LTD多間隙氣體開(kāi)關(guān)電場(chǎng)優(yōu)化及自放率實(shí)驗(yàn)研究

降宏瑜，姜曉峰，王志國(guó)，孫鳳舉，魏 浩，樓 成，邱愛(ài)慈

(1. 強(qiáng)脈沖輻射環(huán)境模擬與效應(yīng)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，西安 710024； 2. 西安交通大學(xué) 電力設(shè)備與電氣絕緣國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，西安 710049)

為滿(mǎn)足Z箍縮慣性約束聚變點(diǎn)火及X射線(xiàn)強(qiáng)脈沖輻射環(huán)境模擬等研究的需要，迫切需建設(shè)電流數(shù)十兆安培、前沿百納秒、功率數(shù)百太瓦的脈沖功率驅(qū)動(dòng)源?？熘本€(xiàn)變壓器驅(qū)動(dòng)源(linear transformer driver, LTD)被公認(rèn)為下一代大型脈沖功率源最有前景的新技術(shù)之一[1-9]，得到了世界上多個(gè)國(guó)家的廣泛關(guān)注，研究人員開(kāi)展了大量關(guān)鍵技術(shù)研究[1-10]。LTD可直接從直流充電電容器只經(jīng)一級(jí)開(kāi)關(guān)產(chǎn)生高功率快脈沖；采用模塊化設(shè)計(jì)，結(jié)構(gòu)緊湊，參數(shù)調(diào)整靈活；電容器充放電均為并聯(lián)運(yùn)行，電壓疊加在次級(jí)實(shí)現(xiàn)，初級(jí)絕緣要求低，能提高脈沖驅(qū)動(dòng)源的整體壽命與可靠性，具備重頻運(yùn)行潛力[2-4]。但大型LTD裝置包含數(shù)萬(wàn)至十幾萬(wàn)只氣體開(kāi)關(guān)，對(duì)氣體開(kāi)關(guān)提出了低自放電概率、低觸發(fā)閾值、低抖動(dòng)、低電感、高可靠及長(zhǎng)壽命等要求[10]。其中，開(kāi)關(guān)低自放電概率是裝置穩(wěn)定運(yùn)行的前提，已成為 LTD 技術(shù)發(fā)展和工程應(yīng)用的瓶頸。

近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外研究人員對(duì)于LTD氣體開(kāi)關(guān)技術(shù)開(kāi)展了廣泛研究，在氣體開(kāi)關(guān)工作機(jī)制、擊穿特性、優(yōu)化設(shè)計(jì)等方面形成了系列研究成果。關(guān)于氣體開(kāi)關(guān)自放電，研究了結(jié)構(gòu)參數(shù)[11-13]、電極材料[14]、懸浮微粒[15-16]及表面形貌[17]等對(duì)開(kāi)關(guān)自擊穿特性的影響；通過(guò)開(kāi)關(guān)間隙電場(chǎng)優(yōu)化[18-19]、電極材料優(yōu)選[20]及絕緣支撐優(yōu)化設(shè)計(jì)[21]等提升開(kāi)關(guān)特性；提出了一系列輔助措施降低氣體開(kāi)關(guān)自放率，如通過(guò)等離子體噴射觸發(fā)實(shí)現(xiàn)開(kāi)關(guān)低工作系數(shù)下觸發(fā)導(dǎo)通[22]，采用電阻均壓或電暈均壓實(shí)現(xiàn)多間隙氣體開(kāi)關(guān)間隙電壓均勻分配[23-25]等。

本文基于3維電磁仿真軟件，采用有限元計(jì)算方法，仿真研究了環(huán)形電極倒角半徑、截面參數(shù)和電極高度對(duì)氣體開(kāi)關(guān)間隙電場(chǎng)分布的影響，確定了優(yōu)化的環(huán)形電極結(jié)構(gòu)參數(shù)，并設(shè)計(jì)了4間隙串聯(lián)氣體開(kāi)關(guān)。加工裝配了3只樣品氣體開(kāi)關(guān)，實(shí)驗(yàn)研究了單只氣體開(kāi)關(guān)擊穿特性，并開(kāi)展了萬(wàn)發(fā)次觸發(fā)考核獲得了開(kāi)關(guān)自放率。批量試制了23只氣體開(kāi)關(guān)，分別測(cè)試了自擊穿特性。將該批量開(kāi)關(guān)應(yīng)用于單級(jí)LTD模塊，連續(xù)運(yùn)行303發(fā)次，測(cè)試獲得了模塊自放率。

