程 顯 王振偉 呂彥鵬 陳 碩 安永科

基于多孔隙觸發(fā)的三電極場(chǎng)畸變開(kāi)關(guān)設(shè)計(jì)與實(shí)驗(yàn)研究

程 顯1,2王振偉1,2呂彥鵬1,2陳 碩1,2安永科1,2

（1. 鄭州大學(xué)電氣工程學(xué)院 鄭州 450001 2. 河南省輸配電裝備與電氣絕緣工程技術(shù)研究中心 鄭州 450001）

場(chǎng)畸變開(kāi)關(guān)是脈沖功率系統(tǒng)的關(guān)鍵器件，其低時(shí)延和低抖動(dòng)性能參數(shù)是輸出高幅值、快前沿脈沖的重要保障。在Marx發(fā)生器前級(jí)所用的場(chǎng)畸變開(kāi)關(guān)，其要求時(shí)延和抖動(dòng)盡可能小，才能保證Marx發(fā)生器裝置輸出特性具有快前沿、低抖動(dòng)的穩(wěn)定性。單孔觸發(fā)電極的場(chǎng)畸變開(kāi)關(guān)由于初始有效電子產(chǎn)生和擴(kuò)散較慢導(dǎo)致時(shí)延較長(zhǎng)，多孔觸發(fā)電極結(jié)構(gòu)的提出在一定程度上可以降低時(shí)延，但是抖動(dòng)會(huì)增大，對(duì)于多孔觸發(fā)電極場(chǎng)畸變開(kāi)關(guān)如何同時(shí)保證低時(shí)延和低抖動(dòng)需要進(jìn)一步研究。因此，該文通過(guò)對(duì)傳統(tǒng)單孔觸發(fā)電極結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)，提出了改變孔徑大小和孔的個(gè)數(shù)的優(yōu)化組合設(shè)計(jì)用于實(shí)現(xiàn)低時(shí)延，同時(shí)還顯著地改善了抖動(dòng)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：5 mm十六孔觸發(fā)電極結(jié)構(gòu)的場(chǎng)畸變開(kāi)關(guān)在工作系數(shù)為71.1%～85.3%時(shí)，即工作電壓在20～24 kV時(shí)，時(shí)延在45.2～41.1 ns之間，抖動(dòng)在6.87～5.87 ns之間，相較于傳統(tǒng)的單孔觸發(fā)電極結(jié)構(gòu)，其時(shí)延和抖動(dòng)分別下降了14.8%和16.1%，性能提升明顯。該文所設(shè)計(jì)的場(chǎng)畸變開(kāi)關(guān)滿足工程應(yīng)用需求，為研究多孔型場(chǎng)畸變開(kāi)關(guān)的性能提供了新思路。

場(chǎng)畸變開(kāi)關(guān) 觸發(fā)電極結(jié)構(gòu) 工作系數(shù) 擊穿時(shí)延 擊穿抖動(dòng)

0 引言

脈沖功率技術(shù)是在國(guó)防工程和科學(xué)研究領(lǐng)域廣泛應(yīng)用的高科技技術(shù)基礎(chǔ)[1]，其中場(chǎng)畸變開(kāi)關(guān)是脈沖功率裝置中的關(guān)鍵組成元件[2-4]，由于其導(dǎo)通迅速、通流大、工作電壓高等特點(diǎn)，以及結(jié)構(gòu)穩(wěn)固簡(jiǎn)單、參數(shù)可調(diào)等優(yōu)點(diǎn)，成為脈沖功率技術(shù)領(lǐng)域中的研究熱點(diǎn)[5-8]。

