气体开关串级环形间隙放电相互影响机制研究

黄 涛，丛培天，翟戎骁，王志国，张天洋

(西北核技术研究所 强脉冲辐射环境模拟与效应国家重点实验室，陕西 西安 710024)

快脉冲直线变压器驱动源(FLTD)在Z箍缩惯性约束聚变和闪光照相领域有广阔的应用前景，而FLTD多间隙开关是当前脉冲功率技术研究的热点之一[1-4]。FLTD多间隙开关采用多个圆环电极形成多个间隙串联结构，当触发脉冲加载到中间触发电极上时，直流充电电压与触发脉冲极性相反的间隙首先击穿，然后电压在剩余间隙重新分配，产生过压自击穿，这种工作方式具有静态特性好、触发阈值低等特点[5-7]。在开关特性研究中，发现触发间隙难以形成多通道放电、各间隙通道数和位置不一致、多个通道区域集中等现象，通过电路分析无法合理解释和有效解决上述问题，进而可能导致放电支路电感增大、开关电极烧蚀加重[8-11]。因此，有必要开展FLTD多间隙开关的串级环形间隙放电影响因素与机制研究，了解多间隙多通道放电特性差异的主要形成原因，为掌握间隙通道数和位置调控方法提供技术参考，对于优化装置回路参数和提升运行稳定性也具有重要意义。

本文设计一种三电极两间隙实验开关，简化和等效FLTD多间隙开关的基本工作过程，针对中空和非中空触发电极的两只开关进行击穿特性实验，分别测量触发和自击穿间隙的击穿延时和放电通道数。对比两只开关两间隙的脉冲电压击穿和多通道放电特性，从串级间隙顺序放电的相互作用过程出发，分析触发和自击穿间隙放电性能的主要影响因素和作用机制。

1 实验设计与测量方法

1.1 实验开关设计

参考FLTD堆栈式多间隙开关的工作参数和组成结构[12]，本文设计了串级两间隙等效实验开关，不同触发电极结构的两只实验开关如图1所示。除触发电极结构略有差异外，两只开关其他部件结构完全一致。开关整体为同轴圆柱形，总高度11 cm、外径12 cm；正高压电极、中间触发电极和负高压电极均为环形结构，外径5 cm、内径2 cm，端面为方形平头，边缘倒角0.5 cm，电极材料为不锈钢(1Cr18Ni9Ti)。电极与中间触发电极构成触发间隙，负电极与中间触发电极构成自击穿间隙，间隙距离均为0.5 cm。密封筒为圆筒形，材料为有机玻璃，内外壁表面抛光，具有良好的透光性，有利于放电通道的光学拍摄。绝缘上下盖板为圆盘形，与密封筒组成3个电极之间的绝缘支撑结构，大幅增加了电极之间的沿面绝缘长度，避免沿面放电影响间隙击穿稳定性。通过金属触发杆，引入外触发电压脉冲，直接馈入到中间触发电极，开关工作气体选用干燥压缩空气。实验开关电极材料、电极结构、间隙距离、工作气体及间隙电场分布等条件与堆栈式六间隙开关完全一致，且工作过程也是触发间隙先击穿，然后电压重新分配，自击穿间隙击穿。因此，两间隙实验开关可简化和等效FLTD多间隙开关的工作过程，用于串级间隙顺序放电相互影响机制研究。

①——正高压电极；②——中间触发电极；③——负高压电极；④——触发连接杆；⑤——触发间隙；⑥——自击穿间隙；⑦——绝缘上盖板；⑧——绝缘下盖板；⑨——绝缘密封筒；⑩——金属隔板a——中空触发电极；b——非中空触发电极图1 不同触发电极结构的两只实验开关

FLTD多间隙开关中间电极一般设计为中空圆环结构[13]，图1a中的触发电极中空结构与其完全一致，可完全反映放电时触发和自击穿间隙之间的相互影响机制。为进行对比分析，设计了另外一种触发电极结构，中间设置不锈钢金属隔板，成为非中空圆环结构(图1b)，目的是为了屏蔽触发和自击穿间隙之间的粒子输运或光辐射机制影响。

1.2 实验电路与平台

图2 实验电路示意图

实验电路如图2所示，两只储能电容C1、C2与实验开关K、回路杂散电感L形成串联放电回路。储能电容均为440 nF，分别连接实验开关的正负高压电极，正负高压直流电源通过阻值约为1 MΩ的充电保护电阻R1、R2为电容充电，触发实验时，充电电压分别为+25 kV、-25 kV。E、F两点采用高压电阻分压器测量直流充电电压，N点采用罗果夫斯基线圈测量负载电流，M点采用阻容分压器测量触发电极电压。实验采用铜棒直接连接两只电容的输出端，回路放电电流幅值约45 kA、周期约1.2 μs；触发电缆TD连接中间触发电极，触发脉冲发生器产生的负触发脉冲不经过触发电阻直接馈入开关。