1 開(kāi)關(guān)間隙電場(chǎng)優(yōu)化

多間隙氣體開(kāi)關(guān)，是在正負(fù)極兩端加電的高壓電極之間，設(shè)置多個(gè)中間電極，將主間隙分隔為多個(gè)短間隙串聯(lián)，電場(chǎng)分布比長(zhǎng)單間隙電場(chǎng)分布更加均勻，可提升自擊穿特性；單個(gè)間隙距離減小，且只有觸發(fā)間隙工作在外觸發(fā)狀態(tài)，其他間隙在過(guò)電壓下逐個(gè)擊穿，可降低觸發(fā)閾值[26]。此外，電極采用環(huán)形電極結(jié)構(gòu)，利用觸發(fā)間隙首先放電產(chǎn)生的紫外光，通過(guò)觸發(fā)電極的中空通孔照射自擊穿間隙產(chǎn)生初始電子，減小擊穿抖動(dòng)[27]。

本文在低電感3電極氣體開(kāi)關(guān)[28]基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)，采用4間隙串聯(lián)結(jié)構(gòu)，以降低開(kāi)關(guān)自放率。開(kāi)關(guān)間隙距離為6 mm，絕緣外殼外徑為89 mm，內(nèi)徑為54 mm。環(huán)形電極外徑為36 mm，其余結(jié)構(gòu)參數(shù)，如內(nèi)徑、截面參數(shù)及電極高度等，根據(jù)電場(chǎng)仿真計(jì)算結(jié)果確定。

根據(jù)氣體擊穿理論，氣體間隙中的電場(chǎng)分布是氣體間隙擊穿特性的主要影響因素。開(kāi)關(guān)放電間隙的電場(chǎng)分布對(duì)開(kāi)關(guān)的自擊穿穩(wěn)定性、觸發(fā)閉合時(shí)延及抖動(dòng)等性能都有決定性的影響[18]。在開(kāi)關(guān)放電間隙結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，一般將電場(chǎng)不均勻系數(shù)f作為主要參數(shù)，表示為[29]

(1)

其中：Emax為間隙最大電場(chǎng)強(qiáng)度；Eav為間隙平均電場(chǎng)強(qiáng)度，是間隙壓降U與間隙距離d之比[13]。氣體開(kāi)關(guān)間隙一般采用稍不均勻的電場(chǎng)，如電場(chǎng)不均勻系數(shù)過(guò)大，擊穿點(diǎn)過(guò)于集中，將會(huì)加劇電極局部區(qū)域的燒蝕程度，不利于延長(zhǎng)開(kāi)關(guān)的壽命，同時(shí)擊穿電壓偏低，需增加間隙距離來(lái)提高開(kāi)關(guān)工作電壓，使開(kāi)關(guān)高度增加，電感增大；如電場(chǎng)不均勻系數(shù)過(guò)小，電場(chǎng)分布過(guò)于均勻，將降低間隙擊穿電壓穩(wěn)定性[30]。因此電場(chǎng)不均勻系數(shù)f的選取，需在二者之間平衡，既能保證開(kāi)關(guān)靜態(tài)擊穿電壓的穩(wěn)定性，又可延長(zhǎng)開(kāi)關(guān)的放電壽命。

1.1 環(huán)形電極倒角半徑對(duì)間隙電場(chǎng)影響

利用3維電磁仿真軟件，建立環(huán)形電極計(jì)算模型。利用有限元計(jì)算方法，對(duì)不同倒角半徑r的環(huán)形電極進(jìn)行了靜電場(chǎng)仿真分析，確定最佳倒角半徑。設(shè)定環(huán)形電極內(nèi)徑為12 mm，倒角半徑r分別為1,2,3,4,5,6 mm，其中，r=6 mm時(shí)，電極截面弧線(xiàn)部分為半圓形。上下兩電極電位分別設(shè)置為40 kV和0。倒角半徑不同時(shí)的環(huán)形電極間隙截面電場(chǎng)分布，如圖1所示。

