激光触发多级气体真空混合开关

廖敏夫 李文浩 蒋西平 郑春阳 葛国伟 黄金强

(大连理工大学电气工程学院 大连 116024)



激光触发多级气体真空混合开关

廖敏夫 李文浩 蒋西平 郑春阳 葛国伟 黄金强

(大连理工大学电气工程学院 大连 116024)

触发真空开关的电寿命是制约其发展的瓶颈，基于激光触发和快速操动机构的开关可解决此问题。当其工作电流过大时，快速操动机构动作联动激光触发间隙电极闭合。因为主电极和靶电极的烧蚀和相应的材料损耗是造成电寿命较短的主要原因，因此快速操动机构的应用所带来的开关寿命的增加是显著的。设计了基于激光触发和快速操动机构的开关，对其进行了静电场仿真，以优化参数。对开关进行了基本特性实验，当工作电压为250 kV，激光能量为2 mJ时，开关延时为60 ns，抖动为5 ns。通过实验发现，随着激光能量和开关工作电压的升高，开关导通延时和抖动显著减少。该开关可应用在对寿命要求较高的脉冲功率系统中。

激光触发 脉冲功率技术 靶电极 气体放电开关 真空放电开关 快速操动机构

0 引言

触发真空开关可采用多种触发方式，如电触发、电子束触发，激光触发和沿面触发等[1-5]。1973年，A.A.Makarevich等[3]首次进行了对激光触发真空开关(Laser Triggered Vacuum Switch，LTVS)的研究，而后LTVS逐步发展。与此同时激光触发气体开关(Laser Triggered Gas Switch，LTGS)也得到了极大地发展[6]。

Sandia实验室工作电压5 MV、工作电流700 kA的激光触发气体开关的寿命为工作150次[7]，目前高电压、大电流LTVS的寿命还很短。本文设计的开关，创新性地加入了快速操动机构，在开关承受大电流时驱动触发间隙电极闭合，接触导电代替电弧导电，减少电极烧蚀，虽然自击穿间隙的电弧仍存在，但考虑到靶电极的烧蚀是导致开关不能正常工作的最重要因素，因此仍可提高开关寿命。

本文首先介绍了开关的结构，然后说明了快速操动系统及整个开关的工作原理，并通过数值计算仿真设计开关的静电场，以验证设计的合理性，最后介绍开关的延迟和抖动等基本特性。

1 激光触发开关结构设计

1.1 整体结构

开关结构如图1所示。

1—激光光纤耦合部件；2—阳极；3—自击穿间隙；4—激光触发间隙；5—聚焦透镜；6—罗氏线圈；7—滚动连接部件；8—碟形弹簧；9—快速操动机构；10—电源；11—储能电容；12—控制器；13—阴极；14—环氧绝缘外壳；15—靶电极；16—波纹管；17、18—电气连接部件图1 开关结构图Fig.1 Structure diagram of the switch

1.2 聚焦点位置及靶电极

激光光纤耦合部件将激光束导入开关并确保激光束与阳极开孔同轴，保证开关良好的触发性能[8]。聚焦点位置选为靶电极表面中心处[9]。选择靶电极材料为KCl和Ti的混合物[10]。在靶电极形状设计方面，将靶电极镶嵌在阴极中，为了减少高温电弧对靶电极的损害，在靶电极表面设计一个凹处。由于触发间隙电极需要分合动作，为了防止出现熔焊现象，触发间隙电极采用铜铬50合金制成。

1.3 激光触发间隙与自击穿间隙设计

激光触发真空间隙长度为15 mm，自击穿电压65 kV，工作电压50 kV。自击穿间隙采用N2和SF2混合气体，压强0.2 MPa，间隙长度5 mm，自击穿电压60 kV，工作电压50 kV，共4级。选择N2和SF6作为自击穿间隙工作气体，可降低成本，并降低对不均匀电场的敏感性，提高绝缘性能[11]。

2 快速操动机构与开关工作原理

在如电磁弹射飞机、增程火箭等应用中，脉冲时间可达几秒至几十秒[12]。采用的快速操动机构动作时间为2 ms，能够满足应用要求。工作时，激光照射到靶电极上，产生初始等离子体，其受主间隙强电场作用最终形成电弧，激光触发间隙导通。而后，自击穿间隙承受电压上升，依次击穿，开关整体导通。若电流值未超过30 kA，开关不动作。若由罗氏线圈测量电流超过30 kA[13]，控制器检测到此信号后，输出信号使快速操动机构动作，联动激光触发间隙电极闭合。