隨著脈沖功率技術(shù)向高電壓[9]、大電流[10]、高重復(fù)率[11]的方向發(fā)展，要求氣體開(kāi)關(guān)應(yīng)具有更短的放電時(shí)延[12]、更穩(wěn)定的工作特性[13-14]。目前的研究中，對(duì)于減小時(shí)延和抖動(dòng)的主要思路有改變氣體類型[15-18]、采用預(yù)電離[19-22]、改進(jìn)觸發(fā)電極結(jié)構(gòu)[23-24]、改變觸發(fā)電壓[25-26]等方式，國(guó)內(nèi)外研究機(jī)構(gòu)對(duì)此進(jìn)行了大量實(shí)驗(yàn)研究。其中，改變氣體類型主要是通過(guò)加入惰性氣體使氣體比例變化，讓開(kāi)關(guān)形成較多的放電通道，達(dá)到降低時(shí)延和抖動(dòng)的效果。但是常用的SF6氣體由于其電負(fù)性，對(duì)電子具有較強(qiáng)的吸附作用，間隙中較難形成大量初始電子；另外對(duì)惰性氣體的比例需要控制，減緩的效果有限，比如加入的惰性氣體比例為20%時(shí)，時(shí)延仍然為100 ns左右，時(shí)延較大，會(huì)影響脈沖功率裝置的輸出前沿[19]。預(yù)電離通過(guò)氣體開(kāi)關(guān)火花放電的方式，利用光電效應(yīng)產(chǎn)生氣體電離，為開(kāi)關(guān)間隙提供初始電子，另外等離子體輻射的紫外線可引起陰極表面發(fā)射電子或空間光電離，從而有效地提高開(kāi)關(guān)的觸發(fā)性能。但是間隙中出現(xiàn)自由電子的時(shí)間具有不確定性，自由電子被中性粒子吸附形成負(fù)離子以及擴(kuò)散到放電間隙以外的過(guò)程具有隨機(jī)性，從而會(huì)增加時(shí)延的不穩(wěn)定性，比如在工作系數(shù)為80%時(shí)，抖動(dòng)雖然減小一半，但是時(shí)延的不確定性變差[20]。不同觸發(fā)電極結(jié)構(gòu)的場(chǎng)畸變開(kāi)關(guān)具有工作范圍寬、靈活性高、維護(hù)簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)受到國(guó)內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注。目前對(duì)單孔圓盤形觸發(fā)電極的研究，如西安交通大學(xué)團(tuán)隊(duì)的研究[23]中，單孔圓盤形觸發(fā)電極結(jié)構(gòu)場(chǎng)畸變開(kāi)關(guān)采用了對(duì)稱的結(jié)構(gòu)，具有較低的電感，從而在一定程度上減小了場(chǎng)畸變開(kāi)關(guān)的抖動(dòng)，小于2.5 ns，但是場(chǎng)畸變開(kāi)關(guān)中絕緣氣體是氣壓為0.24 MPa的純SF6氣體，更換SF6對(duì)環(huán)境會(huì)產(chǎn)生影響，且純SF6對(duì)時(shí)延具有一定的阻礙。因此，有部分學(xué)者改進(jìn)了觸發(fā)電極結(jié)構(gòu)，如鄭州大學(xué)團(tuán)隊(duì)[22]設(shè)計(jì)了環(huán)形多孔的觸發(fā)電極，利用平板-多環(huán)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明抖動(dòng)在1 ns左右，從而驗(yàn)證了該結(jié)構(gòu)優(yōu)于上述平板-圓盤形結(jié)構(gòu)，但是具有較大的時(shí)延（82 ns）。對(duì)于多孔觸發(fā)電極的研究，復(fù)旦大學(xué)團(tuán)隊(duì)[24]對(duì)比100 μm和200 μm微孔觸發(fā)電極進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明減小孔徑對(duì)觸發(fā)電壓的要求較低，但是200 μm的觸發(fā)電極孔中，時(shí)延約為400 ns，抖動(dòng)在100 ns左右，過(guò)小的孔徑對(duì)場(chǎng)畸變開(kāi)關(guān)有不利的影響。由此可見(jiàn)，觸發(fā)電極孔徑和孔數(shù)對(duì)場(chǎng)畸變開(kāi)關(guān)的性能影響較大，因此有必要對(duì)孔的個(gè)數(shù)和孔徑大小進(jìn)行進(jìn)一步研究。

本文在已有研究[27-31]基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了傳統(tǒng)圓盤形單孔和多孔的觸發(fā)電極，并且基于孔徑和孔數(shù)進(jìn)行優(yōu)化組合設(shè)計(jì)，提出了一種更小孔徑的觸發(fā)電極結(jié)構(gòu)的場(chǎng)畸變開(kāi)關(guān)。本文首先設(shè)計(jì)了傳統(tǒng)類型的10 mm單孔觸發(fā)電極結(jié)構(gòu)、10 mm七孔觸發(fā)電極結(jié)構(gòu)、5 mm七孔觸發(fā)電極結(jié)構(gòu)場(chǎng)畸變開(kāi)關(guān)。在此基礎(chǔ)上，從孔徑大小和孔的個(gè)數(shù)方面組合優(yōu)化，設(shè)計(jì)了5 mm十六孔觸發(fā)電極結(jié)構(gòu)，通過(guò)仿真和實(shí)驗(yàn)與傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行對(duì)比分析，驗(yàn)證了觸發(fā)電壓對(duì)場(chǎng)畸變開(kāi)關(guān)性能的影響，為研究多孔型觸發(fā)電極結(jié)構(gòu)的場(chǎng)畸變開(kāi)關(guān)提供了參考，具有一定的工程意義。

1 電極結(jié)構(gòu)及仿真

1.1 電極結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

開(kāi)關(guān)采用三電極場(chǎng)畸變型開(kāi)關(guān)，材料為304不銹鋼，其中主電極采用平頭形結(jié)構(gòu)，其主視圖和俯視圖如圖1所示。平頭形主電極為直徑40 mm、厚20 mm的圓柱，中間開(kāi)10 mm螺紋孔，底部與側(cè)面采用圓弧形倒角，倒角半徑為4 mm。

圖1 主電極結(jié)構(gòu)

為了分別研究孔徑和孔數(shù)對(duì)觸發(fā)特性的影響，通過(guò)不同電極結(jié)構(gòu)之間孔徑和孔數(shù)的控制對(duì)比分析，設(shè)計(jì)了四種觸發(fā)電極結(jié)構(gòu)。觸發(fā)電極的主視圖和俯視圖如圖2所示，圓盤外直徑為40 mm，與主電極直徑一致，有利于電場(chǎng)的均勻分布，圓盤的總厚度為5 mm，中間厚度為3 mm。圖2a為傳統(tǒng)10 mm單孔觸發(fā)電極結(jié)構(gòu)，為了驗(yàn)證單孔場(chǎng)畸變開(kāi)關(guān)的可行性，設(shè)計(jì)了10 mm七孔觸發(fā)電極結(jié)構(gòu)如圖2b所示，與圖2a在孔徑一致的情況下，對(duì)比孔數(shù)對(duì)場(chǎng)畸變開(kāi)關(guān)的影響。圖2c是5 mm七孔觸發(fā)電極結(jié)構(gòu)，與圖2b在孔數(shù)一致的前提下，對(duì)比孔徑大小的影響。設(shè)計(jì)時(shí)為保證統(tǒng)一性，每一個(gè)圓孔均采用均勻分布、圓孔倒角為1 mm。對(duì)孔徑和孔數(shù)組合優(yōu)化后的觸發(fā)電極結(jié)構(gòu)為5 mm十六孔觸發(fā)電極結(jié)構(gòu)，如圖2d所示。