通过设置触发脉冲发生器的充电电压，输出不同幅值的电压脉冲，通过高压同轴电缆传输给开关，在中间触发电极上形成的不同电压上升速率的触发脉冲波形如图3所示。不同输出状态的电压脉冲前沿时间为9～12 ns(10%～90%电压幅值)，电压幅值为50～80 kV，进而计算电压脉冲上升速率分别为3.06、4.05、5.15和7.52 kV/ns。

图3 不同电压上升速率的触发脉冲波形

1.3 测量与诊断方法

图4 触发电极电压与回路电流波形

触发电极电压与回路电流波形如图4所示。触发电极电压起点t0到峰值t1(触发间隙击穿时刻)的时间t1-t0，作为触发间隙的击穿延时；触发电极电压开始快速下落时刻t1到回路电流波形起点t2的时间t2-t1，作为自击穿间隙的击穿延时；触发电极电压起点t0到回路电流波形起点t2的时间t2-t0，作为开关的击穿延时。统计多发次实验的击穿延时，获得该状态下的击穿抖动。

普通数码相机记录间隙放电积分结果，给出放电通道数，这里采用4台相机，分别从不同角度对开关间隙放电通道进行拍摄，选取通道数最多的一幅图像作为间隙放电通道数读取的有效图像，尽量避免环形间隙放电通道的相互干扰或重叠，保证通道数读取的准确性。间隙放电通道图像如图5所示，正高压电极与中间触发电极之间为触发间隙放电通道，负高压电极与中间触发电极之间为自击穿间隙放电通道。

图5 间隙放电通道图像

2 实验结果

在实验条件完全一致的情况下，分别开展中空开关和非中空开关的放电特性实验，同时对中间触发极电压、回路电流和通道发光图像进行测量或拍摄，给出开关的静态与触发击穿特性，记录每个间隙击穿延时和放电通道数，统计击穿抖动和平均放电通道数。

2.1 开关击穿特性

进行约500发次的开关老炼实验，使自击穿电压稳定。在气压0.12、0.14、0.16、0.18、0.20和0.22 MPa 6个气压条件下，分别进行50发次自击穿实验，获得不同气压下的开关平均自击穿电压及其分散性。中空开关和非中空开关的自击穿电压数据相近，均近似如下线性关系：

Usb=12.6p+4.54

(1)

式中：Usb为开关自击穿电压(单只电容充电电压)，kV；p为绝对气压，p=0.1 MPa。自击穿电压相同，且自击穿电压分散性均小于3%，表明两只开关的自击穿特性基本一致。

在外触发击穿实验中，根据式(1)计算充气气压0.3、0.25和0.2 MPa时开关自击穿电压，而电容充电电压为±25 kV，可得3种气压下开关工作系数分别为60%、70%和80%。在上述3种工作系数时，分别馈入4种前沿上升速率的触发电压脉冲，每种工作状态进行30发次外触发击穿实验，统计开关击穿延时和抖动。不同工作系数和触发脉冲电压上升速率时中空开关和非中空开关击穿延时和抖动(由数据统计误差棒给出)如图6所示，中空开关和非中空开关的触发特性表现出明显的差异，中空开关的触发击穿延时与抖动小于非中空开关的触发击穿延时与抖动。

2.2 间隙击穿抖动

不同工作系数和触发脉冲电压上升速率时中空开关和非中空开关触发和自击穿间隙的击穿抖动如图7所示。两只开关触发间隙击穿抖动规律基本一致：随工作系数的增大，击穿抖动变化不明显；随触发脉冲电压上升速率增大，击穿抖动不断减小，最大击穿抖动大于5 ns，最小击穿抖动约1 ns。中空开关和非中空开关自击穿间隙击穿抖动随触发脉冲电压上升速率的变化规律不明显；随工作系数的增大，中空开关自击穿间隙击穿抖动基本无变化，始终保持在约1 ns；工作系数为60%时，非中空开关自击穿间隙击穿抖动约15 ns，80%时约3 ns，随工作系数的增大，击穿抖动最大下降差大于10 ns。总之，无论何种工作状态，中空开关自击穿间隙的击穿抖动均保持在约1 ns，明显小于非中空开关自击穿间隙的击穿抖动，也优于两只开关触发间隙的击穿性能。

