激光觸發(fā)多級氣體真空混合開關

廖敏夫 李文浩 蔣西平 鄭春陽 葛國偉 黃金強

(大連理工大學電氣工程學院 大連 116024)

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激光觸發(fā)多級氣體真空混合開關

廖敏夫 李文浩 蔣西平 鄭春陽 葛國偉 黃金強

(大連理工大學電氣工程學院 大連 116024)

觸發(fā)真空開關的電壽命是制約其發(fā)展的瓶頸，基于激光觸發(fā)和快速操動機構的開關可解決此問題。當其工作電流過大時，快速操動機構動作聯(lián)動激光觸發(fā)間隙電極閉合。因為主電極和靶電極的燒蝕和相應的材料損耗是造成電壽命較短的主要原因，因此快速操動機構的應用所帶來的開關壽命的增加是顯著的。設計了基于激光觸發(fā)和快速操動機構的開關，對其進行了靜電場仿真，以優(yōu)化參數。對開關進行了基本特性實驗，當工作電壓為250 kV，激光能量為2 mJ時，開關延時為60 ns，抖動為5 ns。通過實驗發(fā)現(xiàn)，隨著激光能量和開關工作電壓的升高，開關導通延時和抖動顯著減少。該開關可應用在對壽命要求較高的脈沖功率系統(tǒng)中。

激光觸發(fā) 脈沖功率技術 靶電極 氣體放電開關 真空放電開關 快速操動機構

0 引言

觸發(fā)真空開關可采用多種觸發(fā)方式，如電觸發(fā)、電子束觸發(fā)，激光觸發(fā)和沿面觸發(fā)等[1-5]。1973年，A.A.Makarevich等[3]首次進行了對激光觸發(fā)真空開關(Laser Triggered Vacuum Switch，LTVS)的研究，而后LTVS逐步發(fā)展。與此同時激光觸發(fā)氣體開關(Laser Triggered Gas Switch，LTGS)也得到了極大地發(fā)展[6]。

Sandia實驗室工作電壓5 MV、工作電流700 kA的激光觸發(fā)氣體開關的壽命為工作150次[7]，目前高電壓、大電流LTVS的壽命還很短。本文設計的開關，創(chuàng)新性地加入了快速操動機構，在開關承受大電流時驅動觸發(fā)間隙電極閉合，接觸導電代替電弧導電，減少電極燒蝕，雖然自擊穿間隙的電弧仍存在，但考慮到靶電極的燒蝕是導致開關不能正常工作的最重要因素，因此仍可提高開關壽命。

本文首先介紹了開關的結構，然后說明了快速操動系統(tǒng)及整個開關的工作原理，并通過數值計算仿真設計開關的靜電場，以驗證設計的合理性，最后介紹開關的延遲和抖動等基本特性。

1 激光觸發(fā)開關結構設計

1.1 整體結構

開關結構如圖1所示。

1—激光光纖耦合部件；2—陽極；3—自擊穿間隙；4—激光觸發(fā)間隙；5—聚焦透鏡；6—羅氏線圈；7—滾動連接部件；8—碟形彈簧；9—快速操動機構；10—電源；11—儲能電容；12—控制器；13—陰極；14—環(huán)氧絕緣外殼；15—靶電極；16—波紋管；17、18—電氣連接部件圖1 開關結構圖Fig.1 Structure diagram of the switch

1.2 聚焦點位置及靶電極

激光光纖耦合部件將激光束導入開關并確保激光束與陽極開孔同軸，保證開關良好的觸發(fā)性能[8]。聚焦點位置選為靶電極表面中心處[9]。選擇靶電極材料為KCl和Ti的混合物[10]。在靶電極形狀設計方面，將靶電極鑲嵌在陰極中，為了減少高溫電弧對靶電極的損害，在靶電極表面設計一個凹處。由于觸發(fā)間隙電極需要分合動作，為了防止出現(xiàn)熔焊現(xiàn)象，觸發(fā)間隙電極采用銅鉻50合金制成。

1.3 激光觸發(fā)間隙與自擊穿間隙設計

激光觸發(fā)真空間隙長度為15 mm，自擊穿電壓65 kV，工作電壓50 kV。自擊穿間隙采用N2和SF2混合氣體，壓強0.2 MPa，間隙長度5 mm，自擊穿電壓60 kV，工作電壓50 kV，共4級。選擇N2和SF6作為自擊穿間隙工作氣體，可降低成本，并降低對不均勻電場的敏感性，提高絕緣性能[11]。