圖2 觸發(fā)電極結(jié)構(gòu)

1.2 電極結(jié)構(gòu)仿真

在設(shè)計(jì)中采用場(chǎng)畸變開(kāi)關(guān)的仿真模型，其中平頭形主電極、觸發(fā)電極按照與實(shí)物1:1的比例在SolidWorks繪制以后導(dǎo)入COMSOL中進(jìn)行靜電場(chǎng)仿真。仿真條件為：在1 atm（1 atm=1.013×105Pa）下，采用相對(duì)介電常數(shù)為1.000 53的空氣作為絕緣介質(zhì)；外殼采用圓柱形亞克力板；電極采用304不銹鋼，相對(duì)介電常數(shù)為1，分別對(duì)不同電極結(jié)構(gòu)的場(chǎng)畸變開(kāi)關(guān)進(jìn)行靜電場(chǎng)仿真。

1.2.1 靜態(tài)自擊穿仿真

在工作電壓為-25 kV、間距為16.0 mm的條件下，四種不同觸發(fā)電極的靜電場(chǎng)分布仿真如圖3所示，其中最大電場(chǎng)強(qiáng)度和電場(chǎng)不均勻系數(shù)見(jiàn)表1。表中不均勻系數(shù)是指最大電場(chǎng)強(qiáng)度與平均電場(chǎng)強(qiáng)度的比值，計(jì)算時(shí)的平均電場(chǎng)強(qiáng)度為1.56 kV/mm。

上述計(jì)算的電場(chǎng)不均勻系數(shù)均不大于2，屬于稍不均勻電場(chǎng)，場(chǎng)畸變開(kāi)關(guān)內(nèi)部靜電場(chǎng)分布基本均勻，則可以用均勻電場(chǎng)的計(jì)算公式近似計(jì)算四種觸發(fā)結(jié)構(gòu)的場(chǎng)畸變開(kāi)關(guān)自擊穿電壓理論值為

圖3 四種觸發(fā)電極的靜電場(chǎng)分布

表1 四種觸發(fā)電極結(jié)構(gòu)的電場(chǎng)強(qiáng)度和不均勻系數(shù)

式中，b為場(chǎng)畸變開(kāi)關(guān)的自擊穿電壓（kV）；為開(kāi)關(guān)的主間隙距離（mm）；為電場(chǎng)不均勻系數(shù)。

由式（1）計(jì)算可得10 mm單孔、10 mm七孔、5 mm七孔、5 mm十六孔四種觸發(fā)電極結(jié)構(gòu)場(chǎng)畸變開(kāi)關(guān)的自擊穿電壓理論值分別為29.81、29.26、28.74、26.52 kV。由于式（1）是用來(lái)計(jì)算電場(chǎng)不均勻系數(shù)=1時(shí)的電場(chǎng)自擊穿電壓，因此計(jì)算結(jié)果比實(shí)際測(cè)量值要小，預(yù)測(cè)擊穿電壓實(shí)驗(yàn)值要比式（1）的計(jì)算結(jié)果略高。

通過(guò)靜態(tài)自擊穿仿真發(fā)現(xiàn)，在孔徑一致的前提下，孔數(shù)越多，電場(chǎng)越不均勻；在孔數(shù)一致的情況下，孔徑越小，電場(chǎng)越不均勻；在孔徑和孔數(shù)同時(shí)變化的情況下，電場(chǎng)不均勻系數(shù)變化幅度較大。因此，對(duì)5 mm十六孔的小孔徑、多孔數(shù)的觸發(fā)電極結(jié)構(gòu)進(jìn)行進(jìn)一步研究顯得尤為必要。

1.2.2 觸發(fā)特性電場(chǎng)仿真

觸發(fā)瞬間的電場(chǎng)分布是影響場(chǎng)畸變開(kāi)關(guān)動(dòng)態(tài)擊穿性能的主要因素，在工作電壓為-25 kV、間距為16.0 mm、觸發(fā)電壓為10 kV的條件下，四種不同觸發(fā)電極的場(chǎng)畸變開(kāi)關(guān)觸發(fā)瞬間的電場(chǎng)分布和間隙內(nèi)的電場(chǎng)強(qiáng)度大小分別如圖4和圖5所示。

