±60 kV三电极场畸变气体开关静态特性研究

潘琳琳，李宏达，姜 静，车 龙，尹 伯

(1. 沈阳理工大学 自动化与电气工程学院，辽宁 沈阳 110168；2. 清华大学 机械系，北京 100084；3. 沈阳理工大学 装备工程学院，辽宁 沈阳 110168)

±60 kV三电极场畸变气体开关静态特性研究

潘琳琳1，李宏达2,3，姜 静1，车 龙3，尹 伯1

(1. 沈阳理工大学 自动化与电气工程学院，辽宁 沈阳 110168；2. 清华大学 机械系，北京 100084；3. 沈阳理工大学 装备工程学院，辽宁 沈阳 110168)

在高功率脉冲Marx发生器中，气体开关具有连接储能器件与负载作用。文中为一种高能量输出、高频Marx发生器，设计了一种三电极场畸变气体开关。开关电极采用同轴结构，具有体积小、放电电流大和工作电压范围宽等优点；通过实验对不同气压和电极间距下场畸变气体开关电极静态特性进行了测试，实验结果表明，场畸变气体开关自击穿电压随SF6气压的增长从线性增长到非线性增长；工作电压范围随场畸变气体开关两主电极之间距离的增大而增大，最终趋于平缓；击穿电流和电压的分散性都随着工作气压的增大而增大。

气体开关；Marx发生器；静态特性

在高功率脉冲Marx发生器中，气体开关是重要的器件之一，其具有连接储能器件与负载的作用[1-7]。高能量、高频Marx发生器输出脉冲上升沿、电流和电压波形幅度都取决于气体开关特性。在高能量输出、高频Marx发生器应用中，Marx发生器要求场畸变气体开关具有工作电压范围大、寿命长、工作电压稳定性高等特性。研究在不同SF6气体气压下场畸变气体开关自击穿电压的变化情况，场畸变气体开关两主电极间距对自击穿电压的作用情况，以及在SF6气体中±60 kV三电极场畸变气体开关两主电极间距最佳值情况[8-18]，这些对高能量输出、高频Marx发生器工作稳定性起着至关重要的作用。

1 场畸变气体开关结构

图1为场畸变气体开关电极三维剖面图，场畸变气体开关主要由螺丝、防污板、两个主电极以及触发电极组成。其中，主电极间距为3 mm，下电极的上面部分外圆直径70 mm，内圆直径20 mm，倒圆角5 mm，厚度10 mm，下面部分外圆直径148 mm，内圆直径29 mm，厚度7 mm，上电极与下电极结构一致，触发电极外圆直径148 mm，厚度9 mm，主电极和触发电极是同轴的。

场畸变气体开关的主电极与触发电极采用不锈钢材料，且主电极、触发电极与外围结构采用同轴结构，可以减小电极电阻和电感对开关工作的影响；螺丝采用尼龙材料，结构采用全螺纹，这增加了主电极之间的爬电距离；防污板采用陶瓷材料，其结构采用梳状，在场畸变气体开关工作电流超过9 kA时，可以避免场畸变开关工作时电极熔融喷射到触发电极上，提高开关电极击穿电压的稳定性；防污板与主电极对应的面是梳状，而与触发电极对应的是平面，这样的结构可增加开关电极的爬电距离。

实验表明：采用锯齿状结构的防污板可以在一定程度上减小开关工作时，电极喷射对螺丝绝缘支撑的污染，提高开关的寿命。主电极和触发电极均采用316L不锈钢材料，具有较强的耐烧蚀能力，对开关电极的冷却采用吹风方式。开关绝缘介质采用纯SF6气体，本开关的设计气压为0～0.4 MPa。