圖1 倒角半徑不同時(shí)的環(huán)形電極間隙截面電場(chǎng)分布Fig.1 Electric field distribution under different bend radius of ring electrode

其中，以下電極右半截面與間隙的分界線(xiàn)中點(diǎn)為0點(diǎn)，該分界線(xiàn)上與0點(diǎn)之間的長(zhǎng)度為x，讀取電極表面電場(chǎng)強(qiáng)度，分界線(xiàn)的終點(diǎn)為弧線(xiàn)部分做切線(xiàn)垂直于0點(diǎn)法向的點(diǎn)。

圖2為倒角半徑不同時(shí)間隙截面電場(chǎng)仿真計(jì)算結(jié)果。由圖2(a)可見(jiàn)：受電極環(huán)形結(jié)構(gòu)影響，0點(diǎn)左右兩側(cè)表面電場(chǎng)強(qiáng)度并不對(duì)稱(chēng)，電場(chǎng)強(qiáng)度最大處在0點(diǎn)右側(cè)；隨著倒角半徑r的增大，電場(chǎng)強(qiáng)度最大處由倒角邊緣逐漸向0點(diǎn)移動(dòng)。

為定量描述電極表面電場(chǎng)集中的程度，定義電場(chǎng)集中系數(shù)c為

(2)

其中：lh為電極截面電場(chǎng)強(qiáng)度高于間隙平均電場(chǎng)強(qiáng)度的長(zhǎng)度；lt為電極截面分界線(xiàn)兩端終點(diǎn)之間的距離。c可一定程度上反映電極表面易放電的面積占比，作為選取間隙電場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)的參考。

圖2(b)為電場(chǎng)不均勻系數(shù)f和電場(chǎng)集中系數(shù)c隨倒角半徑r的變化關(guān)系。由圖2(b)可見(jiàn)，f逐漸由1.62降低至1.16，c由0.9降低至0.25。r為5，6 mm時(shí)，f的值基本相等，但r為6 mm時(shí)，c值更小，有利于放電集中，降低放電分散性，故環(huán)形電極倒角半徑r選為6 mm，即半圓截面。

(a) Electric field strength on surface

(b) f and c vs.r圖2 倒角半徑不同時(shí)間隙截面電場(chǎng)仿真計(jì)算結(jié)果Fig.2 Simulation results of gap electric field under the different bend radius

1.2 環(huán)形電極內(nèi)徑對(duì)間隙截面電場(chǎng)影響

環(huán)形電極選用半圓截面，對(duì)不同內(nèi)徑下間隙截面電場(chǎng)強(qiáng)度進(jìn)行了計(jì)算。半圓截面半徑R分別取4，5，6，7 mm，此時(shí)環(huán)形電極內(nèi)徑依次為20，16，12，8 mm，不同半圓截面半徑時(shí)的環(huán)形電極間隙截面電場(chǎng)強(qiáng)度分布，如圖3所示。

圖3 不同半圓截面半徑時(shí)的環(huán)形電極間隙截面電場(chǎng)強(qiáng)度分布Fig.3 Electric field strength distribution under differenthalf-circle section radius of ring electrode

讀取電極表面電場(chǎng)強(qiáng)度，計(jì)算了電場(chǎng)不均勻系數(shù)f和電場(chǎng)集中系數(shù)c。圖4為不同半圓截面半徑時(shí)的環(huán)形電極間隙截面電場(chǎng)仿真計(jì)算結(jié)果。由圖4(a)可見(jiàn)，隨著R的增大，f和c均減小，但R=7 mm時(shí)，環(huán)形電極中心通孔過(guò)小，不利于觸發(fā)間隙產(chǎn)生的紫外光透射到自擊穿間隙，故R值選定為6 mm，即環(huán)形電極內(nèi)徑為12 mm。