图6 中空开关(a)和非中空开关(b)的击穿延时和抖动

工作系数：a——60%；b——70%；c——80%图7 中空开关和非中空开关的触发和自击穿间隙击穿抖动

工作系数：a——60%；b——70%；c——80%图8 中空开关和非中空开关触发和自击穿间隙放电通道数

2.3 间隙放电通道数

不同工作系数和触发脉冲电压上升速率时中空开关和非中空开关触发和自击穿间隙的放电通道数如图8所示。中空开关和非中空开关触发间隙平均放电通道数变化规律基本一致：随工作系数的增大，触发间隙的放电通道数略有上升，但工作系数从60%到80%，通道数上升不足1个；随触发脉冲电压上升速率增大，触发间隙放电通道数不断上升，70%、80%工作系数时，这个规律尤为明显，但通道数最大上升也不足1个；触发间隙平均放电通道数最大约为2个。中空开关和非中空开关自击穿间隙放电通道数随触发脉冲电压上升速率变化规律不明显；随工作系数的增大，非中空开关自击穿间隙放电通道数变化不明显，始终保持在约1～1.5个；工作系数为60%时，中空开关自击穿间隙放电通道数约2个，80%时接近4个，随工作系数的增大，放电通道数最大上升约2个。总之，无论何种工作状态，中空开关自击穿间隙的放电通道数明显大于非中空自击穿间隙的通道数，也大于两只开关触发间隙的通道数。

3 结果分析与讨论

3.1 间隙作用电压对比

串级两个间隙击穿过程的作用电压是不同的，一定幅值触发电压时触发间隙击穿，即触发间隙作用电压与触发电压和直流耐压有关。触发间隙导通后，储能电容电压加载到触发电极上，电压加载时间和幅值由回路参数和电容充电电压决定。工作系数为60%、4种触发电压上升速率情况下，开关工作时触发电极电压波形如图9所示。触发电压(触发间隙电压)上升，不同触发脉冲电压上升速率时触发间隙击穿电压作用时间和幅值不同，但均大于-50 kV，可知两只开关触发间隙的击穿电压大于75 kV；触发间隙导通，电压反向上升阶段自击穿间隙未发生击穿，电容电压全部加载到触发电极，不受工作系数和触发脉冲电压上升速率的影响，始终约为25 kV，两只开关自击穿间隙承受的电压约等于50 kV，此电压下，自击穿间隙击穿。

图9 开关工作时触发电极电压波形

不同触发脉冲电压上升速率时，触发间隙击穿电压作用时间和幅值有差异，自击穿间隙击穿电压幅值不变，可解释自击穿间隙的击穿抖动和通道数随电压上升速率变化不明显的现象。触发和自击穿间隙距离一致，自击穿间隙击穿电场小于触发间隙，气体间隙击穿抖动随击穿场强的增大而减小，放电通道数随击穿场强的增大而增大[14]。因此，自击穿间隙击穿抖动将大于触发间隙，自击穿间隙放电通道数小于触发间隙，非中空开关间隙击穿抖动和放电通道数变化符合上述规律，但中空开关的实验结果与之相反，击穿抖动小、放电通道数多，从作用电压角度无法解释。

3.2 间隙相互作用机制

中空开关和非中空开关的电路参数、工作过程和作用电压相同，自击穿间隙击穿抖动和放电通道数却不同，两只开关的唯一差异是触发电极结构不同，由此推断，因触发间隙比自击穿间隙早几十ns发生击穿放电，通过中空开关触发电极中空通孔，触发间隙电弧产生的紫外光和带电粒子可作用于自击穿间隙，且预先电离出大量初始电子，促进击穿放电的形成和发展。触发间隙放电为自击穿间隙预先产生初始电子，包含两个物理过程：1) 带电粒子直接漂移到自击穿间隙，在气体中碰撞形成初始电子；2) 紫外光照射自击穿间隙，产生初始电子。几十ns时间内，漂移速度慢的正离子无法到达自击穿间隙，而电压极性又不能驱动电子向自击穿间隙方向运动，因此，可否定第1个物理过程。初始电子产生的物理机制只能是紫外光照射，通过气体光致电离或金属电极表面光电效应产生初始电子，图10为触发和自击穿间隙紫外光辐照过程示意图。

图10 触发和自击穿间隙紫外光辐照过程示意图

中空开关触发间隙放电产生紫外光，照射自击穿间隙，能在间隙中产生大量的电子，若初始电子数量达到一定值，可有效缩短统计延时，减小间隙击穿抖动[15]，气体开关引入紫外预电离方式，可将开关击穿抖动控制在1 ns以内[16]。这样可解释不同工作系数下，中空开关自击穿间隙击穿抖动始终保持约1 ns的现象。紫外光预电离措施还有助于增加气体间隙放电通道数[17]，因此，中空开关自击穿间隙放电通道数明显多于其他间隙。

4 结论

本文实验结果表明，中空开关自击穿间隙击穿抖动优于两只开关的其他间隙，始终保持约1 ns，中空开关自击穿间隙放电通道数明显大于两只开关的其他间隙。中空开关触发间隙放电产生紫外光，通过触发电极中空通孔，预先照射自击穿间隙，产生大量初始电子，促进间隙气体放电的产生和发展，这是间隙击穿抖动减小、通道数增加的主要作用机制。上述结论不仅可应用于串级环形间隙开关中，而且对其他电极结构串级间隙气体开关的研制也有借鉴意义。