三電極開關系統(tǒng)自擊穿特性微觀分析

詹艷艷，劉曉明，吳 楠

(1.沈陽工業(yè)大學 電氣工程學院，沈陽 110870；2.天津工業(yè)大學 天津市電工電能新技術重點實驗室，天津 300387； 3.沈陽理工大學 自動化與電氣工程學院，沈陽 110159)

應用于Marx發(fā)生器[1-3]中的氣體火花開關以其優(yōu)越的性能被國內外學者廣泛關注。在氣體開關中，三電極開關與兩電極開關相比具有工作可控性好、閉合時間短、抖動和延時小等優(yōu)點。目前，針對三電極開關系統(tǒng)的研究主要集中在電路特性參數(shù)計算、動態(tài)和靜態(tài)特性實驗研究及電極燒蝕等方面[4-8]。Reddy等通過PIC方法模擬了0.1MPa氬氣環(huán)境下兩電極火花間隙開關的放電過程[9]。Thoma等基于二維和三維PIC-MC方法模擬了美國Sandia國家實驗室的觸發(fā)三電極氣體開關放電過程，以實現(xiàn)相關脈沖功率系統(tǒng)開關設計[10]。徐翱等基于PIC-DSMC方法模擬了氣體火花開關等離子體通道演化過程[11]?；谏鲜龇治觯瑸榈玫讲煌橘|自擊穿特性，本文對三電極開關在真空與SF6介質中自擊穿過程中的微觀過程進行模擬與分析。

1 三電極開關系統(tǒng)結構與計算模型

1.1 系統(tǒng)結構

三電極開關實物和模型如圖1所示。開關上下主電極和中間觸發(fā)極材質為不銹鋼304，主電極與觸發(fā)電極用尼龍螺絲固定，其間通過聚四氟乙烯墊片調節(jié)電極間距。

圖1 三電極開關實物圖和模型圖

1.2 計算模型

1.2.1 流體動力學模型

在流體動力學模型中引入重粒子多組分擴散輸運方程、電子連續(xù)性方程、電子平均能量方程和泊松方程進行求解。其中電子輸運方程為

(1)

(2)

式中：ne為電子密度；Γe為電子通量；Re為電子速率；u為中性流體速度矢量；μe為電子遷移率；E為電場強度；De為電子擴散系數(shù)。

為描述放電中電子能量產生與損失機制，電子能量方程表述為

(3)

(4)

式中：nε為電子能量密度；Γε為電子平均能量通量；Rε為非彈性碰撞能量損失或增加；με為電子能量遷移率；Dε為電子能量擴散系數(shù)；下標ε表示電子能量。

(5)

1.2.2 粒子化學反應模型

在弱電離等離子體中，放電是由外加電場驅動的，輸入功率更多的傳遞給了電子，而較重的離子只有通過和中性氣體分子碰撞才能有效地交換能量。本質是基本粒子之間的彈性碰撞、激發(fā)、電離、重物質反應等，以及這些粒子與電極表面相互碰撞作用的結果。真空介質中和SF6介質中粒子主要化學反應如表1和表2所示。

表1 真空介質主要化學反應

表2 SF6介質主要化學反應

1.2.3 邊界條件

邊界條件的設定：在邊界處假設電子及電子能量的法向分量為0，即：

n·Γe=0，n·Γε=0

(6)

電子在隨機的幾條平均自由路徑中與壁壘碰撞產生二次發(fā)射，得到如下邊界條件：

電子通量邊界條件：

(7)

電子能量通量邊界條件：

(8)

表面反應邊界條件：

-n·jk=MwRk+MwckZkμk(E·n)[Zkμk(E·n)>0]

(9)

式中：n為法向單位矢量；υe,th為電子熱力學速度；γp為二次發(fā)射系數(shù)；εp為二次電子的平均能量；jk為擴散通量向量；Mw為平均分子量；Rk為速率表達式；ck為摩爾濃度；Zk為電荷數(shù)。

1.3 仿真條件分析

由于三電極開關系統(tǒng)具有對稱特性，所以仿真模型只取上極板與觸發(fā)極間進行分析，如圖2所示。其中仿真具體參數(shù)為：兩極板直徑122mm；上極板凸臺直徑90mm；極板間距5mm；仿真介質為真空；絕對壓強為2torr；極板間電壓為1kV。其他介質中擊穿過程與真空類似。

圖2 開關仿真物理模型

2 開關系統(tǒng)自擊穿過程微觀分析

三電極開關系統(tǒng)仿真分析，初始電子由場致發(fā)射提供。在外加電場作用下由陰極表面產生初始電子。擊穿過程則是由于初始電子在電場作用下向陽極運動，這其中會與其他粒子發(fā)生碰撞、電離、激發(fā)、復合等過程導致間隙擊穿而形成等離子通道。

圖3為電子密度分布隨時間發(fā)展過程。

圖3a在t=0.5ns時，開關上極板邊緣處最先出現(xiàn)由場致發(fā)射產生的初始電子。這是由于邊緣處電場畸變嚴重，電場強度較大，相比其他區(qū)域更易產生初始電子。這部分電子運動速度較快，與其他中性粒子碰撞、電離產生更多二次電子和離子，其中也有部分電子直接轟擊電極板表面使電極表面激發(fā)出新的電子。進程發(fā)展如圖3b所示，在t=10ns時，電極間電子數(shù)密度達1020m-3量級，逐漸增多的電子在電場的作用下依舊向陽極運動并形成一定規(guī)模的電子云。此時可認為等離子體通道[11]已初步形成。圖3c中，當t=100ns時，電子數(shù)密度達到最大值為1023m-3量級。而后當時間再次增加時電子數(shù)密度開始下降，說明此時等離子體通道最終形成完畢，極間放電已經發(fā)生。

