王 雨,李 舟,王彥懿

(1. 國家電網(wǎng)陜西省電力有限公司 西安供電公司,西安 710032;2. 西安交通大學(xué) 電氣工程學(xué)院,西安 710049)

脈沖變壓器型脈沖源結(jié)構(gòu)相對簡單,能輸出幅值較高的脈沖電壓,且穩(wěn)定可靠、經(jīng)濟(jì)性好,在脈沖功率技術(shù)、高電壓試驗(yàn)技術(shù)、生物電工及材料特性等方面研究中得到了廣泛應(yīng)用[1-10]。這種脈沖源一般由充電回路、脈沖形成回路、陡化回路及控制回路4部分組成。當(dāng)儲能電容經(jīng)充電回路完成充電后,通過控制回路使前級主控開關(guān)導(dǎo)通,電容器向脈沖變壓器原邊繞組放電,進(jìn)而在副邊產(chǎn)生微秒量級前沿的脈沖高壓。在陡化回路中,當(dāng)脈沖高壓達(dá)到陡化開關(guān)擊穿電壓時,陡化開關(guān)導(dǎo)通并使峰化電容經(jīng)同軸電纜向負(fù)載放電,最終在負(fù)載上形成高幅值、陡前沿的脈沖。

國內(nèi)外一些學(xué)者對脈沖變壓器型脈沖源及其波形陡化進(jìn)行了研究,如美國NIF裝置中采用脈沖變壓器型脈沖源為能源模塊ST-300提供幅值為100 kV,前沿(10%～90%)為30 ns的觸發(fā)脈沖[11-12]。劉洋等[13-14]對脈沖變壓器脈沖陡化開關(guān)參數(shù)進(jìn)行了統(tǒng)計分析,證明通過優(yōu)化工作極性和工作電場等參數(shù)可有效提高開關(guān)在峰值擊穿的概率。李登云等[15]在100 kV觸發(fā)器輸出電壓的陡化中,研究了氣體種類和間隙距離對觸發(fā)器輸出特性的影響,發(fā)現(xiàn)陡化開關(guān)絕緣介質(zhì)為N2時的脈沖前沿比SF6更快,且在平板電極下,脈沖上升時間隨開關(guān)間隙距離減小而減小。有研究者認(rèn)為提高開關(guān)間隙電場的不均勻度有利于在脈沖峰值處產(chǎn)生強(qiáng)場發(fā)射,進(jìn)而降低間隙擊穿的統(tǒng)計時延,有益于脈沖波形的陡化。如采用曲率半徑較小的尖電極,或在球頭電極表面切割形成槽口等方式[16-17]。孫鐵平等[18]發(fā)現(xiàn)進(jìn)行紫外光輻照能有效降低開關(guān)統(tǒng)計時延,減小氣體開關(guān)的抖動。上述研究獲得了很有指導(dǎo)價值的結(jié)果,但脈沖變壓器副邊輸出脈沖較緩,受制于陡化開關(guān)動作特性及穩(wěn)定性影響的問題仍然存在,如何為脈沖變壓器型脈沖源提供經(jīng)濟(jì)、可靠和穩(wěn)定的波形陡化仍是脈沖功率技術(shù)的重要問題。

因此,本文針對120 kV脈沖變壓器輸出電壓的陡化問題,設(shè)計了兩電極陡化開關(guān),并通過實(shí)驗(yàn)研究了電極形狀、間隙距離和氣壓對陡化開關(guān)的動作特性及脈沖源輸出參數(shù)的影響。

1 脈沖源與陡化開關(guān)設(shè)計

1.1 脈沖變壓器型脈沖源結(jié)構(gòu)

