽和狀態(tài)時(shí)，會(huì)釋放氣體到大氣中。

圖1 與油氣體吸收量有關(guān)的油壓函數(shù)

1.3 固態(tài)副產(chǎn)物對(duì)開(kāi)關(guān)設(shè)計(jì)的影響

開(kāi)關(guān)在放電過(guò)程中也會(huì)產(chǎn)生固態(tài)副產(chǎn)物，如由于油的不完全燃燒產(chǎn)生碳，或由于電弧作用從2個(gè)電極上脫落的金屬粒子，金屬粒子被油介質(zhì)湍流逐出電極間加電的區(qū)域，因此該區(qū)域應(yīng)謹(jǐn)慎設(shè)計(jì)，以免粒子截留。

2 油介質(zhì)的放電特性

2.1 脈沖寬度和電極材料的影響

液體電介質(zhì)的擊穿電場(chǎng)強(qiáng)度一般隨電壓脈沖上升時(shí)間的減小而顯著增大，且與電壓脈沖寬度有關(guān)，同時(shí)遵從為常數(shù)的關(guān)系［10］。電壓脈沖寬度越窄，液體電介質(zhì)的擊穿電場(chǎng)強(qiáng)度越高。例如在水中，當(dāng)電壓脈沖寬度為20 ns時(shí)，擊穿電場(chǎng)強(qiáng)度是2.2 MV／cm；而當(dāng)脈沖寬度為5 ns時(shí)，擊穿電場(chǎng)強(qiáng)度增高至7 MV／cm。電極面積的大小對(duì)液體電介質(zhì)的擊穿電場(chǎng)強(qiáng)度也有影響，隨著電極面積增大，擊穿電場(chǎng)強(qiáng)度將下降。電極材料，特別是陰極材料對(duì)液體電介質(zhì)的擊穿電壓及其穩(wěn)定性也有明顯的影響［11］。

隨著電壓脈沖寬度的增大，液體電介質(zhì)如n－乙烷、n－葵烷等的擊穿電場(chǎng)強(qiáng)度將迅速下降。而且液體電介質(zhì)都有一個(gè)臨界電壓脈沖寬度，約為3 μs。當(dāng)電壓脈沖寬度大于臨界值時(shí)，擊穿電場(chǎng)強(qiáng)度幾乎與脈沖寬度無(wú)關(guān)；而當(dāng)電壓脈沖寬度小于臨界值時(shí)，隨電壓脈沖寬度減小，擊穿電場(chǎng)強(qiáng)度將迅速上升。水作為液體電介質(zhì)并沒(méi)有明顯的臨界電壓脈沖寬度，而且隨著電壓脈沖寬度的增大，水的擊穿電場(chǎng)強(qiáng)度將減小。

2.2 油的壓力和溫度的影響

油的壓力和溫度對(duì)其擊穿電場(chǎng)強(qiáng)度有較大影響，隨著壓力的增加，擊穿電場(chǎng)強(qiáng)度也增加，不論是變壓器油或其他液體都符合這一規(guī)律。而且當(dāng)電壓脈沖的寬度在較大范圍變化時(shí)（如從0.5～10 μs）或更短的脈沖寬度，也有這種變化趨勢(shì)。

2.3 液體純度的影響

液體純度對(duì)其擊穿電場(chǎng)強(qiáng)度也有較大影響。液體中存在的微?；蚶w維可使其擊穿電場(chǎng)強(qiáng)度下降，特別是當(dāng)這些微?；蚶w維附著在正極性電極表現(xiàn)更為明顯。若電壓脈沖寬度較大，液體電介質(zhì)的純凈度對(duì)之影響將更大。用固體電介質(zhì)（如玻璃）覆蓋電極表面，可使液體的擊穿電場(chǎng)強(qiáng)度增大。

