微秒脈沖電壓下2 MV電容耦合自觸發(fā)開關(guān)設(shè)計

李俊娜，郭　帆，陳維青，程永平，湯俊萍，陳志強，楊　天，王海洋

(西北核技術(shù)研究所，西安710024；強脈沖輻射環(huán)境模擬與效應(yīng)國家重點實驗室，西安710024)

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微秒脈沖電壓下2MV電容耦合自觸發(fā)開關(guān)設(shè)計

李俊娜，郭帆，陳維青，程永平，湯俊萍，陳志強，楊天，王海洋

(西北核技術(shù)研究所，西安710024；強脈沖輻射環(huán)境模擬與效應(yīng)國家重點實驗室，西安710024)

摘要：提出了一種可用于微秒脈沖電壓下的2 MV電容耦合自觸發(fā)開關(guān)模式，該開關(guān)具有結(jié)構(gòu)簡單、高可靠性等特點。通過電場分布計算及電路計算得到開關(guān)關(guān)鍵絕緣參數(shù)和電路參數(shù)。計算結(jié)果表明,設(shè)計觸發(fā)間隙電壓為主間隙電壓的1.21%，該開關(guān)主間隙場不均勻系數(shù)為1.64，開關(guān)在0.7 MPa的SF6氣體中工作電壓為2.27 MV。

關(guān)鍵詞：脈沖氣體開關(guān)；自觸發(fā)開關(guān)；電場分布；電容耦合；脈沖功率技術(shù)

開關(guān)在脈沖功率技術(shù)領(lǐng)域中占有重要地位[1]，根據(jù)耐受電壓的不同分為直流開關(guān)和脈沖開關(guān)[2]。20世紀(jì)90年代，美國MPI公司成功研制2.6MV三級串聯(lián)紫外預(yù)電離開關(guān)[3]，實現(xiàn)了自觸發(fā)開關(guān)在兆伏級電壓下的應(yīng)用。通過自主研發(fā)，我國掌握了多級串聯(lián)自觸發(fā)開關(guān)的關(guān)鍵技術(shù)[4-5]。在百納秒脈沖電壓下，采用電阻分壓模式的3MV自觸發(fā)開關(guān)作為中儲開關(guān)已經(jīng)成功應(yīng)用于高功率設(shè)備中[6-7]。在應(yīng)用中發(fā)現(xiàn)多級串聯(lián)電阻分壓的自觸發(fā)開關(guān)外圍電阻數(shù)量較多，不利于開關(guān)安裝和整體運輸，且微秒脈沖下電阻的熱容量不足可能導(dǎo)致熱損壞。未來新型高功率設(shè)備的需求是自觸發(fā)開關(guān)作為中儲開關(guān)需承受微秒脈沖，且要求在長途運輸中具有較高的可靠性。本文提出了一種適用于整體安裝、運輸?shù)?MV單級自觸發(fā)開關(guān)，擬采用電容分壓方式從主脈沖獲得自觸發(fā)脈沖降低開關(guān)擊穿抖動。開關(guān)電路參數(shù)、觸發(fā)間隙和主間隙結(jié)構(gòu)配合是影響擊穿分散性的關(guān)鍵因素。通過整體結(jié)構(gòu)設(shè)計和電路設(shè)計驗證了該開關(guān)的可行性，得到了開關(guān)配合參數(shù)和關(guān)鍵件絕緣參數(shù)。

1開關(guān)設(shè)計思路

2MV脈沖開關(guān)應(yīng)用于高功率脈沖源的一級壓縮回路中，承受脈沖電壓。該開關(guān)設(shè)計中，需通過電容分壓從主脈沖得到幾十千伏量級的觸發(fā)脈沖，使得開關(guān)中位于陰極表面的觸發(fā)間隙先擊穿。觸發(fā)間隙擊穿產(chǎn)生的光子照射陰極表面，產(chǎn)生自由電子并匯合擊穿通道中的自由電子，在主間隙電場加速向陽極發(fā)展，導(dǎo)致開關(guān)主間隙擊穿。擊穿過程中，通過光電效應(yīng)和電子直接注入兩種方式，觸發(fā)間隙減小主間隙擊穿過程中的統(tǒng)計時延[8-9]，降低開關(guān)擊穿抖動[10]。

與傳統(tǒng)外觸發(fā)開關(guān)或者之前設(shè)計的電阻分壓型自觸發(fā)開關(guān)相比，電容分壓型開關(guān)具有以下優(yōu)點：1)開關(guān)采用自觸發(fā)方式，無需外部觸發(fā)器，并對前級儲能單元無嚴(yán)格的同步要求；2)充分利用一級脈沖壓縮單元的集總電容作為分壓電路高壓臂，無需繁復(fù)的電阻串聯(lián)，從而避免了電阻絕緣、機械及運輸過程中的損壞問題；3)開關(guān)可采用一級觸發(fā)模式，避免了由于多級串聯(lián)造成的擊穿分散性問題。

2開關(guān)結(jié)構(gòu)及擊穿電壓校核

2.1開關(guān)結(jié)構(gòu)