圖4 電極觸發(fā)瞬間的電場(chǎng)分布云圖

圖5 電極觸發(fā)瞬間間隙內(nèi)的電場(chǎng)強(qiáng)度分布

由圖5可以看出，在施加觸發(fā)脈沖時(shí)，觸發(fā)電極孔隙的邊緣處電場(chǎng)強(qiáng)度最大，10 mm單孔、10 mm七孔、5 mm七孔、5 mm十六孔的最大電場(chǎng)強(qiáng)度分別為5.77、6.14、7.57、9.79 kV/mm，由此可以計(jì)算出開(kāi)關(guān)的場(chǎng)畸變系數(shù)（場(chǎng)畸變開(kāi)關(guān)觸發(fā)電極觸發(fā)時(shí)最大電場(chǎng)強(qiáng)度與未觸發(fā)時(shí)的最大電場(chǎng)強(qiáng)度之比）。場(chǎng)畸變系數(shù)是反映觸發(fā)前后電場(chǎng)畸變程度的重要參數(shù)，也是影響場(chǎng)畸變開(kāi)關(guān)觸發(fā)性能的主要因素之一，較大的場(chǎng)畸變系數(shù)有利于減小擊穿時(shí)延和抖動(dòng)。經(jīng)計(jì)算，四種觸發(fā)電極的場(chǎng)畸變系數(shù)分別為2.29、2.40、2.90、3.45，可知5 mm十六孔的場(chǎng)畸變系數(shù)較高，將更容易被觸發(fā)?？紤]到不同開(kāi)孔位置有可能對(duì)觸發(fā)性能造成影響，在保持孔徑和孔數(shù)一致的條件下，改變開(kāi)孔位置對(duì)場(chǎng)畸變開(kāi)關(guān)進(jìn)行研究，結(jié)果表明從場(chǎng)畸變系數(shù)來(lái)看，不同開(kāi)孔位置在觸發(fā)瞬間對(duì)電場(chǎng)畸變的影響不大，因此對(duì)開(kāi)關(guān)特性基本沒(méi)有影響。

由此可知，無(wú)論從靜電場(chǎng)仿真還是從觸發(fā)特性電場(chǎng)仿真都可以看出，孔徑和孔數(shù)會(huì)影響電極間的電場(chǎng)分布和觸發(fā)特性，孔徑越小、個(gè)數(shù)越多，電場(chǎng)分布越不均勻，自擊穿電壓越低，場(chǎng)畸變程度越高，因此對(duì)5 mm十六孔的電極結(jié)構(gòu)進(jìn)一步進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，以期為短時(shí)延、低抖動(dòng)的場(chǎng)畸變開(kāi)關(guān)提供理論指導(dǎo)。

2 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)搭建

2.1 場(chǎng)畸變開(kāi)關(guān)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

場(chǎng)畸變開(kāi)關(guān)實(shí)驗(yàn)測(cè)試回路示意圖如圖6所示。圖中，T1為變壓器，通過(guò)T1可以實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)開(kāi)關(guān)兩端的工作電壓；1為充電電阻；12為儲(chǔ)能電容，參數(shù)分別為0.2 μF/50 kV、0.2 μF/100 kV；VD0為二極管，四個(gè)儲(chǔ)能電容與四個(gè)二極管構(gòu)成倍壓整流電路；2為實(shí)驗(yàn)負(fù)載電阻；0為均壓電阻，g為隔離電容，觸發(fā)源通過(guò)隔離電容輸入觸發(fā)脈沖。實(shí)驗(yàn)采用分壓比為1 000:1的高壓探頭測(cè)量觸發(fā)電極上的電壓，采用0.01 V/A的羅氏線圈測(cè)量回路產(chǎn)生的電流。

圖6 場(chǎng)畸變開(kāi)關(guān)實(shí)驗(yàn)測(cè)試回路示意圖

2.2 觸發(fā)源系統(tǒng)設(shè)計(jì)

為了研究觸發(fā)源的電壓幅值對(duì)場(chǎng)畸變開(kāi)關(guān)性能的影響，采用兩種不同幅值的觸發(fā)源進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。觸發(fā)源Ⅰ能輸出9.42 kV/32 ns的脈沖電壓，通過(guò)控制臺(tái)按鈕可以直接觸發(fā)，滿足觸發(fā)要求。觸發(fā)源Ⅱ在未陡化之前能夠輸出28.83 kV/13.4 μs的脈沖電壓，但是觸發(fā)電壓的脈沖前沿要求為ns級(jí)，因此不能滿足場(chǎng)畸變開(kāi)關(guān)的要求。在此回路的基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)，加上負(fù)載電阻d和銳化電容d與球隙d共同構(gòu)成陡化電路。通過(guò)調(diào)節(jié)銳化電容的大小及球隙間距進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，確定銳化電容d=166 pF，球隙間距d=5 mm，負(fù)載電阻d=50 kΩ。觸發(fā)源Ⅱ經(jīng)過(guò)陡化電路以后輸出29.5 kV/24 ns脈沖電壓波形。

觸發(fā)源Ⅰ、Ⅱ作用在觸發(fā)電極時(shí)的觸發(fā)電壓和回路電流典型波形分別如圖7a和圖7b所示，兩種觸發(fā)源均輸出正極性脈沖，主電極的工作電壓為負(fù)極性。當(dāng)觸發(fā)電壓作用在觸發(fā)電極上，經(jīng)過(guò)脈沖前沿的時(shí)間到達(dá)峰值后，開(kāi)關(guān)的觸發(fā)間隙在負(fù)直流工作電壓和觸發(fā)電壓的共同作用下發(fā)生擊穿。而后觸發(fā)電極的電位迅速變?yōu)?，場(chǎng)畸變開(kāi)關(guān)的過(guò)電壓間隙在過(guò)電壓下?lián)舸?，兩電極之間通過(guò)電火花導(dǎo)通，此時(shí)回路電流開(kāi)始增加。如圖7b所示，以觸發(fā)電壓的起始點(diǎn)0與峰值點(diǎn)1的時(shí)間間隔作為觸發(fā)間隙的擊穿時(shí)延d1，以觸發(fā)電壓峰值點(diǎn)1與回路電流的起始點(diǎn)2的時(shí)間間隔作為過(guò)電壓間隙的擊穿時(shí)延d2，兩間隙的時(shí)延之和為場(chǎng)畸變開(kāi)關(guān)的總時(shí)延d。本實(shí)驗(yàn)通過(guò)測(cè)量和分析不同工作條件下的d1d2d及其抖動(dòng)來(lái)研究場(chǎng)畸變開(kāi)關(guān)的工作特性。

