觸發(fā)真空開關(guān)自擊穿電壓特性的實(shí)驗(yàn)研究

張朝學(xué)

【摘 要】觸發(fā)真空開關(guān)（Triggered Vacuum Switch，TVS），是結(jié)合了真空開關(guān)技術(shù)和三電極火花間隙技術(shù)的一種可控、快速閉合型開關(guān)。本文詳細(xì)分析了觸發(fā)真空開關(guān)結(jié)構(gòu)和觸發(fā)原理，選擇合適的觸發(fā)真空開關(guān)和實(shí)驗(yàn)環(huán)境，根據(jù)設(shè)計(jì)電路建立實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，研究觸發(fā)真空開關(guān)在氣壓為8.0Pa～35Pa范圍內(nèi)自擊穿電壓隨氣壓變化規(guī)律研究。從而豐富觸發(fā)真空開關(guān)的使用環(huán)境。

【關(guān)鍵詞】觸發(fā)真空開關(guān)；觸發(fā)；觸發(fā)原理；擊穿電壓

中圖分類號(hào)： TM564 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 2095-2457（2018）17-0042-002

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2018.17.020

【Abstract】Triggered vacuum switch is a controllable and fast closing switch which combines vacuum switch technology and three electrode spark gap technology.In this paper，the structure and trigger principle of the trigger vacuum switch are analyzed in detail，the appropriate trigger vacuum switch and the experimental environment are selected.The experimental platform is set up based on the design circuit to study the change law of the self breakdown voltage of the trigger vacuum switch in the range of 8.0Pa～35Pa air pressure.It enriches the use environment that triggers the vacuum switch.

【Key words】Triggered Vacuum Switch；Triggered；Triggered Features；breakdown voltage

0 引言

由于觸發(fā)真空開關(guān)具有體積小、通流能力強(qiáng)、工作電壓范圍寬、承受電荷量高、動(dòng)作迅速、可靠性高、強(qiáng)絕緣恢復(fù)特性及環(huán)境適應(yīng)能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)[1-2]，近年來，觸發(fā)真空開關(guān)在脈沖功率技術(shù)、電磁發(fā)射、過電壓防護(hù)的模擬雷電流發(fā)生回路等領(lǐng)域得到廣泛的運(yùn)用[3]，這就使得對(duì)觸發(fā)真空開關(guān)的研究占有舉足輕重的地位。觸發(fā)真空開關(guān)利用高真空作為絕緣介質(zhì)，其具有極高的絕緣水平和真空中弧后等離子體的快速擴(kuò)散、恢復(fù)特性，使得觸發(fā)真空開關(guān)具有較高頻率的重復(fù)導(dǎo)通以及分?jǐn)喔唠妷捍箅娏鞯哪芰?。因此，觸發(fā)真空開關(guān)是一種很有發(fā)展?jié)摿Φ男乱淮娖髟4]。

在觸發(fā)真空開關(guān)的研究中，學(xué)者主要研究觸發(fā)真空開關(guān)在真空條件下的工作特性[5]。然而隨著現(xiàn)代電氣行業(yè)的發(fā)展，對(duì)觸發(fā)真空開關(guān)的工作特性將提出更多的要求。因此，本文主要研究觸發(fā)真空開關(guān)在氣壓為8.0Pa～35Pa條件下觸發(fā)真空開關(guān)的工作特性，得出其相應(yīng)的變化規(guī)律，從而豐富觸發(fā)真空開關(guān)的使用環(huán)境。

1 觸發(fā)真空開關(guān)

1.1 觸發(fā)真空開關(guān)的結(jié)構(gòu)

觸發(fā)真空開關(guān)（Triggered Vacuum Switch）[6]，是脈沖功率技術(shù)中一種重要的開關(guān)器件，利用高真空作為主電極間的絕緣介質(zhì)和滅弧介質(zhì)，并采用特殊設(shè)計(jì)的觸發(fā)極控制開關(guān)的閉合，是一種可控的快速閉合型開關(guān)。

其主要結(jié)構(gòu)為一對(duì)相距一定真空間距的主電極和一個(gè)觸發(fā)電極、金屬屏蔽罩、絕緣外殼。主電極傳導(dǎo)大電流，電極材料和其表面狀態(tài)對(duì)觸發(fā)真空開關(guān)的性能有重要影響；觸發(fā)電極提供初始等離子體；金屬屏蔽罩一方面可以調(diào)整觸發(fā)真空開關(guān)內(nèi)部電場(chǎng)分布，另一方面還可以防止燃弧時(shí)產(chǎn)生的金屬蒸汽沉積在絕緣外殼的內(nèi)表面；絕緣外殼能對(duì)其進(jìn)行密封，同時(shí)還可以起絕緣和支撐的作用。

1.2 觸發(fā)真空開關(guān)的觸發(fā)原理

TVS觸發(fā)過程中，在觸發(fā)極與陰極間加上觸發(fā)脈沖電壓，由于在陰極-真空-介質(zhì)（CVD）三點(diǎn)結(jié)合處易發(fā)生電場(chǎng)畸變，起始電子常常從CVD三點(diǎn)結(jié)合處發(fā)射，而三點(diǎn)結(jié)合處的場(chǎng)強(qiáng)可以由觸發(fā)介質(zhì)和電極表面狀態(tài)而得到增強(qiáng)，如下列公式1所示：

由此可知，三點(diǎn)結(jié)合處的場(chǎng)強(qiáng)與觸發(fā)脈沖電壓、觸發(fā)間隙以及觸發(fā)材料有關(guān)，而根據(jù)文獻(xiàn)[7-8]可知，觸發(fā)材料介電常數(shù)越大，三點(diǎn)結(jié)合處電場(chǎng)強(qiáng)度越大，發(fā)射電子也越大。TVS在觸發(fā)脈沖電壓的作用下在三點(diǎn)結(jié)合處發(fā)射電子，場(chǎng)致發(fā)射電子在觸發(fā)間隙電場(chǎng)的作用下做類似于平拋運(yùn)動(dòng)[9]。