為了得到較高擊穿電壓和沿面絕緣利用率，開關(guān)內(nèi)外均采用SF6氣體為絕緣介質(zhì)，剖面結(jié)構(gòu)如圖1所示。開關(guān)由開關(guān)主間隙和觸發(fā)間隙組成，預(yù)電離電極嵌于開關(guān)陰極中部。開關(guān)內(nèi)部氣壓不大于0.8MPa，開關(guān)外部氣壓為0.5MPa。

開關(guān)主間隙采用均勻場結(jié)構(gòu)，工作氣壓設(shè)計為0.1～0.7MPa。主電極材料采用不銹鋼，主間隙為場不均勻系數(shù)較小但距離較大的稍不均勻電場結(jié)構(gòu)，電極表面光滑處理。自觸發(fā)間隙由觸發(fā)電極和開關(guān)陰極組成，二者采用支撐絕緣子電氣隔離，間隙擬采用稍不均勻電場結(jié)構(gòu)。開關(guān)主間隙支撐絕緣子采用有機玻璃筒，金屬件與絕緣子相接處設(shè)計臺階結(jié)構(gòu)屏蔽三結(jié)合點處電場，改善絕緣子沿面電場分布。通過尼龍拉桿穿過電極盤緊固電極盤和絕緣子。

圖1電容耦合自觸發(fā)開關(guān)示意圖Fig.1Sketch of a 2 MV capacitance coupling self-triggered switch

2.2擊穿電壓估算公式

與納秒脈沖電壓條件下不同[10]，在微秒脈沖電壓作用下開關(guān)的擊穿電壓與直流電壓下類似，文獻[11]給出了SF6氣體中均勻電場的擊穿電壓判定公式：

Ub=885pd+0.5

(1)

考慮到稍不均勻電場中場不均勻系數(shù)的影響，該公式可修正為

Ub=885pdh/f

(2)

在SF6氣體中閃絡(luò)概率約為0.3%時，允許的絕緣體沿面最大電場強度為[12]

Ei/p<250

(3)

式中，Ub為開關(guān)間隙擊穿電壓，kV；p為SF6氣壓，MPa；d為間隙距離，cm；f為間隙的場不均勻系數(shù)；Ei為絕緣體沿面最大電場強度，kV·cm-1；h為曲率系數(shù)，在氣壓下電極曲率半徑比較大時可以取1。

2.3開關(guān)靜電場分布及擊穿電壓估算

開關(guān)主間隙加載2MV電壓，得到開關(guān)主間隙靜電場分布計算結(jié)果，如圖2所示。開關(guān)電場強度最大值出現(xiàn)在電極尖端545kV·cm-1處，開關(guān)平均電場強度為333.3kV·cm-1，開關(guān)電場不均勻系數(shù)f=Emax/Eave=1.64。開關(guān)支撐絕緣子外沿面最大電場強度為121kV·cm-1，內(nèi)沿面最大電場強度為167kV·cm-1。

根據(jù)式(2)，估算開關(guān)擊穿電壓，當(dāng)p取0.7MPa時，開關(guān)擊穿電壓為2.27MV，滿足開關(guān)工作電壓2MV的要求。開關(guān)外部氣壓取0.5MPa，內(nèi)部氣壓取0.7MPa時，在開關(guān)外部和內(nèi)部絕緣子沿面單位氣壓下，最大電場強度分別為242和238kV·cm-1，均小于SF6氣體中，閃絡(luò)概率約為0.3%的電場強度閾值。

觸發(fā)間隙加載電壓為25kV時，得到觸發(fā)間隙靜電場分布結(jié)果，如圖3所示。間隙電場強度最大值出現(xiàn)在電極尖端727.4kV·cm-1，開關(guān)平均電場強度為500kV·cm-1，開關(guān)電場不均勻系數(shù)f=Emax/Eave=1.45。前期實驗中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)p取0.7MPa時，觸發(fā)間隙擊穿電壓約21kV。如果脈沖峰值取25kV，間隙會在脈沖的前沿位置擊穿。

從圖2與圖3可以看出，由于觸發(fā)間隙電場更強，在脈沖電壓作用下，應(yīng)早于開關(guān)主間隙先擊穿，隨后可觸發(fā)主間隙。從電場分布計算結(jié)果[7]可以看出，開關(guān)主間隙與觸發(fā)間隙均為稍不均勻電場結(jié)構(gòu)，場不均勻系數(shù)比較接近，有利于開關(guān)在全工作范圍內(nèi)達到擊穿和觸發(fā)配合，拓展開關(guān)工作范圍。

3開關(guān)電路設(shè)計

圖4給出了變壓器作為初級儲能模塊的自觸發(fā)開關(guān)等效電路。其中， Ct為開關(guān)觸發(fā)間隙電容(圖1中為耦合電容)，取40nF；C2為開關(guān)高壓臂對地等效電容，為設(shè)備一級壓縮模塊電容，取值為500pF；Cs為開關(guān)主間隙等效電容，計算值為12.6pF；R5為主間隙擊穿前等效電阻； R4為開關(guān)末端測量電阻高壓臂電阻，取值為2kΩ；C3為二級壓縮模塊電容，取值為150pF；L3為二級壓縮模塊充電電感，取值為3μH；其他參數(shù)為變壓器相關(guān)參數(shù)。