圖1為脈沖變壓器型脈沖源原理圖。

圖1 脈沖變壓器型脈沖源原理圖Fig.1 Schematic of transformer-type pulse voltage source

工頻變壓器T1輸出的交流高壓經(jīng)整流后通過2 MΩ的限流電阻向電容C1充電,充電完成后,電容C1通過控制開關(guān)S1向脈沖變壓器T2原邊繞組放電,在副邊峰化電容C2上得到一個高幅值、緩前沿的脈沖信號,當(dāng)脈沖電壓幅值高于陡化開關(guān)S2的自擊穿電壓時,陡化開關(guān)擊穿,峰化電容經(jīng)同軸電纜C3向負(fù)載CLoad放電,得到高幅值、快前沿的脈沖電壓。其中,電容C1為200 nF的低電感電容器,充電電壓為11 kV,控制開關(guān)S1由外施信號控制導(dǎo)通,脈沖變壓器理論變比為1∶10,峰化電容C2為2 nF,由3個6 nF的高壓陶瓷電容串聯(lián)構(gòu)成,同軸電纜波阻抗為50 Ω,長度為10 m,當(dāng)用作開關(guān)觸發(fā)源的時候,CLoad為被觸發(fā)開關(guān)的間隙電容,負(fù)載上的脈沖電壓通過阻值為1 kΩ的電阻分壓器測量,分壓比為104∶1,響應(yīng)時間為3 ns。陡化前脈沖變壓器的輸出電壓波形如圖2所示。由圖2可見脈沖前沿約為1.5 μs。

圖2 陡化前脈沖變壓器的輸出電壓波形Fig.2 Output voltage waveform of pulse transformer before peaking

1.2 陡化開關(guān)結(jié)構(gòu)設(shè)計

根據(jù)巴申定律,氣隙擊穿電壓與間隙距離和氣壓的乘積pd存在一定的函數(shù)關(guān)系,即Ub=f(pd)。氣壓較小時,氣體稀薄,電子平均自由程很大,由于碰撞次數(shù)減少使擊穿電壓升高;氣壓很大時,氣體密度很大,擊穿電壓也會升高,所以隨著pd的變化,擊穿電壓會出現(xiàn)極小值。對于陡化開關(guān)的電極設(shè)計,考慮擊穿電壓幅值的同時也應(yīng)關(guān)注擊穿穩(wěn)定性。

當(dāng)10-3atm·cm≤pd≤50 atm·cm時(1 atm=1.01×105Pa),空氣間隙的擊穿電場強(qiáng)度可表示為

(1)

如由于電極結(jié)構(gòu)改變導(dǎo)致間隙電場不均勻時,式(1)變?yōu)?/p>

(2)

其中:β為電場不均勻因子,是間隙距離與電極半徑r的比;當(dāng)電極為球狀時,deff=0.115r,當(dāng)電極為圓柱狀時,deff=0.23r。陡化開關(guān)總體外形尺寸確定是最大外徑為150 mm,高度為110 mm后,為研究不同電極結(jié)構(gòu)對間隙電場分布和動作特性的影響,分別設(shè)置了球-球電極、球孔-球孔電極及尖-球電極結(jié)構(gòu)。其中,球電極直徑為16 mm,球孔電極是在相同尺寸的球電極中心處開一個直徑為4 mm,深為3 mm的圓形凹槽,尖電極最小半徑為0.25 mm。通過Ansoft對3種電極結(jié)構(gòu)下的電場不均勻系數(shù)進(jìn)行仿真,陡化開關(guān)電場仿真結(jié)果如圖3所示。

(a) Sphere-sphere electrode

(b) Sphere hole-sphere hole electrode

(c) Needle (cathode)-sphere electrode圖3 陡化開關(guān)電場仿真結(jié)果Fig.3 Electric field simulation results of peaking switch

當(dāng)電極間距為5 mm時,仿真結(jié)果表明,球-球電極和球孔-球孔電極電場不均勻系數(shù)分別為1.19和1.58,屬于稍不均勻場;尖-球電極電場不均勻系數(shù)為7.57,屬于極不均勻場。當(dāng)間距從3 mm增加到20 mm時,電場不均勻系數(shù)雖有變化,但前兩者仍處于稍不均勻電場范圍,尖-球電極仍為極不均勻電場類型。在進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究時,通過調(diào)整地電極導(dǎo)桿的位置,使得間隙距離在3～20 mm之間可調(diào),開關(guān)腔體內(nèi)的絕緣介質(zhì)為N2。通過調(diào)整電極結(jié)構(gòu)、間隙距離和氣壓等參數(shù),可研究陡化開關(guān)擊穿的電壓分布規(guī)律。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 電極結(jié)構(gòu)對陡化開關(guān)擊穿特性和脈沖輸出的影響

