胡元嘯，馬林生，馮盼盼，李起

(三峽大學電氣與新能源學院，湖北 宜昌 443002)

1 前言

真空觸發(fā)開關(guān)(TVS)又稱真空觸發(fā)間隙(Triggered Vacuum Gap，TVG)，是真空開關(guān)的重要分支。作為電路控制器件，其結(jié)構(gòu)是山密閉在真空室內(nèi)兩個或兩組電絕緣的主電極(一般情況下還有觸發(fā)電極)組成。主電極形成的間隙在常態(tài)下依靠高真空保持絕緣，當需要接通電路時，山外加觸發(fā)能量使兩主電極快速導(dǎo)通。

通過對觸發(fā)結(jié)構(gòu)設(shè)計的改進和使用TVS控制器來解決有關(guān)TVS延時特性的問題?？刂破骱透倪M的觸發(fā)器是根據(jù)真空斷路器的研究經(jīng)驗研發(fā)的。本實驗采用的是兩種不同觸發(fā)單元的TVS，實驗的結(jié)果將顯示出觸發(fā)結(jié)構(gòu)和主間隙的電壓對TVS延時特性的影響。

2 實驗

2.1 測試電路

實驗中在TVS主電極上連接一個LC共振電路，如圖1所示。該測試電路能夠產(chǎn)生一個頻率為2589Hz的大電流。在電路中脈沖調(diào)制的電容被用作能量存儲元件，電容量為8μF。當TVS被觸發(fā)時，電源向繞組提供高功率的脈沖能量，繞組的感應(yīng)系數(shù)為3.5μH。

圖1 TVS實驗電路

在陰極的動作模式下，用實驗的方法研究密封的TVS延時特性。觸發(fā)極設(shè)在陰極，主間隙的極性是陽極。高壓分壓器和示波器被用于測量觸發(fā)電壓和此時主電極間的電壓。

2.2 TVS的結(jié)構(gòu)

TVS的原理圖如圖2所示。電極材料采用直徑為57mm的銅鉻合金。電極和觸發(fā)引腳中間的小孔直徑分別為4mm和2mm。觸發(fā)引腳由涂釷的鎢制成。密封真空的壓強維持在1.40×10－5Pa以下。實驗采用兩種真空觸發(fā)開關(guān)TVS－A和TVS－B，它們在觸發(fā)結(jié)構(gòu)上有所不同，原理圖如圖3所示。TVS－B的陰極形狀與前者相似，而觸發(fā)極的設(shè)計有所不同。主電極之間的距離L為8mm，觸發(fā)極上表面到陰極的表面距離d為0.5mm。TVS－A和TVS－B的L和d的值是相同的。

圖2 TVS的結(jié)構(gòu)示意圖及圖片

圖3 觸發(fā)單元的結(jié)構(gòu)示意圖

TVS－A的觸發(fā)極是棒形的，陰極中間的孔洞為圓柱形。而TVS－B的空洞為梯形狀，同時觸發(fā)引腳被專門設(shè)計為形狀－Ⅰ。與TVS－A相比，TVS－B在觸發(fā)結(jié)構(gòu)上的改進使得它們雖然有相同的L和d，但有一個更不均勻的電場，這種改進使得TVS－B更容易被觸發(fā)。

3 TVS控制器

圖4反映了TVS控制電路的電能分配。這是一個能夠同時產(chǎn)生低電壓、大電流和高電壓、低電流的電路。該電路圖在圖4的上部分。首先，計算機給出一個控制信號觸發(fā)晶閘管，同時電容器C1放電。產(chǎn)生的感應(yīng)高電壓導(dǎo)通TVS的觸發(fā)溝道，接著低電流流通。如果此電流能夠產(chǎn)生足夠大的觸發(fā)能量，那么電容器C2將通過這個導(dǎo)通的回路放電，同時將形成一個大電流的脈沖，生成的脈沖激發(fā)火花間隙G。

當G被激發(fā)后，觸發(fā)器電容C3將通過火花間隙和觸發(fā)間隙放電，這將迅速擊穿TVS的主間隙。圖1中的電容C將通過主間隙放電。

圖4 TVS控制器回路

通過這種方式，將產(chǎn)生密集的初始等離子球，這使得一個高可靠性的觸發(fā)器成為可能。

4 結(jié)果和討論

TVS在結(jié)構(gòu)上的改進和控制器對降低延遲時間和抖動時間是一種良好的方法。觸發(fā)延時的典型波形如圖5所示。在圖5中CH1代表觸發(fā)電壓波形的測量值，CH2表示主間隙電壓波形的測量值。外加觸發(fā)電壓為正極，電容C3的充電電壓也為正。