2 VS實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的建立

根據(jù)影響TVS工作特性的因素分析可知，在TVS工作模式中，電極配置方式有A+、A-、C+、C-四種工作模式，不同工作模式對(duì)TVS的工作特性具有不同的影響。與其他三種工作模式相比，相同條件下，A+模式最有利于降TVS觸發(fā)時(shí)延和分散性[10]。

本文選擇使用A+模式、觸發(fā)介質(zhì)為鈦酸鋇的沿面閃絡(luò)型TVS，直接由高壓直流源對(duì)脈沖電容充電并經(jīng)放電回路形成觸發(fā)脈沖建立觸發(fā)回路，并采用機(jī)械泵和油擴(kuò)散泵組成的二級(jí)真空系統(tǒng)，以及相應(yīng)的電子器件和測(cè)量設(shè)備，搭建的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)原理如如圖1所示。

其中：T1為調(diào)壓器，參數(shù)0～220V；T2為升壓變壓器，變比：220V/40kV；D為硅堆； R0為充電保護(hù)電阻4kΩ；C 為充電電容參數(shù)為1μF；R放電限流電阻 3Ω；Rs為測(cè)量回路等效阻值，約為1mΩ。

根據(jù)上述原理圖，搭建本實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)實(shí)物圖進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究。

3 觸發(fā)真空開關(guān)自擊穿電壓隨氣壓變化規(guī)律研究

在氣壓為8.0Pa～35Pa范圍內(nèi)，給TVS陰極和陽極間加上直流偏置電壓，并利用示波器監(jiān)測(cè)偏置電壓的變化，逐漸升高偏置電壓，當(dāng)偏置電壓突然下降時(shí)，則認(rèn)為TVS發(fā)生自擊穿。本實(shí)驗(yàn)在氣壓范圍內(nèi)選擇12個(gè)氣壓，每一個(gè)氣壓上進(jìn)行10次TVS的自擊穿電壓實(shí)驗(yàn)，并記錄其實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。

按照上述條件得出氣壓在8.0Pa～35Pa范圍內(nèi)，TVS的平均自擊穿電壓如表1所示：

對(duì)上述實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，得到氣壓在8.0Pa～35Pa范圍內(nèi)，TVS的自擊穿電壓隨氣壓的變化規(guī)律：TVS的自擊穿電壓隨氣壓的升高而降低，氣壓從8.0Pa升高到35Pa時(shí)，TVS自擊穿電壓從8.68kV降低到1.06kV；且自擊穿電壓的降低速率逐漸減慢，此曲線的變化規(guī)律與巴申曲線的左側(cè)相吻合，從而證明了實(shí)驗(yàn)結(jié)果的正確性。

4 結(jié)語

本文圍繞TVS的工作特性，分析影響TVS工作特性的因素，以此為基礎(chǔ)，選擇合適的實(shí)驗(yàn)方法，建立TVS實(shí)驗(yàn)平臺(tái)?；诖藢?shí)驗(yàn)平臺(tái)，在氣壓為8.0Pa～35Pa條件下，本文進(jìn)行TVS的自擊穿電壓特性的實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：TVS的自擊穿電壓隨氣壓的升高而降低，氣壓從8.0Pa升高到35Pa時(shí)，TVS自擊穿電壓從8.68kV降低到1.06kV；且自擊穿電壓的降低速率逐漸減慢。

本文研究成果得出了TVS的擊穿電壓隨氣壓變化的規(guī)律，豐富觸發(fā)真空開關(guān)的使用環(huán)境，為下一階段研究TVS觸發(fā)時(shí)延和分散性的變化規(guī)律奠定了良好的基礎(chǔ)。

【參考文獻(xiàn)】

[1]Lafferty J.M.Triggered Vacuum Gaps[J].Proceedings of the Institute of Electrical and Electronics Engineers，1966，54（1）：23-33.

[2]Kamakshaiah S，Rau RSN.Delay Characteristics of a Simple Triggered Vacuum Gap[J].Journal of Physics D-Applied Physics， 1975，8：1426-1429.

[3]Shang W，Damstra GC.The Main Gap Discharge Types and Mechanism of a Triggered Vacuum Gaps[M].New York：1996.

[4]Shang W，Damstra GC.The Collective Properties of The Trigger Plasma of a Triggered Vacuum Gaps[M].New York：1996.

[5]Shang W，Damstra GC.The Investigations of Triggered Vacuum Gaps in Negative Main Gap Mode[M].New York： IEEE，1996.

[6]吳遠(yuǎn)利，陳仕修，等.長(zhǎng)間隙觸發(fā)真空開關(guān)的實(shí)驗(yàn)研究[J].高電壓技術(shù)，2004，36（04）：17-19.

[7]Rosenman G，Shur D，Krasik YE，et al.Electron emission from erroelectrics[J].Journal of Applied-physics，2000，88（11）：6109-6161.

[8]姚學(xué)玲，等.低氣壓放電開關(guān)沿面閃絡(luò)觸發(fā)器的性能研究[J].高電壓技術(shù)，2008，34（1）：73-77.

[9]余岳輝，梁琳.脈沖功率器件及其應(yīng)用[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2010.20-25.

[10]周正陽.場(chǎng)擊穿型真空觸發(fā)開關(guān)的相關(guān)理論與實(shí)驗(yàn)研究[D].大連理工大學(xué)，2010.