(a) Electric field strength on surface

(b) f and c vs.R圖4 環(huán)形電極不同半圓截面半徑下間隙截面電場(chǎng)仿真計(jì)算結(jié)果Fig.4 Simulation results of gap electric field under the different half-circle section radius of ring electrode

1.3 環(huán)形電極截面參數(shù)對(duì)間隙截面電場(chǎng)影響

在確定環(huán)形電極內(nèi)徑的基礎(chǔ)上，將半圓截面改為橢圓截面，進(jìn)一步改善電場(chǎng)分布。橢圓截面長(zhǎng)半徑a為6 mm保持不變，短半徑b為2～6 mm時(shí)，進(jìn)行電場(chǎng)仿真，其中b為6 mm時(shí)為半圓截面。短半徑不同時(shí)環(huán)形電極橢圓截面的間隙截面電場(chǎng)分布，如圖5所示。短半徑不同時(shí)環(huán)形電極橢圓截面的間隙電場(chǎng)仿真計(jì)算結(jié)果，如圖6所示。計(jì)算f與c時(shí)，b的間隔取0.2 mm。由圖6(a)可見(jiàn)，短半徑b為2 mm時(shí)，電場(chǎng)強(qiáng)度最大處在截面邊緣。由圖6(b)可見(jiàn)，隨著短半徑b的增大，f由1.06逐漸增大至1.16，c由0.44逐漸降低至0.25。截面參數(shù)的選取，需平衡f與c的值，故選定短半徑b為3.8 mm，此時(shí)f為1.11，c為0.34。

圖5 短半徑不同時(shí)環(huán)形電極橢圓截面的間隙截面電場(chǎng)分布Fig.5 Electric field distribution under different elliptic section short radius of ring electrode

(a) Electric field strength on surface

(b) f and c vs.b圖6 短半徑不同時(shí)環(huán)形電極橢圓截面的間隙電場(chǎng)仿真計(jì)算結(jié)果Fig.6 Simulation results of gap electric field under the different elliptic section short radius of ring electrode

1.4 環(huán)形電極高度對(duì)開(kāi)關(guān)間隙截面電場(chǎng)分布影響

在開(kāi)關(guān)整體高度不變，間隙距離確定的情況下，電極高度將影響開(kāi)關(guān)各間隙的電壓分配，因此，需根據(jù)開(kāi)關(guān)整體結(jié)構(gòu)的電場(chǎng)仿真結(jié)果選取。建立4間隙氣體開(kāi)關(guān)3維電磁模型，上下高壓電極電位設(shè)定為±80 kV，觸發(fā)電極設(shè)定為地電位，兩個(gè)中間電極電位懸浮，電極高度h分別為21,23,25,27,29 mm，進(jìn)行電場(chǎng)仿真。其中，h=23 mm時(shí)開(kāi)關(guān)截面電場(chǎng)分布如圖7所示。電極高度不同時(shí)，開(kāi)關(guān)間隙截面電場(chǎng)強(qiáng)度如圖8所示。

圖7 h=23 mm時(shí)開(kāi)關(guān)截面電場(chǎng)分布Fig.7 Electric field strength distribution of switch at h=23 mm

圖8 電極高度不同時(shí)，開(kāi)關(guān)間隙截面電場(chǎng)強(qiáng)度Fig.8 Electric field strength of switch gap under different h

為定量描述開(kāi)關(guān)各間隙截面電場(chǎng)強(qiáng)度分布的差異，定義電場(chǎng)強(qiáng)度差異系數(shù)δ為

(3)

電極高度h分別為21，23，25，27，29 mm時(shí)，計(jì)算得到電場(chǎng)的差異系數(shù)δ分別為0.039，0.005，0.034，0.076，0.122。由此可見(jiàn)，電極高度h為23 mm時(shí)，間隙電壓均勻分配，利于提升開(kāi)關(guān)自擊穿特性。

2 4間隙氣體開(kāi)關(guān)設(shè)計(jì)