控制器中的觸發(fā)能量可以通過改變圖4中C3的容量方便地調(diào)整。其中W為觸發(fā)能量，

C為電容C3的容量，U為C3的充電電壓。計算結(jié)果記錄在表1中。

表1 觸發(fā)能量的計算結(jié)果

觸發(fā)能量對延時時間的影響由圖6所示，對抖動時間的影響由圖7所示。主間隙間的電壓被維持在12.5kV。如圖6和圖7所示，當觸發(fā)能量相對較低時，延時時間就會變長。隨著觸發(fā)能量的增加，延遲時間顯著地降低。當觸發(fā)能量超過一定數(shù)值時延遲時間就趨近一個定值。對比TVS－A，在相同的觸發(fā)能量下TVS－B有更少的延遲時間和抖動時間，很可能是由于TVS－B在結(jié)構(gòu)上的改進。TVS－B觸發(fā)引腳形狀－Ⅰ產(chǎn)生了一個更為不一致的電場。這將使得TVSB更容易被觸發(fā)。維持C3的值為32000pF，則觸發(fā)電壓擊穿主間隙的最低電壓如圖8所示。在圖8中，隨著觸發(fā)電壓在觸發(fā)間隙的增加，所需的最低擊穿電壓降低。因為較高的觸發(fā)電壓意味著將有更高的觸發(fā)能量輸入觸發(fā)溝道，所需的最低電壓就較低。

圖6 觸發(fā)能量對延時的影響

圖7 觸發(fā)能量對抖動時間的影響

圖8 觸發(fā)電壓對主間隙最小擊穿電壓的影響

和TVS－A相比，在相同的觸發(fā)電壓下，TVS－B的最低擊穿電壓有輕微降低。這表明觸發(fā)單元在結(jié)構(gòu)上的改進對所需最低擊穿電壓影響不大。而TVS的延時特性極大地受到主間隙電壓的影響。圖9顯示了主間隙電壓對延遲時間的影響，圖10表示主間隙電壓對抖動時間的影響。當觸發(fā)能量維持在1.6J時，明顯看出延遲和抖動時間隨著主間隙電壓的升高顯著地降低。當TVS被觸發(fā)時，初始等離子將被迅速地發(fā)射到主間隙，隨即形成一個等離子殼體，它將提高電極近表面的電場。這個充分大的電場使得陰極點產(chǎn)生爆炸，產(chǎn)生金屬蒸汽和電子，這些電子導(dǎo)通主放電電流。在這個過程中，初始等離子擴散速度是正比于主放電電流。如果在此測試電路中阻抗是不變的，那么它又與主間隙的電壓成正比。在這種情況下，越高的主間隙電壓導(dǎo)致TVS的擊穿越快越穩(wěn)定。顯然，由圖9和圖10可以看出，當應(yīng)用相同的主間隙電壓時，TVS－B在延時和抖動時間方面有比TVS－A更優(yōu)越的性能。

圖9 主間隙電壓對延遲時間的影響

圖10 主間隙電壓對抖動時間的影響

主間隙電壓與觸發(fā)概率的關(guān)系如表2所示。此時觸發(fā)能量保持為0.064J。表Ⅱ表示觸發(fā)概率隨主間隙電壓升高而升高。當主間隙電壓低于2kV時觸發(fā)概率為0;當主間隙電壓高于9kV時觸發(fā)概率為100%。由于觸發(fā)能量極大地影響了初始等離子的形成和流向主間隙，這種現(xiàn)象可能是因為觸發(fā)能量較小，以致不能產(chǎn)生足夠的初始等離子去擊穿主間隙。

表2 主間隙的電壓和觸發(fā)概率之間的關(guān)系

5 總結(jié)

本文介紹了通過電極操作模式的實驗檢驗出用TVS－A和TVS－B命名的兩個密封的TVS管的延時特性。在此提出了一個有關(guān)TVS控制的新穎設(shè)計。此控制器的控制能量可以方便地調(diào)整。使用0.064J的觸發(fā)能量就可以使主間隙引起電火花。通過提高觸發(fā)能量，延遲時間和抖動時間會急劇地降低。

試驗結(jié)果表明，延時和抖動時間隨主間隙電壓提高顯著降低。提高間隙電壓可以提高觸發(fā)概率。TVS在結(jié)構(gòu)和控制器方面的改進是一種有效的方式用于降低延遲時間和抖動時間。實驗表明，TVS－B在降低延遲和抖動時間比TVS－A表現(xiàn)得更好。尤其是當TVS－B的觸發(fā)能量為1.6J時延遲時間為2.3μs，抖動時間為1.2μs。

TVS有良好的關(guān)合特性，而且放電期間沒有爆炸聲。在電磁式的發(fā)射器中被用作快速熔斷開關(guān)或者應(yīng)用于其他大電流高電壓的脈沖功率系統(tǒng)。

［1］曾正中.實驗脈沖功率技術(shù)引論［M］.陜西:科學技術(shù)出版社，2003.

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