圖7 觸發(fā)電壓與回路電流波形

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

為了進(jìn)一步驗(yàn)證仿真研究中的小孔徑和多孔數(shù)的組合優(yōu)化對(duì)于觸發(fā)的優(yōu)勢(shì)，從中篩選出三種電極結(jié)構(gòu)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。該實(shí)驗(yàn)對(duì)主電極為平頭形電極，采用傳統(tǒng)10 mm單孔、10 mm七孔、5 mm十六孔的三種觸發(fā)電極結(jié)構(gòu)的場(chǎng)畸變開(kāi)關(guān)分別進(jìn)行了自擊穿特性實(shí)驗(yàn)和觸發(fā)特性實(shí)驗(yàn)。開(kāi)關(guān)內(nèi)部采用干燥的空氣作為絕緣介質(zhì)，內(nèi)部壓強(qiáng)為0.1 MPa。場(chǎng)畸變開(kāi)關(guān)的主間隙為16 mm，觸發(fā)電極位于主間隙的等位面1/2處，觸發(fā)間隙和過(guò)電壓間隙距離各為8.0 mm。

3.1 自擊穿特性實(shí)驗(yàn)

場(chǎng)畸變開(kāi)關(guān)試品在裝配完成后，首先需要經(jīng)過(guò)上百次老練使其性能達(dá)到穩(wěn)定，再分別對(duì)10 mm單孔、10 mm七孔、5 mm十六孔的三種觸發(fā)電極結(jié)構(gòu)的場(chǎng)畸變開(kāi)關(guān)進(jìn)行自擊穿實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，保證每次升壓的過(guò)程勻速進(jìn)行。為防止單次擊穿以后電荷消散的影響，間隔1 min后再次進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。每組實(shí)驗(yàn)重復(fù)25次，先對(duì)每五次實(shí)驗(yàn)進(jìn)行一次平均值計(jì)算，然后取五次的平均值再進(jìn)行平均值計(jì)算。統(tǒng)計(jì)的自擊穿電壓測(cè)量數(shù)據(jù)見(jiàn)表2。

表2 三種觸發(fā)電極結(jié)構(gòu)的自擊穿電壓

從實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，三種觸發(fā)電極結(jié)構(gòu)的自擊穿電壓實(shí)際統(tǒng)計(jì)值均略高于理論值，分別高出1.61、1.55、1.21 kV，與公式計(jì)算預(yù)測(cè)結(jié)果一致。其中5 mm十六孔結(jié)構(gòu)相較于其他兩種觸發(fā)電極的自擊穿電壓偏低。從仿真數(shù)據(jù)可知，平頭形主電極-5 mm十六孔觸發(fā)電極結(jié)構(gòu)電場(chǎng)不均勻系數(shù)高于其他兩種結(jié)構(gòu)，并且在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中電壓上升到27 kV時(shí)會(huì)出現(xiàn)電暈，可以判斷平頭形主電極-5 mm十六孔結(jié)構(gòu)相較于其他兩種結(jié)構(gòu)自擊穿電壓偏低。分析其原因，從仿真結(jié)果來(lái)看，5 mm十六孔觸發(fā)電極的場(chǎng)不均勻系數(shù)較高；另外，由于5 mm觸發(fā)電極的孔數(shù)較多，會(huì)影響主電極的電場(chǎng)分布，增加電場(chǎng)的畸變程度，從而影響其自擊穿特性，使其自擊穿電壓略低。同時(shí)，針對(duì)觸發(fā)特性實(shí)驗(yàn)而言，自擊穿電壓較低，意味著對(duì)觸發(fā)電壓的要求較低，因此在觸發(fā)時(shí)，由于場(chǎng)畸變程度較高，會(huì)變得更加容易導(dǎo)通。

3.2 觸發(fā)特性實(shí)驗(yàn)

場(chǎng)畸變開(kāi)關(guān)性能的另一個(gè)重要指標(biāo)就是觸發(fā)特性，主要由開(kāi)關(guān)的時(shí)延d和開(kāi)關(guān)的抖動(dòng)d（或稱為分散性）來(lái)表征。場(chǎng)畸變開(kāi)關(guān)的時(shí)延是指觸發(fā)脈沖電壓起始時(shí)刻與主回路放電電流開(kāi)始時(shí)刻的時(shí)間間隔；抖動(dòng)是指場(chǎng)畸變開(kāi)關(guān)時(shí)延的標(biāo)準(zhǔn)偏差，用以衡量場(chǎng)畸變開(kāi)關(guān)時(shí)延的離散程度，其表達(dá)式為

在工作氣壓為0.1 MPa、絕緣介質(zhì)為空氣、觸發(fā)電壓源的輸出為9.42 kV/32 ns的條件下，通過(guò)升壓器調(diào)整場(chǎng)畸變開(kāi)關(guān)兩端實(shí)驗(yàn)所用的工作電壓為20～27 kV，每隔1.0 kV測(cè)量一組數(shù)據(jù)，每組實(shí)驗(yàn)重復(fù)20次，分別對(duì)5 mm十六孔、10 mm單孔、10 mm七孔三種觸發(fā)電極結(jié)構(gòu)的場(chǎng)畸變開(kāi)關(guān)進(jìn)行觸發(fā)特性實(shí)驗(yàn)，其時(shí)延對(duì)比如圖8所示。

