触发真空开关自击穿电压特性的实验研究

张朝学

【摘 要】触发真空开关（Triggered Vacuum Switch，TVS），是结合了真空开关技术和三电极火花间隙技术的一种可控、快速闭合型开关。本文详细分析了触发真空开关结构和触发原理，选择合适的触发真空开关和实验环境，根据设计电路建立实验平台，研究触发真空开关在气压为8.0Pa～35Pa范围内自击穿电压随气压变化规律研究。从而丰富触发真空开关的使用环境。

【关键词】触发真空开关；触发；触发原理；击穿电压

中图分类号： TM564 文献标识码： A 文章编号： 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

由于触发真空开关具有体积小、通流能力强、工作电压范围宽、承受电荷量高、动作迅速、可靠性高、强绝缘恢复特性及环境适应能力强等优点[1-2]，近年来，触发真空开关在脉冲功率技术、电磁发射、过电压防护的模拟雷电流发生回路等领域得到广泛的运用[3]，这就使得对触发真空开关的研究占有举足轻重的地位。触发真空开关利用高真空作为绝缘介质，其具有极高的绝缘水平和真空中弧后等离子体的快速扩散、恢复特性，使得触发真空开关具有较高频率的重复导通以及分断高电压大电流的能力。因此，触发真空开关是一种很有发展潜力的新一代电器元件[4]。

在触发真空开关的研究中，学者主要研究触发真空开关在真空条件下的工作特性[5]。然而隨着现代电气行业的发展，对触发真空开关的工作特性将提出更多的要求。因此，本文主要研究触发真空开关在气压为8.0Pa～35Pa条件下触发真空开关的工作特性，得出其相应的变化规律，从而丰富触发真空开关的使用环境。

1 触发真空开关

1.1 触发真空开关的结构

触发真空开关（Triggered Vacuum Switch）[6]，是脉冲功率技术中一种重要的开关器件，利用高真空作为主电极间的绝缘介质和灭弧介质，并采用特殊设计的触发极控制开关的闭合，是一种可控的快速闭合型开关。

其主要结构为一对相距一定真空间距的主电极和一个触发电极、金属屏蔽罩、绝缘外壳。主电极传导大电流，电极材料和其表面状态对触发真空开关的性能有重要影响；触发电极提供初始等离子体；金属屏蔽罩一方面可以调整触发真空开关内部电场分布，另一方面还可以防止燃弧时产生的金属蒸汽沉积在绝缘外壳的内表面；绝缘外壳能对其进行密封，同时还可以起绝缘和支撑的作用。

1.2 触发真空开关的触发原理

TVS触发过程中，在触发极与阴极间加上触发脉冲电压，由于在阴极-真空-介质（CVD）三点结合处易发生电场畸变，起始电子常常从CVD三点结合处发射，而三点结合处的场强可以由触发介质和电极表面状态而得到增强，如下列公式1所示：

由此可知，三点结合处的场强与触发脉冲电压、触发间隙以及触发材料有关，而根据文献[7-8]可知，触发材料介电常数越大，三点结合处电场强度越大，发射电子也越大。TVS在触发脉冲电压的作用下在三点结合处发射电子，场致发射电子在触发间隙电场的作用下做类似于平抛运动[9]。

2 VS实验平台的建立

根据影响TVS工作特性的因素分析可知，在TVS工作模式中，电极配置方式有A+、A-、C+、C-四种工作模式，不同工作模式对TVS的工作特性具有不同的影响。与其他三种工作模式相比，相同条件下，A+模式最有利于降TVS触发时延和分散性[10]。

本文选择使用A+模式、触发介质为钛酸钡的沿面闪络型TVS，直接由高压直流源对脉冲电容充电并经放电回路形成触发脉冲建立触发回路，并采用机械泵和油扩散泵组成的二级真空系统，以及相应的电子器件和测量设备，搭建的实验平台原理如如图1所示。

其中：T1为调压器，参数0～220V；T2为升压变压器，变比：220V/40kV；D为硅堆； R0为充电保护电阻4kΩ；C 为充电电容参数为1μF；R放电限流电阻 3Ω；Rs为测量回路等效阻值，约为1mΩ。

根据上述原理图，搭建本实验的实验平台实物图进行实验研究。

3 触发真空开关自击穿电压随气压变化规律研究

在气压为8.0Pa～35Pa范围内，给TVS阴极和阳极间加上直流偏置电压，并利用示波器监测偏置电压的变化，逐渐升高偏置电压，当偏置电压突然下降时，则认为TVS发生自击穿。本实验在气压范围内选择12个气压，每一个气压上进行10次TVS的自击穿电压实验，并记录其实验数据。

按照上述条件得出气压在8.0Pa～35Pa范围内，TVS的平均自击穿电压如表1所示：

对上述实验数据进行分析，得到气压在8.0Pa～35Pa范围内，TVS的自击穿电压随气压的变化规律：TVS的自击穿电压随气压的升高而降低，气压从8.0Pa升高到35Pa时，TVS自击穿电压从8.68kV降低到1.06kV；且自击穿电压的降低速率逐渐减慢，此曲线的变化规律与巴申曲线的左侧相吻合，从而证明了实验结果的正确性。

4 结语

本文围绕TVS的工作特性，分析影响TVS工作特性的因素，以此为基础，选择合适的实验方法，建立TVS实验平台。基于此实验平台，在气压为8.0Pa～35Pa条件下，本文进行TVS的自击穿电压特性的实验。实验结果表明：TVS的自击穿电压随气压的升高而降低，气压从8.0Pa升高到35Pa时，TVS自击穿电压从8.68kV降低到1.06kV；且自击穿电压的降低速率逐渐减慢。

本文研究成果得出了TVS的击穿电压随气压变化的规律，丰富触发真空开关的使用环境，为下一阶段研究TVS触发时延和分散性的变化规律奠定了良好的基础。

【参考文献】

[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]吳远利，陈仕修，等.长间隙触发真空开关的实验研究[J].高电压技术，2004，36（04）：17-19.

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[8]姚学玲，等.低气压放电开关沿面闪络触发器的性能研究[J].高电压技术，2008，34（1）：73-77.

[9]余岳辉，梁琳.脉冲功率器件及其应用[M].北京：机械工业出版社，2010.20-25.

[10]周正阳.场击穿型真空触发开关的相关理论与实验研究[D].大连理工大学，2010.