2 快速操動機構與開關工作原理

在如電磁彈射飛機、增程火箭等應用中，脈沖時間可達幾秒至幾十秒[12]。采用的快速操動機構動作時間為2 ms，能夠滿足應用要求。工作時，激光照射到靶電極上，產生初始等離子體，其受主間隙強電場作用最終形成電弧，激光觸發(fā)間隙導通。而后，自擊穿間隙承受電壓上升，依次擊穿，開關整體導通。若電流值未超過30 kA，開關不動作。若由羅氏線圈測量電流超過30 kA[13]，控制器檢測到此信號后，輸出信號使快速操動機構動作，聯(lián)動激光觸發(fā)間隙電極閉合。

3 仿真結果

對所設計開關電極間隙部分進行了靜電場仿真。為了對觸發(fā)間隙的場強分布進行分析，得到觸發(fā)間隙中間位置直線、距陰極0.2 mm處直線、距靶電極0.2 mm處直線，直線位置如圖2a所示。另有觸發(fā)間隙靶電極處5條水平直線，直線位置如圖2b所示，8條直線的沿線場強數據見表1。

圖2 直線位置示意圖Fig.2 Schematic diagram of lines location

表1 場強特性Tab.1 Field intensity property

通過表1中數據發(fā)現(xiàn)，直線2處為直線3處平均場強的4.8倍。直線4處為直線8處平均場強的1.5倍。由此發(fā)現(xiàn)陰極附近場強強于靶電極附近場強，這有助于對靶電極的保護，進而提高開關壽命。

4 實驗結果及討論

4.1 實驗裝置

實驗主回路如圖3所示。Marx電容器組作為高壓源，圖中AC代表交流電、T為升壓變壓器、TR為Marx電容器組觸發(fā)源、D為高壓整流硅堆、R為充電電阻、R0為保護電阻、r為阻尼電阻、C0為主電容器、G1到G5為火花隙、Gs為主火花隙、Rw為水線電阻。光纖耦合部件連接光纖。圖中1處采用高壓探頭測量開關工作電壓，2處采用電流互感器測量開關工作電流。它們與光電二極管的輸出一同連至示波器來測量開關工作特性。改變激光脈沖能量，開關的延時及其抖動明顯變化，其結果如圖4所示。其中延時定義為激光脈沖上升到峰值的10%至開關電流上升到峰值10%所經歷的時間，其均方根為抖動。采用Nd-YAG脈沖激光器，激光波長1 064 nm，脈沖寬度8 ns，光束直徑8 mm，發(fā)散角小于1 mrad，激光能量穩(wěn)定性小于2%。

圖3 實驗主回路電路圖Fig.3 Diagram of experimental main circuit

4.2 開關工作特性與激光能量

如圖4所示，開關的延時和抖動隨激光能量的上升呈指數下降趨勢。當激光能量小于500 μJ，延時及抖動較大且隨激光能量的增大快速下降。當激光能量大于1 mJ，延時和抖動隨激光能量的上升緩慢下降，趨于穩(wěn)定。激光能量為2 mJ時，延時為60 ns，抖動為5 ns。隨著激光能量增大，由激光觸發(fā)產生的初始等離子體數量增多，因此更易形成電弧放電通道，延時較短，同時觸發(fā)過程也更穩(wěn)定，抖動較小。

圖4 延時及抖動與激光能量關系Fig.4 Relationship between delay or jitter and laser energy

工作電壓為250 kV，激光能量為2 mJ時，延時為60 ns，設此延時用td表示，則有

td=tl+ts

(1)

式中，tl為觸發(fā)間隙延時，s；ts為4級自擊穿間隙的總延時，s。

激光觸發(fā)間隙導通后，可根據T.H.Martin[14]經驗公式計算自擊穿間隙導通時間

tj=97 800(Ej/ρ)-3.44/ρ

(2)

式中，tj為第j級自擊穿間隙的自擊穿時間，s；Ej對應為第j級自擊穿間隙的平均場強，kV/cm；ρ為氣體密度，g/cm3。以上參數均已知，根據式(2)計算可得4級自擊穿間隙的總延時ts為23.3ns。根據式(1)計算可得tl為36.7ns。

4.3 開關工作特性與欠電壓比及壽命特性

開關的工作電壓與自擊穿電壓的比稱為欠電壓比。增加開關的工作電壓即欠電壓比，開關的延時及其抖動隨之減小，其結果如圖5所示，此時激光能量為2mJ。

圖5 延時及抖動與欠電壓比關系Fig.5 Relationship between delay or jitter and working rate

如圖5所示，開關的延時和抖動隨欠電壓比的上升呈下降趨勢。當欠電壓比<78%時，延時及抖動均較大且隨欠電壓比的增加快速下降；當欠電壓比>82%后，延時和抖動隨欠電壓比的增加趨于穩(wěn)定。隨著欠電壓比的增加，由激光觸發(fā)產生的初始等離子體在激光觸發(fā)間隙較強電場的作用下電離更加充分，更易形成電弧，自擊穿間隙工作更穩(wěn)定，同時自擊穿間隙承受電壓更高，擊穿過程也更容易和穩(wěn)定，因此開關工作性能更好。