圖8 不同工作電壓下三種觸發(fā)電極結(jié)構(gòu)場(chǎng)畸變開(kāi)關(guān)的時(shí)延

從圖8中可知，總體來(lái)看，時(shí)延隨著工作電壓的升高而逐漸減小。對(duì)于5 mm十六孔的觸發(fā)電極結(jié)構(gòu)，在20～24 kV工作電壓區(qū)間內(nèi)，時(shí)延變化較為平穩(wěn)，由45.2 ns變化至41.1 ns，此時(shí)場(chǎng)畸變開(kāi)關(guān)的工作系數(shù)（指場(chǎng)畸變開(kāi)關(guān)工作電壓與自擊穿電壓之比）為71.1%～85.3%；對(duì)于10 mm七孔的觸發(fā)電極結(jié)構(gòu)，在22～26 kV工作區(qū)間內(nèi)，時(shí)延變化較為平穩(wěn)，由45.8 ns變化至43.2 ns，此時(shí)場(chǎng)畸變開(kāi)關(guān)的工作系數(shù)為72.2%～85.3%；對(duì)于10 mm單孔的觸發(fā)電極結(jié)構(gòu)，在22～26 kV工作區(qū)間內(nèi)，時(shí)延變化較為平穩(wěn)，由49.8 ns變化至47.1 ns，此時(shí)場(chǎng)畸變開(kāi)關(guān)的工作系數(shù)為70.2%～82.9%。在工作系數(shù)相同的情況下，5 mm十六孔的觸發(fā)電極結(jié)構(gòu)的時(shí)延明顯小于另外兩種結(jié)構(gòu)，并且場(chǎng)畸變開(kāi)關(guān)的時(shí)延變化與工作系數(shù)有關(guān)，當(dāng)場(chǎng)畸變開(kāi)關(guān)的工作系數(shù)大于85%時(shí)，時(shí)延會(huì)急劇減小。

不同工作電壓下三種觸發(fā)電極結(jié)構(gòu)的場(chǎng)畸變開(kāi)關(guān)的抖動(dòng)如圖9所示。從圖9中來(lái)看，5 mm十六孔觸發(fā)電極結(jié)構(gòu)的場(chǎng)畸變開(kāi)關(guān)在工作電壓20～24 kV區(qū)間時(shí)，抖動(dòng)變化較為緩慢，為6.87～5.87 ns；10 mm七孔觸發(fā)電極結(jié)構(gòu)的場(chǎng)畸變開(kāi)關(guān)在工作電壓22～26 kV區(qū)間時(shí)，抖動(dòng)變化為9.23～7.35 ns；10 mm單孔觸發(fā)電極結(jié)構(gòu)的場(chǎng)畸變開(kāi)關(guān)在工作電壓22～26 kV區(qū)間時(shí)，抖動(dòng)變化為7.65～5.79 ns。從場(chǎng)畸變開(kāi)關(guān)的工作系數(shù)可以看出，當(dāng)工作系數(shù)在70%～85%內(nèi)，抖動(dòng)變化較平穩(wěn)，變化幅度基本維持在1～2 ns之內(nèi)。對(duì)于5 mm十六孔觸發(fā)電極結(jié)構(gòu)和10 mm七孔觸發(fā)電極結(jié)構(gòu)，當(dāng)工作系數(shù)大于85%時(shí)，場(chǎng)畸變開(kāi)關(guān)的抖動(dòng)變化會(huì)急劇變大；當(dāng)10 mm單孔結(jié)構(gòu)的場(chǎng)畸變開(kāi)關(guān)的工作系數(shù)大于85%時(shí)，抖動(dòng)持續(xù)減小。分析原因是單孔觸發(fā)電極結(jié)構(gòu)的電場(chǎng)畸變程度較小，所以每次觸發(fā)時(shí)的分散性較小，但是其抖動(dòng)時(shí)間和延遲時(shí)間比5 mm十六孔觸發(fā)電極結(jié)構(gòu)的場(chǎng)畸變開(kāi)關(guān)大。

圖9 不同工作電壓下三種觸發(fā)電極結(jié)構(gòu)場(chǎng)畸變開(kāi)關(guān)的抖動(dòng)

從上述場(chǎng)畸變開(kāi)關(guān)的時(shí)延和抖動(dòng)的結(jié)果來(lái)看，當(dāng)5 mm十六孔觸發(fā)電極的工作系數(shù)為70%～85%時(shí)，其時(shí)延和抖動(dòng)性能參數(shù)相較于其他兩種結(jié)構(gòu)更優(yōu)，時(shí)延在40 ns左右，抖動(dòng)在5 ns左右，其時(shí)延和抖動(dòng)相比較傳統(tǒng)的單孔結(jié)構(gòu)分別下降了14.8%和16.1%，性能提升明顯。對(duì)于多孔隙的觸發(fā)電極，初始產(chǎn)生的等離子體會(huì)躍升至主間隙，并且隨著工作系數(shù)的提高，觸發(fā)瞬間進(jìn)入主間隙的電子數(shù)變多，觸發(fā)間隙放電形成的時(shí)間更短，因此場(chǎng)畸變開(kāi)關(guān)的延時(shí)與抖動(dòng)也越小。但是，從抖動(dòng)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果來(lái)分析，當(dāng)場(chǎng)畸變開(kāi)關(guān)的工作系數(shù)大于85%時(shí)，抖動(dòng)會(huì)變大，工作特性變得不穩(wěn)定。這是由于一方面，孔數(shù)和倒角較多，導(dǎo)致孔隙的交界面處在較高電壓時(shí)局部已經(jīng)有電暈產(chǎn)生；另一方面，5 mm十六孔觸發(fā)電極的仿真結(jié)果中電場(chǎng)的不均勻系數(shù)較大，當(dāng)工作系數(shù)越高時(shí)，造成場(chǎng)畸變開(kāi)關(guān)的初始放電開(kāi)始時(shí)刻在每一次觸發(fā)時(shí)會(huì)有所偏差，電子的運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生偏移，導(dǎo)致抖動(dòng)隨之變大。因此，場(chǎng)畸變開(kāi)關(guān)要工作在合適的工作系數(shù)范圍內(nèi)，這也符合實(shí)際的應(yīng)用工況。