2.4 經(jīng)驗(yàn)公式

在實(shí)際的工程結(jié)構(gòu)中，電極形狀和所用電介質(zhì)多種多樣，而電壓作用時(shí)間（含脈沖前沿）又不盡相同，另外電極面積有大有小，電場(chǎng)極性有正有負(fù)，因此不可能用1個(gè)或幾個(gè)公式概括所有情況。脈沖功率系統(tǒng)的絕緣問(wèn)題一直是工程設(shè)計(jì)的棘手問(wèn)題，只能依靠試驗(yàn)和借鑒經(jīng)驗(yàn)公式。均勻電場(chǎng)中油和水常使用J.C.MARTIN公式，即式（6）：

式中：te是亞微秒高電壓脈沖作用的有效時(shí)間，定義為從0.63Eb～Eb的時(shí)間；K是與介質(zhì)和電壓極性有關(guān)的常數(shù)；A是電極面積（m2）。當(dāng)式（6）采用國(guó)際單位制時(shí)，K值如表1所示。

式（6）給出均勻電場(chǎng)中液體電介質(zhì)電場(chǎng)強(qiáng)度應(yīng)遵從的關(guān)系，適用于亞微秒范圍。對(duì)于微秒充電脈沖和0.1 m2以內(nèi)面積的電極，水的擊穿場(chǎng)強(qiáng)約為15 MV／m，油擊穿的場(chǎng)強(qiáng)為25 MV／m。對(duì)于更短持續(xù)時(shí)間（7～30 ns）的脈沖，J.P.VanDe?vender和T.H.Martin認(rèn)為擊穿場(chǎng)強(qiáng)Eb幾乎是式（6）的2倍，其值可用式（7）確定。

表1 不同介質(zhì)的K＋和K－值

式中：d是不對(duì)稱電極間的距離（m）。

無(wú)論是指令觸發(fā)開(kāi)關(guān)還是過(guò)電壓自擊穿開(kāi)關(guān)，在導(dǎo)通之前均處于強(qiáng)電場(chǎng)狀態(tài)。當(dāng)電壓一定時(shí)，影響開(kāi)關(guān)動(dòng)作的因素包括電極形狀、正負(fù)極性、極間距離、液體介質(zhì)性質(zhì)和電壓作用時(shí)間。綜上所述，可以確認(rèn)開(kāi)關(guān)放電是一個(gè)相當(dāng)復(fù)雜的過(guò)程［12］。

3 結(jié)束語(yǔ)

雖然脈沖功率技術(shù)研究在我國(guó)還處于起步階段，但由于其巨大的應(yīng)用前景，發(fā)展非常迅速。脈沖功率開(kāi)關(guān)是脈沖功率技術(shù)核心部件之一，圍繞著開(kāi)關(guān)的設(shè)計(jì)和制造必將展開(kāi)深入地研究。基于此，本文為脈沖功率開(kāi)關(guān)的設(shè)計(jì)提供了理論思路。

［1］曾正中.實(shí)用脈沖功率技術(shù)引論［M］.西安：陜西科學(xué)技術(shù)出版社，2003.

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Theoretical Research on Pulse Power Switching of Oil Medium

ZOU Gui?rong1，WANG Rong1，SUN Fa?zhi2
（1.State Grid Liaoning Electric Power Co.，Ltd.，Dalian Training Center，Dalian，Liaoning 116023，China；2.State Grid Liaoning Electric Power Co.，Ltd.，Shengyang，Liaoning 110006，China）

Pulse power technology is a new science technology with wide application which has developed rapidly in recent years.The development of high voltage pulse power switch technology directly restricts the application prospect of pulse power technology.Oil me?dium has a higher security，low maintenance，platform compatibility and many other advantage.Pulse power switch discharge is a complicated process which go together with switch electrode shape，positive and negative polarity，electrode distance，liquid medium nature and voltage time.The effect of oil flow rate and pressure on the secondary product in the oil medium and discharge characteris?tics are studied in this paper.It gives some resolutions for the design of pulse power switch and related theories.

Pulse power technology；HPS；Discharge property of oil medium

TN78；TM564

A

1004－7913（2015）12－0005－03