開關(guān)電極選取球-球、球孔-球孔和尖-球3種結(jié)構(gòu),開關(guān)間隙距離固定為5 mm,通過改變氣壓使開關(guān)在峰值處擊穿,每種條件下實(shí)驗(yàn)20次,陡化開關(guān)動作電壓分布如圖4所示。

(a) Sphere-sphere electrode

(b) Sphere hole-sphere hole electrode

(d) Needle (cathode)-sphere electrode圖4 陡化開關(guān)動作電壓分布Fig.4 The breakdown voltage distribution of peaking switch

由圖4可見,球孔-球孔電極的開關(guān)電壓與球-球電極相近,略低于尖(陰)-球時的動作電壓;球孔-球孔電極下開關(guān)擊穿穩(wěn)定性較球-球電極下有所改善,尖(陰)-球電極下開關(guān)擊穿穩(wěn)定性最好,說明陰極電場的局部增強(qiáng)有利于開關(guān)動作在峰值處附近,加強(qiáng)脈沖氣體開關(guān)的擊穿穩(wěn)定性,原因可能是尖端部電場較為集中,可縮短開關(guān)擊穿過程中的統(tǒng)計時延[6-7],提升電暈起始電壓,電暈產(chǎn)生的空間電荷對尖端電極有很好的屏蔽作用,有利于加強(qiáng)擊穿穩(wěn)定性;當(dāng)電極為尖(陽)-球時,盡管開關(guān)工作在較高氣壓下,動作電壓也較低且抖動遠(yuǎn)大于其他三者,其原因可能是尖-球電極間為極不均勻場,放電存在極性效應(yīng),由于空間電荷的作用,尖(陽)-球電極結(jié)構(gòu) “難電暈,易擊穿”,使陡化開關(guān)擊穿電壓較低,抖動較大,而尖(陰)-球電極結(jié)構(gòu)“易電暈,難擊穿”,使陡化開關(guān)擊穿電壓較高,減小了放電時延中的統(tǒng)計時延,因此開關(guān)擊穿穩(wěn)定性高,抖動小。

開關(guān)擊穿后(擊穿電壓為Um),峰化電容經(jīng)同軸電纜向高阻負(fù)載放電,理論上行波的折反射過程將在高阻負(fù)載上產(chǎn)生幅值為2Um的脈沖電壓,因此,陡化開關(guān)動作電壓及抖動與脈沖源輸出電壓幅值及抖動的變化規(guī)律基本趨于一致;圖5為電極形狀對觸發(fā)器輸出脈沖幅值及前沿的影響。

圖5 電極形狀對觸發(fā)器輸出脈沖幅值及前沿的影響Fig.5 Influence of configuration of electrode onmagnitude and rise time of output pulse

由圖5可見,幾種電極結(jié)構(gòu)的脈沖前沿幾乎相同,原因可能是此時開關(guān)間隙距離較小,火花通道電感成為脈沖前沿的主要影響因素,因此脈沖前沿變化不大。因此,應(yīng)優(yōu)先選取尖(陰)-球作為陡化開關(guān)的主電極。

2.2 間隙距離和氣壓對陡化開關(guān)擊穿特性和脈沖輸出的影響

當(dāng)施加在陡化開關(guān)的脈沖電壓前沿及開關(guān)電極結(jié)構(gòu)一定時,開關(guān)擊穿電壓只與間隙距離d和氣壓p的乘積有關(guān)。固定尖(陰)-球的電極結(jié)構(gòu),改變開關(guān)間隙距離,通過調(diào)節(jié)氣壓使開關(guān)在峰值處擊穿,每種條件下實(shí)驗(yàn)20次,圖6為不同pd值組合下陡化開關(guān)動作電壓分布。

(a) 3 mm, 8.5 atm

(b) 5 mm, 6.8 atm

(c) 7 mm, 5.4 atm

(d) 10 mm, 3.7 atm

(e) 14 mm, 2.5 atm

(f) 20 mm, 1.5 atm圖6 不同pd值組合下陡化開關(guān)動作電壓分布Fig.6 The breakdown voltage distribution of peakingswitch with different pd