對所設計的開關進行實驗，當開關電流超過閾值30kA后，快速操動機構動作時間為2ms。動作時間離散性在0.1ms以內，滿足設計要求[15]。

R.S.Nema等[16]介紹了SF6與N2混合氣體間隙的自擊穿電壓計算公式為

U=502(pd)0.915N0.21

(3)

式中，U為自擊穿電壓，kV；p為氣體壓強，kPa；d為間隙距離，cm；N為混合氣中SF6體積分數，%。根據式(3)計算的結果為66.7 kV。

李洪濤[17]介紹了另外一種SF6與N2混合氣體間隙的自擊穿電壓計算公式為

(4)

式中，U為自擊穿電壓，kV；p為氣體壓強，100 kPa；d為間隙距離，cm；N為混合氣中SF6體積分數，%；u為場利用系數，其表達式為

u=Eav/Emax

(5)

根據靜電場仿真結果，Eav為7.403MV·m-1，而Emax為7.652MV·m-1，其他參數已知，根據式(4)和式(5)計算的結果為65kV。

實驗時，可先令快速操動機構動作使激光觸發(fā)間隙閉合，而后測試自擊穿間隙的自擊穿電壓。實驗結果自擊穿電壓為60kV，實驗結果與兩種不同公式的理論值分別相差10.0%和7.7%，這是由自擊穿間隙分壓不均勻造成。

在額定工作電壓250kV，頻率50Hz、幅值40kA的工作電流下，令一新開關工作100次。改變控制器程序，使另一個新開關在相同工作條件下同樣工作100次，然而當其工作電流大于30kA時，快速操動機構不動作，激光觸發(fā)間隙電極不閉合。兩者對比后發(fā)現(xiàn)，后者激光觸發(fā)間隙電極和靶電極相對前者明顯燒蝕更為嚴重，說明本設計開關加入的快速操動機構對電極的保護效果十分明顯。在實驗中，開關在額定條件下工作500次以后，仍能高性能可靠工作，開關的實際壽命還需進一步的實驗證明。

5 結論

1)本文設計的開關因加入了自擊穿間隙和觸發(fā)間隙構成多級結構，所以具有較高的工作電壓。在開關中，加入了快速操動機構，減少了大電流電弧對電極的燒蝕損害，在開關具有大電流工作能力的同時有效提高了開關的使用壽命。

2)通過實驗發(fā)現(xiàn)，增加激光觸發(fā)能量和開關工作電壓，能夠使開關導通延時和抖動顯著減小。當激光觸發(fā)能量大于1mJ，開關工作電壓欠電壓比大于82%時，開關工作性能較好。當額定工作電壓為250kV，激光能量為2mJ時，開關延時為60ns，抖動為5ns。

3)由于采用了激光觸發(fā)方式，開關的延時及其抖動較其他類型的開關明顯減少，并可進一步應用于需要同步控制的開關系統(tǒng)中，為開發(fā)出性能更好的開關提供了一種新思路。

[1]ZhouZhengyang，DuanXiongying，LiaoMinfu，etal.Operationalcharacteristicsofafield-breakdowntriggeredvacuumswitch[J].IEEETransactionsonMagnetics，2009，45(1)：564-567.

[2]McDonaldK，NewtonM，KunhardtEE，etal.Anelectron-beamtriggeredsparkgap[J].IEEETransactionsonPlasmaScience，1980，8(3)：181-185.

[3]MakarevichAA，RodichkinVA.Avacuumsparkgapwithlaserfiring[J].InstrumandExperimentalTechnigues，1973，16(3)：1716-1720.

[4] 胡上茂，姚學玲，陳景亮.沿面閃絡觸發(fā)真空開關初始等離子體特性實驗[J].電工技術學報，2012，27(9)：271-276.HuShangmao，YaoXueling，ChenJingliang.Anexperimentalstudyoninitialplasmacharacteristicsofsurfaceflashovertriggeredvacuumswitch[J].TransactionsofChinaElectrotechnicalSociety，2012，27(9)：271-276.

[5] 戴玲，周正陽，南敬，等.基于六間隙棒電極結構的沿面擊穿型觸發(fā)真空開關的工作特點[J].電工技術學報，2012，27(10)：128-134.DaiLing，ZhouZhengyang，NanJing，etal.Characteristicsofasurface-breakdowntriggeredvacuumswitchwithsix-gaprodelectrodesystem[J].TransactionsofChinaElectrotechnicalSociety，2012，27(10)：128-134.