3 仿真结果

对所设计开关电极间隙部分进行了静电场仿真。为了对触发间隙的场强分布进行分析，得到触发间隙中间位置直线、距阴极0.2 mm处直线、距靶电极0.2 mm处直线，直线位置如图2a所示。另有触发间隙靶电极处5条水平直线，直线位置如图2b所示，8条直线的沿线场强数据见表1。

图2 直线位置示意图Fig.2 Schematic diagram of lines location

表1 场强特性Tab.1 Field intensity property

通过表1中数据发现，直线2处为直线3处平均场强的4.8倍。直线4处为直线8处平均场强的1.5倍。由此发现阴极附近场强强于靶电极附近场强，这有助于对靶电极的保护，进而提高开关寿命。

4 实验结果及讨论

4.1 实验装置

实验主回路如图3所示。Marx电容器组作为高压源，图中AC代表交流电、T为升压变压器、TR为Marx电容器组触发源、D为高压整流硅堆、R为充电电阻、R0为保护电阻、r为阻尼电阻、C0为主电容器、G1到G5为火花隙、Gs为主火花隙、Rw为水线电阻。光纤耦合部件连接光纤。图中1处采用高压探头测量开关工作电压，2处采用电流互感器测量开关工作电流。它们与光电二极管的输出一同连至示波器来测量开关工作特性。改变激光脉冲能量，开关的延时及其抖动明显变化，其结果如图4所示。其中延时定义为激光脉冲上升到峰值的10%至开关电流上升到峰值10%所经历的时间，其均方根为抖动。采用Nd-YAG脉冲激光器，激光波长1 064 nm，脉冲宽度8 ns，光束直径8 mm，发散角小于1 mrad，激光能量稳定性小于2%。

图3 实验主回路电路图Fig.3 Diagram of experimental main circuit

4.2 开关工作特性与激光能量

如图4所示，开关的延时和抖动随激光能量的上升呈指数下降趋势。当激光能量小于500 μJ，延时及抖动较大且随激光能量的增大快速下降。当激光能量大于1 mJ，延时和抖动随激光能量的上升缓慢下降，趋于稳定。激光能量为2 mJ时，延时为60 ns，抖动为5 ns。随着激光能量增大，由激光触发产生的初始等离子体数量增多，因此更易形成电弧放电通道，延时较短，同时触发过程也更稳定，抖动较小。

图4 延时及抖动与激光能量关系Fig.4 Relationship between delay or jitter and laser energy

工作电压为250 kV，激光能量为2 mJ时，延时为60 ns，设此延时用td表示，则有

td=tl+ts

(1)

式中，tl为触发间隙延时，s；ts为4级自击穿间隙的总延时，s。

激光触发间隙导通后，可根据T.H.Martin[14]经验公式计算自击穿间隙导通时间

tj=97 800(Ej/ρ)-3.44/ρ

(2)

式中，tj为第j级自击穿间隙的自击穿时间，s；Ej对应为第j级自击穿间隙的平均场强，kV/cm；ρ为气体密度，g/cm3。以上参数均已知，根据式(2)计算可得4级自击穿间隙的总延时ts为23.3ns。根据式(1)计算可得tl为36.7ns。

4.3 开关工作特性与欠电压比及寿命特性

开关的工作电压与自击穿电压的比称为欠电压比。增加开关的工作电压即欠电压比，开关的延时及其抖动随之减小，其结果如图5所示，此时激光能量为2mJ。

图5 延时及抖动与欠电压比关系Fig.5 Relationship between delay or jitter and working rate

如图5所示，开关的延时和抖动随欠电压比的上升呈下降趋势。当欠电压比<78%时，延时及抖动均较大且随欠电压比的增加快速下降；当欠电压比>82%后，延时和抖动随欠电压比的增加趋于稳定。随着欠电压比的增加，由激光触发产生的初始等离子体在激光触发间隙较强电场的作用下电离更加充分，更易形成电弧，自击穿间隙工作更稳定，同时自击穿间隙承受电压更高，击穿过程也更容易和稳定，因此开关工作性能更好。

对所设计的开关进行实验，当开关电流超过阈值30kA后，快速操动机构动作时间为2ms。动作时间离散性在0.1ms以内，满足设计要求[15]。

R.S.Nema等[16]介绍了SF6与N2混合气体间隙的自击穿电压计算公式为

U=502(pd)0.915N0.21

(3)