图1 开关电极三维剖面图

2 开关实验装置

为对场畸变气体开关进行相关实验，设计了一个实验装置。图2为实验装置电路示意图，实验装置是由电源、高压电阻、分压器、二极管硅堆、高压脉冲电容，场畸变气体开关和相应的测量系统等构成，其中开关电极充电电源的电压是可调的，以便在不同大小电压下进行开关实验。该实验装置通过工频交流电220 V，连接到CX-5电压控制箱，控制电压输入大小，然后经过变压器升压、二极管硅堆整流，对高压脉冲电容充电，当电容充电到实验设定的电压时，场畸变气体开关电极导通。

图2 开关电极实验装置和测量示意图

本实验的触发系统接地，可以认为场畸变气体开关是进行自击穿。通过改变两主电极间距和气压，观察间距和气压对场畸变气体开关击穿电压的影响，以及开关电极的耐烧蚀能力、击穿电场分布情况、击穿电压的稳定性和开关电极的寿命等。实验中采用三电极场畸变气体开关，当触发电压为0 V时，可以观察到该电极的触发工作特性。为施加高压脉冲触发电压时的开关实验奠定了实验基础。

3 实验结果与讨论

针对本文所设计的场畸变气体开关，对其性能的测试进行与之相关的一系列实验，主要包括开关在不同气压下的开关实验研究和开关在不同主电极间距下的开关实验研究。

3.1 场畸变气体开关静态自击穿特性

为测试开关电极在SF6气体不同气压下的击穿特性，假设开关电极在某一个合适的间距下，使场畸变气体开关满足击穿，分别对SF6气体在0.1～0.5 MPa不同气压下进行开关击穿实验。设定开关两主电极与触发电极之间的间距各2.6 mm，触发电极在两主电极的中心，保证两边的间距相等。进行自击穿开关实验前，需要将整个开关电极悬空在实验罐体内，通过调节实验罐体内气压分别进行开关实验，每一个气压进行5次测量并取平均值。为了实验分析研究，采用相同的开关电极结构，并且在开关主电极与触发电极之间分别为1.2 mm和2.6 mm时进行静态击穿实验。图3是电极在两种电极间距下击穿电压与工作气压的关系，图中垂直线表示5次测量中的最大值和最小值构成的测量数据的范围。

图3 开关自击穿电压与工作气压关系曲线

由图3可知，无论在间距1.2 mm或2.6 mm，开关电极的击穿电压随着气压的增大近似呈线性增长，且开关电极在0.1～0.5 MPa气压下，不同电极间距下开关的击穿特性十分相似由此可知开关的可靠性较好。采用最小二乘法拟合出开关击穿电压与工作气压的关系为：

间距为1.2 mm开关：Ub=10.54+76.5p

间距为2.6 mm开关：Ub=34.31+132.94p

(1)

式中，p为工作气压，单位MPa；Ub为开关的击穿电压，单位kV。

3.2 畸变气体开关的自击穿电压

均匀电场在不同气压下的自击穿特性可以用流注放电理论解释,流注放电理论在实际工程中采用巴申定律。当采用巴申曲线计算自击穿电压时,需要将开关内的气体参数变换为巴申曲线上的可用参数δ气体相对密度[19]，即

δ=2.9×103p/T

(2)

式中，T为开关内气体的温度。

设d是电极间隙距离，考虑pd值处于巴申曲线右侧区域，存在相应的经验公式[20]

Ub=24.22δd+6.08δd

(3)

根据式(3)可算出在试验气压0.1～0.5 MPa条件下,在间距为1.2 mm和2.6 mm开关自击穿电压的经验值(环境温度25 ℃)和实验取得的自击穿电压平均值，如表1所示。

表1 自击穿的实验值与理论计算值的比较

从表1可知，开关自击穿的实验测试值与理论计算值有一定偏差，这是由于开关电极电场分布的不均匀和电极表面微量杂质引起的，但是不会影响开关电极击穿电压随气压变化而线性增长的总体趋势。

3.3 场畸变气体开关的自击穿特性

为测试开关电极在不同电极间距下的击穿特性而进行实验，其中气压为0.2 MPa，开关电极间距从1.2～2.8 mm变化，每一个间距进行5次测量并取平均值。为了实验分析研究，实验采用相同的开关电极。图4是电极在不同电极间距下与相同工作气压击穿电压的关系。