依據(jù)電場(chǎng)仿真結(jié)果，確定環(huán)形電極的外徑為36 mm，內(nèi)徑為12 mm，高度為23 mm，橢圓截面短半徑為3.8 mm，設(shè)計(jì)了4間隙氣體開(kāi)關(guān)，圖9為開(kāi)關(guān)剖面圖。開(kāi)關(guān)整體為圓柱形，外徑為89 mm，高度為152 mm。絕緣外殼為圓筒形，中平面開(kāi)有1個(gè)觸發(fā)連接孔和1個(gè)充放氣孔。位于中平面的觸發(fā)電極和2個(gè)中間電極通過(guò)3個(gè)絕緣柱，頂在外殼內(nèi)壁的圓弧坑里。上下高壓電極分別通過(guò)8個(gè)螺釘和2個(gè)卡環(huán)配合緊固在絕緣外筒兩端，主電極與絕緣外殼之間裝有密封圈。箍環(huán)將開(kāi)關(guān)固定在放電支路電容器上。觸發(fā)電極通過(guò)觸發(fā)桿與觸發(fā)電纜連接。電極采用不銹鋼，箍環(huán)材料采用鋁合金，絕緣外殼采用有機(jī)玻璃，其余絕緣件材料為尼龍。

1- insulation shell；2-high-voltage electrodes；3-snap ring；4-intermediate electrode；5-trigger electrode；6-trigger rod；7-trigger connector；8-insulating post；9-hoop圖9 4間隙氣體開(kāi)關(guān)剖面圖Fig.9 Cutaway view of the four-gap gas switch

3 氣體開(kāi)關(guān)擊穿特性實(shí)驗(yàn)

3.1 氣體開(kāi)關(guān)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

單只開(kāi)關(guān)的擊穿特性實(shí)驗(yàn)在高功率氣體開(kāi)關(guān)特性實(shí)驗(yàn)平臺(tái)[20,28]開(kāi)展，采用功率為5.8 GW的放電支路，包含2只±100 kV/100 nF電容器和1個(gè)低電感水電阻負(fù)載，模擬氣體開(kāi)關(guān)在模塊中的實(shí)際工況，氣體采用0級(jí)空氣。在充電電壓為±80 kV時(shí)，開(kāi)關(guān)觸發(fā)電壓和放電電流波形如圖10所示。由圖10可見(jiàn)，觸發(fā)波形峰值為160 kV，前沿為15 ns，支路放電電流峰值為48 kA。延時(shí)tdelay定義為觸發(fā)電壓起始時(shí)刻與放電電流起始時(shí)刻之差，抖動(dòng)tjitter定義為50發(fā)觸發(fā)實(shí)驗(yàn)延時(shí)的標(biāo)準(zhǔn)偏差[20]。

圖10 當(dāng)充電電壓為±80 kV時(shí)開(kāi)關(guān)典型觸發(fā)電壓與放電電流波形Fig.10 Typical waveforms of the discharge current and the trigger voltage when the charging voltage is ±80 kV

3.2 樣品開(kāi)關(guān)擊穿特性

加工裝配了3只樣品開(kāi)關(guān)，均在氣壓p為0.3 MPa下老練500發(fā)，該氣壓下開(kāi)關(guān)自擊穿電壓Ub約為±90 kV。測(cè)試了開(kāi)關(guān)在氣壓為0.17，0.21，0.26，0.29 MPa下的自擊穿特性，如圖11所示。其中自擊穿電壓Ub為50發(fā)的平均值。由圖11可見(jiàn)，3只氣體開(kāi)關(guān)自擊穿特性一致性較好，自擊穿電壓Ub隨氣壓p的增加保持線(xiàn)性增加關(guān)系，由擬合曲線(xiàn)可得開(kāi)關(guān)自擊穿電壓Ub與充氣氣壓p的關(guān)系為

Ub=37.86+495.7p

(4)

式(4)中，當(dāng)p為0.26，0.29 MPa時(shí)，3只開(kāi)關(guān)自擊穿電壓Ub為170 ，180 kV，標(biāo)準(zhǔn)偏差均小于4 kV，分散性(標(biāo)準(zhǔn)偏差與自擊穿電壓之比)小于3%。

圖11 不同氣壓下開(kāi)關(guān)的自擊穿特性Fig.11 Self-breakdown characteristics of switches under different air pressures