由圖6可見,開關(guān)自擊穿電壓一定時,間隙距離越小,擊穿時所需的氣壓越高。隨著間隙距離的減小和氣壓的升高,陡化開關(guān)動作電壓逐漸升高。當(dāng)d=3 mm時,開關(guān)動作電壓抖動最小,但動作電壓偏低,繼續(xù)提高氣壓對動作電壓提升并不明顯,不利于開關(guān)的穩(wěn)定運(yùn)行;當(dāng)d=5 mm或7 mm時,開關(guān)動作電壓較高且抖動較小;當(dāng)d繼續(xù)增大時,開關(guān)動作電壓大幅度降低且抖動急劇增加。

圖7為不同間隙距離及氣壓下觸發(fā)器輸出電壓幅值及前沿。

圖7 不同間隙距離及氣壓下觸發(fā)器輸出電壓幅值及前沿Fig.7 Magnitude and rise time of output pulse with various gap lengths and gas pressures

由圖7可見,隨著間隙距離的增大和氣壓的減小,脈沖源輸出脈沖幅值逐漸減小且抖動變大,當(dāng)d大于10 mm時,輸出幅值明顯降低、抖動急劇增大,尤其在d為20 mm時,脈沖源輸出電壓前沿也有較大抖動。說明間隙距離較長時,脈沖氣體開關(guān)擊穿穩(wěn)定性變差,通過改變氣壓的方式很難使其在峰值處擊穿,脈沖源輸出電壓幅值較低且抖動較大;脈沖源輸出脈沖的前沿隨間隙距離增大而逐漸變大,表明盡管氣壓升高使開關(guān)火花通道電阻變大可加快脈沖前沿,但短間隙下影響前沿的主要因素是火花通道的電感,間隙距離變長,火花通道電感變大,導(dǎo)致前沿變慢。綜合考慮脈沖源輸出脈沖的幅值、抖動、前沿及陡化開關(guān)運(yùn)行的穩(wěn)定性,最終選取開關(guān)工作在d=7 mm,p=5.4 atm的條件下。

由上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果中擊穿電壓的數(shù)據(jù)可推算出擊穿電場強(qiáng)度E,根據(jù)式(2)中參數(shù)進(jìn)行計算,得到不同間隙距離d下的deff,通過數(shù)值擬合發(fā)現(xiàn)兩者之間存在一定的聯(lián)系,尖-球電極下deff與間隙距離d滿足的函數(shù)關(guān)系可表示為

(3)

當(dāng)p=2.5 atm,d=1.4 cm時,deff為0.088,代入式(2)得到擊穿電場強(qiáng)度E為69.84 kV·cm-1,相對應(yīng)的擊穿電壓為95.3 kV,當(dāng)p= 5.4 atm,d=0.7 cm時,deff為0.009 75,代入式(2)得到擊穿電場強(qiáng)度E為153.97 kV·cm-1,相對應(yīng)的擊穿電壓為111.8 kV,與實(shí)驗(yàn)結(jié)果符合,說明式(2)可適用于尖-球電極。

經(jīng)過上述的實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析,最終確定峰化電容為2 nF,陡化開關(guān)主電極為尖(陰)-球電極結(jié)構(gòu),間隙距離為7 mm,工作氣壓為5.4 atm。20次輸出脈沖電壓波形疊加如圖8所示。由圖8可見,脈沖源輸出電壓幅值約為120 kV,電壓幅值偏差約為2.7 kV,前沿約為17 ns,脈沖寬度約為178 ns。

圖8 20次輸出脈沖電壓波形疊加Fig.8 Output pulse voltage waveforms of 20 shots laid together

3 結(jié)論

設(shè)計了一種用于脈沖變壓器型脈沖源輸出波形陡化的氣體開關(guān),研究了3種不同電極結(jié)構(gòu)、間隙距離和氣壓對陡化開關(guān)峰值擊穿穩(wěn)定性和脈沖源輸出特性的影響,并提出尖-球電極擊穿電壓的修正公式。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,陡化開關(guān)采用尖-球電極結(jié)構(gòu)形式及高氣壓短間隙的工作條件更有利于在峰值處擊穿,并且可顯著提升擊穿穩(wěn)定性。當(dāng)采用尖(陰)-球電極結(jié)構(gòu),間隙距離為7 mm,工作氣壓為5.4 atm,脈沖源輸出脈沖幅值為120 kV,脈沖電壓幅值偏差約為2.3%,前沿約為17 ns,可用于高功率氣體開關(guān)的觸發(fā)和其他高電壓試驗(yàn)的脈沖電源。