会计学气体火花开关目前较多采用阴极、阳极和触发极的三电极结构。但是(dànshì),三电极场畸变火花开关的触发极烧蚀非常严重,极大影响了开关的寿命,不适合在大电流、高库仑量的情况下使用。目前的改进方法是去掉其触发极,变为两电极结构。美国国家点火工程NIF的脉冲能源系统PCS中采用的两电极开关ST2300,其工作电压0～55kV,峰值电流280kA,电荷转移量700C。而国内对两电极开关的研究尚处于初级阶段,我校设计了一种两电极结构的气体火花开关,设计要求是在能量为1.2MJ的装置上能够安全可靠地工作,工作电压23kV,峰值电流300kA,电荷转移量100C,并同时满足开关电极烧蚀小,寿命长的要求。由于取消了触发极,开关的结构变得十分简单。开关的主体部分仅包括阴极、阳极(yángjí)两个主电极,以及金属外壳和绝缘支撑外壳。为了使开关在高库仑量大电流的环境下能稳定工作并尽量延长使用寿命,设计的关键在于开关电极材料的选择和形状(xíngzhuàn)的优化。采用石墨作为开关的电极材料,并采用有限元分析软件ANSYS对开关间隙电场进行分析,进而优化电极形状(xíngzhuàn)设计,将主电极边缘倒角,处理成椭圆形,优化之后间隙中的电场分布尽量均匀,从而大大提高了开关的稳定性。电网电压经调压器、高压实验变压器、整流硅堆和限流电阻给0.01μF的高压电容器充电,开关阳极接电容器正极性高压端,升压直至开关击穿来进行静态自击穿实验。开关内部充纯净氮气(dànqì),改变开关内部气压,在每个气压下进行重复实验50次。/图3是根据气压表表压0.10MPa下50次自击穿实验数据(shùjù)绘制的散点图。开关静态自击穿电压有些分散,主要原因是开关间隙电场本身是不均匀场,有一定的分散性。由图3知自击穿电压Usb为52.5kV左右,开关承受50kV电压时不会自击穿。一般大电流高库仑量装置要求开关工作电压为50%自击穿电压,开关的设计工作电压为23kV,因此(yīncǐ)要求开关自击穿电压Usb达到50kV。在气压表表压0.10MPa,电容器电压50kV的条件下进行开关耐压实验,实验电路如图2所示。50kV直流耐压5min。重复实验50次,开关没有发生自闪,性能稳定。/触发系统采用八级Marx发生器过压触发。电容器充电至15kV,开关阳极接储能电容正极高压。Marx发生器单台电容器充电至10kV,输出(shūchū)-80kV,前沿约30ns的快脉冲触发开关阴极。在触发脉冲到来的一瞬间,阳极之间有95kV高压,开关间隙很快击穿导通,泄放电容器上的能量。进行20次触发实验,开关每次都能正确动作,没有出现拒动作或误动作,稳定性很高。主回路分五路接线。主电容器组充电电压升至15kV,重复实验。实验接线完全同上,典型电流波形(bōxínɡ)如图5(b)所示。即在15kV的工作电压下,开关的通流能力达到了180kA。此时电荷转移量为47.85C。由Pspice仿真可以算出,在目前的回路参数条件下,在电容器主电压充电到23kV时,主电流只能达到270kA,开关仍然不能达到工作电压23kV、通流300kA的目标。在以后的研究中还需要对回路结构(jiégòu)以及回路参数的匹配继续进行改进。Pspice仿真波形如图6所示。重复180kA大电流实验50次,拆开开关,观察电极表面的烧蚀情况。明显地看到电弧(diànhú)烧蚀斑点并不固定在同一位置,而是比较均匀的分布在整个电极上表面,电极表面依然比较光滑,没有发现明显的弧坑或突起。为了(wèile)减小开关电极烧蚀,延长开关的寿命,G.H.Rim设计了一种旋转电弧间隙开关(RotaryArcGap2switches)(RAG)。该方法是使开关间隙放电产生的电弧在外加磁场或自身产生的磁场的驱动作用下沿着开关电极的表面运动,减小电弧与电极的相互作用时间t,从而减小开关电极的烧蚀。RAG开关概念上的示意图如图1所示。开关有两个环形电极,被绝缘体支撑。在每个电极中有一个缺口,这些缺口彼此错开180°放置。电极的联接电线接线端也被彼此错开180°放置。开关间隙被触发击穿后,储存在电容器里的能量将被传送到负载,电流沿着图中箭头的方向在开关电极上流动,放电电流感应出磁场,间隙间的放电电弧在磁场的洛伦兹力的驱动下,会沿环形电极移动。这样就减小了开关电极的烧蚀,从而(cóngér)延长了开关的寿命。//本实验设计的开关(kāiguān)电极结构、几何尺寸和开关(kāiguān)的外形如图2所示。它有三个电极,触发电极C呈圆盘形,位于高压电极A和低压电极B之间。触发电极C的静态电位由附加的分压电阻R1,R2决定,其按C,A间的距离和C,B间的距离分配,这样电极间的静电场不会产生畸变。触发脉冲通过隔直电容Cb送到触发盘上,