3.3 不同觸發(fā)源的觸發(fā)特性實(shí)驗(yàn)

在與3.2節(jié)相同的實(shí)驗(yàn)條件下，換成29.5 kV/24 ns觸發(fā)源進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，統(tǒng)計(jì)三種觸發(fā)電極結(jié)構(gòu)的場(chǎng)畸變開(kāi)關(guān)時(shí)延和抖動(dòng)分別如圖10和圖11所示。

圖10 29.5 kV/24 ns觸發(fā)源下三種觸發(fā)電極結(jié)構(gòu)場(chǎng)畸變開(kāi)關(guān)的時(shí)延

圖11 29.5 kV/24 ns觸發(fā)源下三種觸發(fā)電極結(jié)構(gòu)場(chǎng)畸變開(kāi)關(guān)的抖動(dòng)

從圖10、圖11與圖8、圖9的對(duì)比可以看出，當(dāng)觸發(fā)源的幅值由9.52 kV變大為29.5 kV以后，時(shí)延和抖動(dòng)的總體變化規(guī)律是一致的，變化的參數(shù)僅是時(shí)延和抖動(dòng)的數(shù)值，隨著觸發(fā)電壓的升高，時(shí)延和抖動(dòng)會(huì)減小。從時(shí)延方面來(lái)看，對(duì)于5 mm十六孔結(jié)構(gòu)，在20～24 kV的工作電壓下，時(shí)延由45.2～41.1 ns變化為27.8～25.5 ns；對(duì)于10 mm七孔結(jié)構(gòu)，在22～26 kV的工作電壓下，時(shí)延由45.8～43.2 ns變化為29.9～27.4 ns；對(duì)于10 mm單孔結(jié)構(gòu)，在22～26 kV工作電壓下，時(shí)延由49.8～47.1 ns變化為31.4～28.7 ns。上述三種結(jié)構(gòu)的時(shí)延變化都較為穩(wěn)定，分別減小了37.95%～38.5%、34.72%～36.75%、39.55%～39.66%。在抖動(dòng)方面，對(duì)于5 mm十六孔結(jié)構(gòu)，在20～24 kV工作電壓下，抖動(dòng)由6.87～5.87 ns變化為3.65～2.98 ns；對(duì)于10 mm七孔結(jié)構(gòu)，在22～26 kV工作電壓下，抖動(dòng)由9.23～7.35 ns變化為6.12～5.74 ns；對(duì)于10 mm單孔結(jié)構(gòu)，在22～26 kV抖動(dòng)由7.65～5.79 ns變化為5.02～3.99 ns。上述三種結(jié)構(gòu)抖動(dòng)變化也較為穩(wěn)定，分別減小了46.87%～49.23%、21.90%～34.33%、31.09%～34.38%。通過(guò)驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)可以看出，提高觸發(fā)源的幅值，可以有效減小時(shí)延和抖動(dòng)。

4 結(jié)論

本文通過(guò)仿真計(jì)算分析，基于傳統(tǒng)單孔和多孔觸發(fā)電極場(chǎng)畸變開(kāi)關(guān)進(jìn)行優(yōu)化，設(shè)計(jì)了一種5 mm小孔徑、多孔數(shù)觸發(fā)電極結(jié)構(gòu)的場(chǎng)畸變開(kāi)關(guān)，通過(guò)仿真和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該場(chǎng)畸變開(kāi)關(guān)可以有效降低時(shí)延，同時(shí)還能改善抖動(dòng)，并對(duì)觸發(fā)電壓對(duì)場(chǎng)畸變開(kāi)關(guān)性能的影響進(jìn)行了分析，具體結(jié)論如下：

1）傳統(tǒng)單孔觸發(fā)電極結(jié)構(gòu)的場(chǎng)畸變開(kāi)關(guān)抖動(dòng)較低，時(shí)延較大，通過(guò)仿真得出孔徑和孔數(shù)會(huì)影響電極間的電場(chǎng)分布，孔徑越小、個(gè)數(shù)越多，電場(chǎng)分布越不均勻，自擊穿電壓越低，同時(shí)場(chǎng)畸變程度越高。

2）在氣壓為0.1 MPa、絕緣介質(zhì)為干燥空氣的條件下，5 mm小孔徑、多孔數(shù)觸發(fā)電極結(jié)構(gòu)的場(chǎng)畸變開(kāi)關(guān)在工作系數(shù)70%～85%范圍內(nèi)，時(shí)延范圍為45.2～41.1 ns，抖動(dòng)范圍為6.87～5.87ns，相對(duì)于傳統(tǒng)的單孔觸發(fā)電極結(jié)構(gòu)，其時(shí)延和抖動(dòng)分別下降了14.8%和16.1%，性能提升明顯。