圖2開關(guān)主間隙電場分布 圖3觸發(fā)間隙電場分布

Fig.2DistributionofelectricfieldFig.3Distributionofelectricfieldstrengthatthemaingapstrengthatthetriggeringgap

圖4自觸發(fā)開關(guān)等效電路示意圖Fig.4Equivalent circuit of the self-triggered switch

通過電路軟件模擬，變壓器輸出電壓為2.3MV時，開關(guān)主間隙與觸發(fā)間隙上的電壓波形，如圖5所示。此時，觸發(fā)間隙電壓峰值約為28kV，大于觸發(fā)間隙在0.7MPa氣壓下的擊穿電壓21kV，觸發(fā)間隙電壓設(shè)計為主間隙電壓的1.21%，滿足觸發(fā)間隙在主電極脈沖電壓前沿擊穿的要求。

(a)The voltage waveform of the main gap

(b)The voltage waveform of the triggering gap

4擊穿過程分析

開關(guān)采用陰極自觸發(fā)工作模式，擊穿過程與從開關(guān)中部注入光子的預(yù)電離開關(guān)不同。首先，二者擊穿起始階段機制有較大差別。前期工作已經(jīng)驗證，預(yù)電離開關(guān)觸發(fā)位置在開關(guān)中部，觸發(fā)盤屏蔽作用使觸發(fā)間隙放電等離子體中的電子得不到開關(guān)主電場加速，主間隙擊穿起始自由電子主要由光子在陰極上的光電效應(yīng)產(chǎn)生[7]。本文設(shè)計的開關(guān)采用陰極自觸發(fā)工作模式，觸發(fā)間隙擊穿產(chǎn)生的等離子體置于主間隙電場中，參與主間隙擊穿過程，其效果與觸發(fā)結(jié)構(gòu)布置、電子能量、氣體種類等因素有關(guān)。其次，二者脈沖時間尺度不同造成在形成時延階段的過程有差異。微秒脈沖擊穿過程中，開關(guān)主間隙承受的脈沖電場的dE/dt比百納秒的預(yù)電離開關(guān)低1個數(shù)量級，其電場強度絕對值相對較低，在其他條件相同的情況下，微秒脈沖作用下間隙形成時延更長，減小開關(guān)擊穿抖動更困難。

鑒于以上擊穿過程分析，從陰極引入觸發(fā)脈沖電壓的開關(guān)擊穿過程可通過分幅相機、光譜儀和光電倍增管相結(jié)合的方法開展研究工作。

5結(jié)論

設(shè)計了一種微秒脈沖下的2MV電容耦合自觸發(fā)開關(guān)，開關(guān)主間隙采用稍不均勻場設(shè)計，場不均勻系數(shù)f=1.64，根據(jù)之前實驗得到估算公式，開關(guān)最高工作電壓為2.27MV(氣壓為0.7MPa)。有機玻璃筒沿面最大電場強度小于SF6氣體中閃絡(luò)概率約為0.3%的電場閾值；設(shè)計觸發(fā)間隙電壓為主間隙電壓的1.21%，在開關(guān)工作電壓為2.27MV時，觸發(fā)間隙擊穿電壓約為21kV，滿足觸發(fā)間隙在脈沖電壓前沿的擊穿設(shè)計要求。下一步將研究開關(guān)的擊穿特性。

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(下轉(zhuǎn)第020801-7頁)

收稿日期：2016-03-29；修回日期：2016-05-13 基金項目：強脈沖輻射環(huán)境模擬與效應(yīng)國家重點實驗室專項經(jīng)費資助項目(SKLIPR1205)

作者簡介：李俊娜(1981- )，女，陜西大荔人，助理研究員，博士，主要從事脈沖功率技術(shù)研究。 E-mail：lijunna@nint.ac.cn

中圖分類號：TM836

文獻標(biāo)志碼：A

文章編號：2095-6223(2016)020403(4)

Designofa2MVCapacitanceCouplingSelf-Triggered

SwitchUnderMicrosecondPulse

LIJun-na,GUOFan,CHENWei-qing,CHENGYong-ping,TANGJun-ping,CHENZhi-qiang,YANGTian,WANGHai-yang

(NorthwestInstituteofNuclearTechnology,Xi’an710024,China；StateKeyLaboratoryofIntensePulsedRadiationSimulationandEffect,Xi’an710024,China)

Abstract:In this paper, a 2 MV self-triggered switch with capacitance coupling circuit is presented under the microsecond pulse. The switch has a simple structure and a high reliability. Based on the electric field strength and circuit simulation, some key configurations and circuit parameters are obtained. The calculation results show that the voltage of designed triggered gap accounts for 1.21% of the main gap, and the nonuniform factor of the main gap is 1.64, the breakdown voltage of the self-triggered gap is about 21 kV when the maximum working voltage of the switch is 2.27 MV at the air pressure of 0.7 MPa.

Key words：pulsed gas switch；self-triggered switch；field distribution; capacitance coupling；pulsed power technology