圖3 電子密度不同時間分布發(fā)展過程

3 等離子體通道影響因素仿真分析

3.1 不同介質等離子體通道特性分析

3.1.1 真空介質等離子體通道特性分析

真空狀態(tài)下由于氣體稀薄，單位體積內的氣體分子數(shù)少，因此粒子之間相互碰撞次數(shù)相對較少，不利于等離子通道的形成。在高壓系統(tǒng)中真空經常被用做絕緣和滅弧介質。研究等離子通道在真空中的形成過程可以清楚的了解放電微觀物理機理[12]。這其中，電子密度分布的發(fā)展可以明確表面等離子通道的形成過程。

圖4為不同時刻電子密度軸向分布。

圖4 真空介質不同時刻電子密度軸向分布

圖4中橫坐標表示從觸發(fā)極到上極板間的距離。上極板電壓為1kV，下極板電壓為0V。

由電子密度軸向分布曲線可知，電子密度隨時間增加不斷增大，并從陰極向陽極擴展。t0為初始時刻由場致發(fā)射產生的初始電子，數(shù)量較少近似為零。從t1至t4時間內電子密度在增大的同時其分布逐漸遠離陰極。這是由于電子在向陽極運動的過程中發(fā)生碰撞電離等反應形成電子崩，崩頭逐漸遠離陰極，而較重的離子運動速度遠低于電子，會在陰極附近形成一個較薄的正電荷區(qū)，即鞘層區(qū)。在鞘層區(qū)外電子密度達到最大值。電子在向陽極移動的過程中大部分由于吸附、復合等作用而終止其“行程”，只有少部分電子到達陽極完成其“旅程”，形成整個放電過程。而在陽極附近，電子分布有突然增加的現(xiàn)象，這是由于存在電荷泄漏，大量負離子在電極表面發(fā)生表面反應而釋放電子恢復中性。

在等離子通道形成的過程中由于電子的碰撞電離會產生能量轉移，導致電子溫度[13]發(fā)生變化。因此在描述等離子通道形成的過程中通常引入電子溫度分布。

圖5為不同時刻軸向電子溫度分布曲線。

圖5 真空介質不同時刻電子溫度軸向分布

從圖5中可以看出電子溫度變化主要集中在陰極附近，這種變化是由于電子和鞘層碰撞產生的能量轉移。而遠離陰極的區(qū)域電子溫度較穩(wěn)定，這部分是由電子與中性粒子碰撞后產生的動量轉移造成的。因為真空中中性粒子較少，所以這部分區(qū)域電子溫度分布較穩(wěn)定。又由于外加電壓并不隨時間發(fā)生變化，所以當鞘層穩(wěn)定后電子溫度基本穩(wěn)定。由圖5可以看出t1至t4曲線幾乎重合。

圖6為真空中等離子體通道電場強度分布。

圖6 真空中等離子體通道電場強度

圖6所示等離子體在陽極附近和中間區(qū)域電場強度約為0，陰極附近空間電場約為106V/m?？梢钥闯鲈陔姌O邊緣處電場強度最大，這是由電極形狀產生的非均勻場。

3.1.2 SF6氣體介質等離子體通道特性分析

SF6是強電負性氣體，其分子極易吸附自由電子而形成質量較大的負離子，削弱氣體中碰撞電離過程，因此其電氣絕緣特性很高，也經常被用作絕緣和滅弧介質。

圖7為在SF6介質中不同時刻電子密度分布。

圖7 SF6介質不同時刻電子密度

圖8為在SF6介質中不同時刻電子溫度軸向分布。

圖8 SF6介質不同時刻電子溫度軸向分布

從圖7、圖8可以看出，與真空相比，電子密度數(shù)減少3個數(shù)量級，電子溫度較高，并很難形成穩(wěn)定的弧柱區(qū)。放電間隙中，不斷發(fā)生的吸附反應使間隙中電子數(shù)減少，導致電子溫度升高。由于電極形狀并未發(fā)生改變，所以在SF6氣體介質中電場分布與真空中分布相似。

3.2 不同間距時等離子體通道特性分析

以真空介質和SF6介質為例，開關系統(tǒng)間距分別為3mm，4mm和5mm，放電過程其等離子體通道穩(wěn)定時刻電子密度和電子溫度如表3和表4所示。

表3 不同間距真空等離子體通道電子密度和電子溫度

表4 不同間距SF6等離子體通道電子密度和電子溫度

由表3、表4可知，電子密度和電子溫度均隨間距增加而增加。間距增加，有效電離碰撞加強，形成大量空間電荷，增強了近陰極區(qū)電場強度，使二次發(fā)射作用增強，電子加速增加，電子密度和電子溫度增加。

4 結論

(1)仿真分析氣體開關的擊穿過程即等離子通道的形成過程，從電子密度和電子溫度分布兩方面進行說明。由電子密度分布隨時間發(fā)展過程和電場強度分布可知，電子密度變化總是發(fā)生在電場畸變最嚴重的區(qū)域。由電子密度軸向分布可知，電子密度隨時間增加不斷增大，并從陰極向陽極擴展。由電子溫度軸向分布可知，等離子體通道形成的能量通過鞘層時逐漸增大，脫離鞘層后達到相對穩(wěn)定狀態(tài)。

(2)對真空和SF6介質進行對比分析。結果表明，隨著電極間距增加，電子密度和電子溫度也隨之增大。與SF6介質相比，真空介質電子密度數(shù)較多、電子溫度較低，絕緣性能不及SF6介質。

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