3）當(dāng)把觸發(fā)源電壓幅值提高至原來(lái)的3倍左右，在工作系數(shù)70%～85%范圍內(nèi)，場(chǎng)畸變開(kāi)關(guān)時(shí)延會(huì)相對(duì)減小40%左右，抖動(dòng)也會(huì)相應(yīng)減小，對(duì)于5 mm小孔徑、多孔數(shù)觸發(fā)電極結(jié)構(gòu)的場(chǎng)畸變開(kāi)關(guān)，抖動(dòng)會(huì)相應(yīng)減小49%左右，可以得出提高觸發(fā)電壓幅值能夠有效地減小場(chǎng)畸變開(kāi)關(guān)的時(shí)延和抖動(dòng)，從而提高場(chǎng)畸變開(kāi)關(guān)的工作性能。

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Design and Experiment Study of Three Electrode Field Distortion Switch Based on Multi-Hole Trigger

Cheng Xian1,2Wang Zhenwei1,2Lü Yanpeng1,2Chen Shuo1,2An Yongke1,2

（1. School of Electrical Engineering Zhengzhou University Zhengzhou 450001 China 2. Henan Engineering Research Center of Power Transmission & Distribution Equipment and Electrical Insulation Zhengzhou 450001 China）

The field distortion switch used in the front stage of the Marx generator requires the delay and jitter to be as small as possible to ensure the stability of the output characteristics of the Marx generator device with fast front and low jitter. The field distortion switch of the single hole trigger electrode has a high delay due to the slow generation and diffusion of the initial effective electrons. The proposed structure of the porous trigger electrode can reduce the delay to a certain extent, but the jitter will increase. How to ensure low delay and low jitter at the same time requires further research on the field distortion switch of the porous trigger electrode. Therefore, by optimizing and improving the traditional single-hole trigger electrode structure, this paper proposes an optimized combination design that changes the size and number of apertures to achieve low delay and significantly improve jitter.

The traditional type of 10 mm single-hole trigger electrode structure, 10mm seven-hole trigger electrode structure, 5 mm seven-hole trigger electrode structure are designed for electric field simulation optimization. On this basis, a 5 mm 16-hole trigger electrode structure was designed based on the number of apertures and the size of apertures. The simulation and experiment were compared with the traditional structure. When the working pressure is 0.1 MPa, the insulating medium is air, and the output of the trigger voltage source is 9.42 kV/32 ns, the trigger characteristics of the three trigger electrode structures of 5 mm 16-hole, 10 mm single-hole, and 10 mm seven-hole were tested. The experimental data show that when the working coefficient of the field distortion switch with 5mm 16-hole trigger electrode structure is 71.1%～85.3%, that is, when the working voltage is 20～24 kV, the delay is between 45.2～41.1 ns, and the jitter is between 6.87～5.87 ns.Compared with the traditional single-hole trigger electrode structure, the delay and jitter are reduced by 14.8% and 16.1% respectively, and the performance is improved significantly. Then the influence of trigger voltage on the performance of field distortion switch is verified, which provides a new idea for the study of the performance of porous field distortion switch.

Through simulation theoretical analysis and experimental verification, the conclusions are as follows: (1) Through the simulation of the electric field of the aperture and the number of holes, it is concluded that the smaller the aperture, the more the number, the more uneven the electric field distribution, the lower the self-breakdown voltage, and the higher the field distortion. (2) Under the condition of 0.1 MPa air pressure and dry air insulation medium, the field distortion switch with 5 mm small aperture porous number trigger electrode structure has a delay range of 45.2～41.1 ns and a jitter range of 6.87～5.87 ns in the working coefficient range of 70%～85%. Compared with the traditional single-hole trigger electrode structure, the delay and jitter are reduced by 14.8% and 16.1% respectively, and the performance is improved significantly. (3) When the amplitude of the trigger source voltage is increased to about 3 times, the time delay of the field distortion switch will be reduced by about 1.5 times in the range of 70%～85% of the working coefficient.

Field distortion switch, trigger electrode structure, working coefficient, breakdown time delay, breakdown jitter

TM564

10.19595/j.cnki.1000-6753.tces.221759

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（51977195, 52107170）、河南省重大科技專項(xiàng)（221100240500）、河南省優(yōu)秀青年科學(xué)基金項(xiàng)目（202300410370）、河南省科技創(chuàng)新人才項(xiàng)目（21HASTIT022）、河南省高校學(xué)科創(chuàng)新基地項(xiàng)目（CXJD2021007）、中國(guó)博士后面上項(xiàng)目（2021M692901）、河南省自然科學(xué)基金項(xiàng)目（232300421329）和河南省科技攻關(guān)項(xiàng)目（222102210312）資助。

2022-09-15

2022-11-25

程 顯 男，1982年生，教授，博士生導(dǎo)師，研究方向?yàn)樾滦碗娏﹂_(kāi)關(guān)裝備技術(shù)、高壓電器高可靠性技術(shù)等。E-mail：chengxian@zzu.edu.cn

呂彥鵬 男，1992年生，副教授，碩士生導(dǎo)師，研究方向?yàn)槊}沖功率技術(shù)及其生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用。E-mail：yanpenglv@foxmail.com（通信作者）

（編輯 李 冰）