開(kāi)關(guān)在工作電壓為±80 kV時(shí)，進(jìn)行了觸發(fā)電壓為160 kV，工作系數(shù)分別為0.65，0.70，0.75，0.80時(shí)的觸發(fā)實(shí)驗(yàn)，開(kāi)關(guān)工作系數(shù)定義為

(5)

其中，U為氣體開(kāi)關(guān)的工作電壓。因此當(dāng)開(kāi)關(guān)工作系數(shù)確定時(shí)，對(duì)應(yīng)的氣壓p可由式(4)與式(5)計(jì)算得到。圖12為開(kāi)關(guān)延時(shí)及抖動(dòng)隨工作系數(shù)的變化關(guān)系。由圖12可見(jiàn)，開(kāi)關(guān)的抖動(dòng)小于3 ns。

(a) tdelay vs. k

(b) tjittervs. k圖12 開(kāi)關(guān)延時(shí)及抖動(dòng)隨工作系數(shù)的變化關(guān)系Fig.12 Switching delay and jetter vs. working coefficient

開(kāi)展氣體開(kāi)關(guān)10 000次觸發(fā)考核測(cè)試其自放率。在工作系數(shù)為0.70時(shí)，觸發(fā)10 321，9 906，10 027發(fā)，得到開(kāi)關(guān)觸發(fā)考核延時(shí)如圖 13所示。由圖13可見(jiàn)，3只開(kāi)關(guān)的延時(shí)分別為42.6，37.1，37.5 ns，抖動(dòng)分別為2.08，1.77，1.75 ns，發(fā)生自放的次數(shù)分別為0，2，3次，開(kāi)關(guān)自放率小于0.03%。

(a) FGGS-1

(b) FGGS-2

(c) FGGS-3圖13 開(kāi)關(guān)觸發(fā)考核延時(shí)Fig.13 Delay time vs. shot number during triggering test

3.3 批量開(kāi)關(guān)自擊穿特性

批量試制了23只開(kāi)關(guān)，與前述自擊穿特性測(cè)試步驟相同，分別進(jìn)行老練500發(fā)后，測(cè)試不同氣壓下的自擊穿特性。批量開(kāi)關(guān)在氣壓為0.26 MPa時(shí)自擊穿電壓及分散性，如圖14所示。

(a) Ub

(b) Dispersion圖14 批量開(kāi)關(guān)在氣壓為0.26 MPa時(shí)自擊穿電壓及分散性Fig.14 Self-breakdown voltage and dispersion of batch switch at p=0.26 MPa

由圖14可見(jiàn)，23只開(kāi)關(guān)自擊穿電壓Ub并不完全一致，這由于批量加工裝配具有固有偏差，Ub最大值為176.8 kV，最小值為160.6 kV，平均值為168.7 kV，標(biāo)準(zhǔn)偏差為4.3 kV。每只開(kāi)關(guān)的自擊穿電壓分散性均小于3%。

4 單級(jí)模塊實(shí)驗(yàn)

將經(jīng)過(guò)老練和測(cè)試的23只開(kāi)關(guān)安裝于兆安量級(jí)氣體絕緣單級(jí)LTD模塊[8]，分別與2只100 nF塑殼電容器組成主放電支路。圖15為兆安量級(jí)氣體絕緣單級(jí)LTD模塊示意圖。模塊直徑d為2 290 mm，高度為346 mm，初級(jí)腔體采用SF6氣體絕緣。24個(gè)放電支路沿圓周輪輻狀布置，其中23個(gè)支路為主放電支路，1個(gè)支路為觸發(fā)支路。圖16為4間隙氣體開(kāi)關(guān)安裝于LTD模塊中的實(shí)物圖。主放電支路開(kāi)關(guān)從1#到23#編號(hào)。

圖15 兆安量級(jí)氣體絕緣單級(jí)LTD模塊示意圖Fig.15 Gas-insulated mega-ampere-class LTD module

圖16 4間隙氣體開(kāi)關(guān)安裝于LTD模塊實(shí)物圖Fig.16 Four-gap gas switch installed in LTD module