[6] 李洪濤，丁伯南，王玉娟，等.激光觸發(fā)多級多通道開關觸發(fā)延遲及其抖動特性[J].強激光與粒子束，2004，16(8)：1054-1058.LiHongtao，DingBonan，WangYujuan，etal.Delayandjittercharacteristicofthelasertriggeredmulti-stagemulti-channelswitch[J].HighPowerLaserandParticleBeams，2004，16(8)：1054-1058.

[7]LechienKR，SavageME，AnayaV，etal.Developmentofa5.4MVlasertriggeredgasswitchformultimodule，multimegamperepulsedpowerdrivers[J].PhysicalReviewSTAcceleratorsandBeams，2008，11：060402.

[8] 景春元，邱愛慈，王曉紅，等.XeCl激光觸發(fā)氣體開關的實驗研究[J].強激光與粒子束，1993，5(3)：379-384.JingChunyuan，QiuAici，WangXiaohong，etal.TheexperimentandresearchofXeCllasertriggeredgasswitch[J].HighPowerLaserAndParticleBeam，1993，5(3)：379-384.

[9]SullivanDL.Lasertargettriggeringofgasswitches[D].Columbia：UniversityofMissouri，2008.

[10]HarleyLM，BarnesGA.Low-jitter，high-voltage，infrared，laser-triggered，vacuumswitch[C].ProceedingsofPulsedPowerConference，SanDiego，CA，1991：900-903.

[11]趙智大.高電壓技術[M].北京：中國電力出版社，1999.

[12]王瑩.脈沖功率科學與技術[M].北京：北京航空航天大學出版社，2010.

[13]王寶誠，王德玉，鄔偉揚.羅氏線圈的頻率特性分析與傳感器的設計方法[J].電工技術學報，2009，24(9)：21-27.WangBaocheng，WangDeyu，WuWeiyang.FrequencyresponseanalysisofaRogowskicoiltransduceranditsdesignmethod[J].TransactionsofChinaElectrotechnicalSociety，2009，24(9)：21-27.

[14]MartinTH.Anempiricalformulaforgasswitchbreakdowndelay[C].ProceedingsofPulsedPowerConference，CaliforniaMonterey，1989：73-79.

[15]DongEnyuan，ChenYushuo，WangYongxing，etal.Experimentalstudyofhigh-speedhybridcircuitbreakerusedinfastisolationoffaultypower[C].2013 2ndInternationalConferenceElectricPowerEquipment-SwitchingTechnology(ICEPE-ST)，Matsue，2013：1-4.

[16]NemaRS，KulkarniSV，HusainE.CalculationofsparkingpotentialsofSF6andSF6-gasmixturesinuniformandnon-uniformelectricfields[J].IEEETransactionsonElectricalInsulation，1982，17(1)：70-75.

[17]李洪濤.“Z-Pinch”加速器閉合開關技術研究[D].北京：中國工程物理研究院，2003.

Laser Triggered Multistage Gas-Vacuum Mixed Switch

LiaoMinfuLiWenhaoJiangXipingZhengChunyangGeGuoweiHuangJinqiang

(School of Electrical Engineering Dalian University of Technology Dalian 116024 China)

The electrical durability of the triggered vacuum switch is the bottleneck which impedes its development.To overcome this disadvantage，a new type of laser triggered switch based on laser triggering and fast operating mechanism is put forward.The operating mechanism can drive the electrodes of the laser-triggered gap in contact with each other when the working current is too large.Because the burning loss of the trigger material and the main electrodes is the main reason for the short working life of the laser triggered switches，the increase of the working life by the use of fast operating mechanism is evident and meaningful.The structure of the designed switch is firstly introduced and then simulated within the electrostatic field to optimize and determine the design parameters.In the following basic characteristic experiments，with 250 kV working voltage and 2 mJ laser energy，the delay of the designed switch is 60 ns and its jitter is 5 ns.It is also found that with the increase of the laser energy or the working voltage across the switch，the delay and the jitter decrease significantly.The designed switch can be applied in the pulse power system which needs longer lifetime.

Laser triggering，pulse power technology，target，gas discharge switch，vacuum discharge switch，fast operating mechanism

國家自然科學基金(51337001，51277020，51477024)、中央高?；究蒲袠I(yè)務費專項基金(DUT13YQ102，DUT14ZD201)、高等學校博士學科點專項科研基金(20120041110010)和霍英東基金(131057)資助項目。

2014-11-15 改稿日期2015-01-29

TM315

廖敏夫 男，1975年生，教授，研究方向為智能化高壓電器及高電壓新技術。(通信作者)

李文浩 男，1989年生，碩士研究生，研究方向為脈沖功率技術及激光觸發(fā)真空開關。