图4 开关电极的自击穿电压与电极间距关系曲线

由图4可知，在相同的气压下，开关电极的击穿电压随着开关电极间距的增大而增大，且增长的斜率随着电极距离的增大而减小，并且击穿电压的分散性小。由此说明开关工作的稳定好。

3.4 场畸变气体开关静态自击穿电流特性

为了观察场畸变气体开关自击穿电流随电极间距和气压变化的规律，需要进行在改变间距与气压的情况下的自击穿实验，实验装置采用同一个电极，其中测量系统包括电压表、电流表、衰减器、Ro-gowski线圈和Tektronicx DPO4104B示波器等。衰减器采用40 dB，Ro-gowski线圈采用美国Person Electrontics公司生产的标准Ro-gowski线圈，电流最大值50 kA，频率0.25 Hz～4 MHz，比率0.01。图5为场畸变气体开关击穿电流与工作气压的关系曲线，图6为场畸变气体开关击穿电流与电极间距的关系曲线。

图5 开关电极自击穿电流与工作气压关系曲线

图6 开关电极自击穿电流与电极间距关系曲线

由图5可知，场畸变气体开关在相同电极间距下，电极的击穿电流随工作气压的增加逐渐递增，但当工作气压>0.3 MPa时，击穿电流的增加率会逐渐减慢。从图6可知，场畸变气体开关击穿电流随电极间距增大而先减小后增大，存在这一现象的原因是场畸变气体开关中绝缘介质在放电的过程中绝缘特性发生了变化。同时可知击穿电流的分散性随着气压和间距的增大而增大。

4 结束语

高能量输出、高频Marx发生器要求开关具有击穿电压分散性小、工作电压范围宽和电流大等特性。通过上述实验得到，场畸变气体开关击穿电压随着SF6气压的增长开始线性递增，当气压增加到一定值时，击穿电压开始非线性增长；开关击穿电压的分散性随气压的增大而增大，随电极间距的增大而基本保持不变；场畸变气体开关的击穿电流随工作气压的增大而增大，随电极间距的增大而先减小后增大，并且击穿电流的分散性随着工作气压和电极间距的增大而增大。从而可以得知，虽然减小工作气压和电极间距能够使击穿电压的分散性减小，但是开关工作要求在电压范围宽和大电流条件下就需要增大气压和电极间距，所以要满足高能量输出、高频Marx发生器要求需要总结出开关电极间距和气压的最佳值，使得场畸变气体开关稳定。

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Static Characteristic Research of ±60 kV Three Electrode Field Distortion Gas Switch

PAN Linlin1,LI Hongda2,3,JIANG Jing1,CHE Long3,YIN Bo1

(1.Automation and Electrical Engineering College,Shenyang Ligong University, Shenyang 110168,China;2.Mechanical Department,Tsinghua University,Beijing 1000844,China;3.Equipment Engineering College,Shenyang Ligong University, Shenyang 110168, China)

In the high power pulse Marx generator, the gas switch is connected with the energy storage device and the load. This is a high energy output, high frequency Marx generator, designed a three electrode field distortion gas switch. Electrode switch using coaxial structure, with small size, large current discharge and wide range of working voltage advantages; through experiments on the static characteristic of different pressure and electrode spacing end distortion gas switch electrode were tested. Experimental results show that, field distortion gas switch breakdown voltage with the growth of the SF6 pressure from the linear growth to nonlinear growth since; operating voltage range with the field distortion gas switch between the two main electrodes distance increases and increases, eventually leveling off; breakdown voltage and current of the dispersion are with the increase of operating pressure increases.

gas switch;Marx generator;static characteristic

2016- 05- 13

国家自然科学基金(512070960)

潘琳琳(1991-)，女，硕士研究生。研究方向：模糊建模与优化，高功率脉冲技术。

10.16180/j.cnki.issn1007-7820.2017.04.001

TN782;TM855

A

1007-7820(2017)04-001-04