模塊充電電壓為±80 kV，工作系數(shù)為0.65，充電完成耐壓3 s后觸發(fā)，每發(fā)更換氣體，每3發(fā)去磁，連續(xù)運(yùn)行303發(fā)，每發(fā)放電負(fù)載電流峰值如圖17所示。

圖17 模塊連續(xù)運(yùn)行303發(fā)負(fù)載電流峰值Fig.17 Peak load current during continuous operation of 303 shots

模塊工作狀態(tài)共7種，分別是：(1)去磁后正常觸發(fā)100發(fā)；(2)去磁后第2發(fā)正常觸發(fā)99發(fā)；(3)去磁后第3發(fā)正常觸發(fā)100發(fā)；(4)主支路氣體開(kāi)關(guān)充電過(guò)程中自放1發(fā)；(5)觸發(fā)支路氣體開(kāi)關(guān)自放0發(fā)；(6)主支路氣體開(kāi)關(guān)充電完成耐壓過(guò)程中自放3發(fā)；(7)其他異常0發(fā)。其中，前3種狀態(tài)是模塊正常發(fā)次，共299發(fā)。模塊第107發(fā)在升壓過(guò)程中自放，自放開(kāi)關(guān)為18#，第177，197，226發(fā)耐壓1 s以上自放后正常觸發(fā)，自放開(kāi)關(guān)分別為12#，4#，23#，可見(jiàn)4次開(kāi)關(guān)自放電是隨機(jī)出現(xiàn)的，測(cè)試得到模塊自放率為1.32%。

如模塊中氣體開(kāi)關(guān)發(fā)生自放電是獨(dú)立事件，則模塊的自放電概率PLTD表示為

PLTD=1-(1-Pswitch)n

(6)

其中，Pswitch為開(kāi)關(guān)自放電概率；n為模塊中開(kāi)關(guān)個(gè)數(shù)，對(duì)于本模塊n=23。若Pswitch等于開(kāi)關(guān)萬(wàn)發(fā)次考核的自放率0.03%，則計(jì)算得到模塊在工作系數(shù)為0.7時(shí)，自放電概率PLTD=0.69%。工作系數(shù)為0.65時(shí)，自放電概率理論上應(yīng)比0.69%更小，但實(shí)測(cè)為1.32%。模塊自放率實(shí)測(cè)值比計(jì)算值偏大，一方面可能的原因是模塊中開(kāi)關(guān)自放電為非獨(dú)立事件，存在相互耦合的因素，另一方面也可能由于開(kāi)關(guān)在充電完成后的耐壓時(shí)間較長(zhǎng)，導(dǎo)致開(kāi)關(guān)自放率升高。

5 結(jié)論

本文開(kāi)展了氣體開(kāi)關(guān)間隙電場(chǎng)仿真研究，分析了環(huán)形電極倒角半徑、電極內(nèi)徑、橢圓截面短半徑及電極高度對(duì)間隙電場(chǎng)分布的影響，通過(guò)讀取電極表面電場(chǎng)強(qiáng)度，計(jì)算出電場(chǎng)不均勻系數(shù)和電場(chǎng)集中系數(shù)，平衡二者的值。降低電場(chǎng)差異系數(shù)，確立了優(yōu)化的環(huán)形電極結(jié)構(gòu)參數(shù)。

研制了4間隙氣體開(kāi)關(guān)，工作電壓為±80 kV，工作系數(shù)為0.70時(shí)，單只開(kāi)關(guān)自放率小于0.03%；自擊穿電壓為±80 kV時(shí)，批量23只氣體開(kāi)關(guān)分散性均小于3%；充電電壓為±80 kV，工作系數(shù)為0.65時(shí)，LTD模塊連續(xù)運(yùn)行303發(fā)次，模塊自放率為1.32%。

下一步計(jì)劃對(duì)LTD模塊進(jìn)行更多發(fā)次的測(cè)試考核，給出更多發(fā)次實(shí)驗(yàn)下的自放率，同時(shí)開(kāi)展批量開(kāi)關(guān)擊穿特性一致性研究，用于制定氣體開(kāi)關(guān)篩選標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，為L(zhǎng)TD大批量氣體開(kāi)關(guān)的應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。