式中，U为自击穿电压，kV；p为气体压强，kPa；d为间隙距离，cm；N为混合气中SF6体积分数，%。根据式(3)计算的结果为66.7 kV。

李洪涛[17]介绍了另外一种SF6与N2混合气体间隙的自击穿电压计算公式为

(4)

式中，U为自击穿电压，kV；p为气体压强，100 kPa；d为间隙距离，cm；N为混合气中SF6体积分数，%；u为场利用系数，其表达式为

u=Eav/Emax

(5)

根据静电场仿真结果，Eav为7.403MV·m-1，而Emax为7.652MV·m-1，其他参数已知，根据式(4)和式(5)计算的结果为65kV。

实验时，可先令快速操动机构动作使激光触发间隙闭合，而后测试自击穿间隙的自击穿电压。实验结果自击穿电压为60kV，实验结果与两种不同公式的理论值分别相差10.0%和7.7%，这是由自击穿间隙分压不均匀造成。

在额定工作电压250kV，频率50Hz、幅值40kA的工作电流下，令一新开关工作100次。改变控制器程序，使另一个新开关在相同工作条件下同样工作100次，然而当其工作电流大于30kA时，快速操动机构不动作，激光触发间隙电极不闭合。两者对比后发现，后者激光触发间隙电极和靶电极相对前者明显烧蚀更为严重，说明本设计开关加入的快速操动机构对电极的保护效果十分明显。在实验中，开关在额定条件下工作500次以后，仍能高性能可靠工作，开关的实际寿命还需进一步的实验证明。

5 结论

1)本文设计的开关因加入了自击穿间隙和触发间隙构成多级结构，所以具有较高的工作电压。在开关中，加入了快速操动机构，减少了大电流电弧对电极的烧蚀损害，在开关具有大电流工作能力的同时有效提高了开关的使用寿命。

2)通过实验发现，增加激光触发能量和开关工作电压，能够使开关导通延时和抖动显著减小。当激光触发能量大于1mJ，开关工作电压欠电压比大于82%时，开关工作性能较好。当额定工作电压为250kV，激光能量为2mJ时，开关延时为60ns，抖动为5ns。

3)由于采用了激光触发方式，开关的延时及其抖动较其他类型的开关明显减少，并可进一步应用于需要同步控制的开关系统中，为开发出性能更好的开关提供了一种新思路。

[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，姚学玲，陈景亮.沿面闪络触发真空开关初始等离子体特性实验[J].电工技术学报，2012，27(9)：271-276.HuShangmao，YaoXueling，ChenJingliang.Anexperimentalstudyoninitialplasmacharacteristicsofsurfaceflashovertriggeredvacuumswitch[J].TransactionsofChinaElectrotechnicalSociety，2012，27(9)：271-276.

[5] 戴玲，周正阳，南敬，等.基于六间隙棒电极结构的沿面击穿型触发真空开关的工作特点[J].电工技术学报，2012，27(10)：128-134.DaiLing，ZhouZhengyang，NanJing，etal.Characteristicsofasurface-breakdowntriggeredvacuumswitchwithsix-gaprodelectrodesystem[J].TransactionsofChinaElectrotechnicalSociety，2012，27(10)：128-134.

[6] 李洪涛，丁伯南，王玉娟，等.激光触发多级多通道开关触发延迟及其抖动特性[J].强激光与粒子束，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，邱爱慈，王晓红，等.XeCl激光触发气体开关的实验研究[J].强激光与粒子束，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]赵智大.高电压技术[M].北京：中国电力出版社，1999.

[12]王莹.脉冲功率科学与技术[M].北京：北京航空航天大学出版社，2010.

[13]王宝诚，王德玉，邬伟扬.罗氏线圈的频率特性分析与传感器的设计方法[J].电工技术学报，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]李洪涛.“Z-Pinch”加速器闭合开关技术研究[D].北京：中国工程物理研究院，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

国家自然科学基金(51337001，51277020，51477024)、中央高校基本科研业务费专项基金(DUT13YQ102，DUT14ZD201)、高等学校博士学科点专项科研基金(20120041110010)和霍英东基金(131057)资助项目。

2014-11-15 改稿日期2015-01-29

TM315

廖敏夫 男，1975年生，教授，研究方向为智能化高压电器及高电压新技术。(通信作者)

李文浩 男，1989年生，硕士研究生，研究方向为脉冲功率技术及激光触发真空开关。