快前沿直線脈沖變壓器多間隙氣體開關(guān)直流自擊穿特性孫鐵平，喬開來，叢培天，張國偉，黃濤，羅維熙，王亮平，曾正中（西北核技術(shù)研究所，西安710024）度、電場不均勻系數(shù)、放電電流、氣體壓強(qiáng)等因素對開關(guān)自擊穿電壓分散性的影響。電極表面粗糙度0.1~0.Pm時(shí)，擊穿電壓平均值沒有明顯變化，擊穿電壓分散性小于1.5%；電場不均勻系數(shù)為1.20和1.30時(shí)，電極燒蝕均勻，開關(guān)自擊穿電壓分散性小于2.0%；放電電流由1. 1kA增加到30. 0kA時(shí)，擊穿電壓的分散性增加了約2倍，電極燒蝕的作用明顯增強(qiáng)；工作氣壓由0.04MPa增加到0.30MPa擊穿電壓的分散性由1.5%增加到36%.初步分析了降低開關(guān)自擊穿電壓分散性的途徑和方法。

　　低抖動(dòng)、低自放率、長壽命的氣體開關(guān)是快前沿直線脈沖變壓器驅(qū)動(dòng)源（FLTD）的關(guān)鍵部件之一1.大型FLTD驅(qū)動(dòng)源包含的開關(guān)數(shù)量達(dá)到數(shù)萬只甚至數(shù)十萬只，并且要求每個(gè)開關(guān)均是觸發(fā)控制，同步擊穿，因此對放電開關(guān)提出了苛刻的要求，開關(guān)的性能將直接影響FLTD驅(qū)動(dòng)源輸出電流的前沿和幅值以及整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。開關(guān)靜態(tài)擊穿電壓分散性（擊穿電壓標(biāo)準(zhǔn)偏差與擊穿電壓平均值之比）是衡量開關(guān)靜態(tài)特性的主要技術(shù)指標(biāo)之一，開關(guān)靜態(tài)擊穿電壓分散性越小，在一定欠壓比下開關(guān)自放率越低，有利于開關(guān)在較高欠壓比下工作。影響開關(guān)靜態(tài)擊穿電壓分散性的因素很多，主要有電極表面狀態(tài)、開關(guān)間隙的電場分布、氣體壓強(qiáng)、氣體種類、放電電流等。本文針對自行設(shè)計(jì)的一種堆棧式結(jié)構(gòu)多間隙氣體開關(guān)（其中由兩個(gè)電極和一個(gè)絕緣墊塊構(gòu)成一個(gè)放電間隙），實(shí)驗(yàn)研究了電極表面粗糙度、電場不均勻系數(shù)、放電電流、氣體壓強(qiáng)等因素對開關(guān)靜態(tài)擊穿電壓分散性的影響，以探索降低開關(guān)靜態(tài)擊穿電壓分散性的途徑和方法，提高開關(guān)靜態(tài)放電穩(wěn)定性，降低開關(guān)自放電概率，為該類型開關(guān)設(shè)計(jì)提供據(jù)。

　　1電極表面粗糙度對靜態(tài)特性的影響電極燒蝕情況（粗糙度0.40.8 8Mm兩種情況時(shí)，擊穿開關(guān)電極表面具有的較小間距和峰谷所構(gòu)成的微觀幾何形狀特性，稱為表面粗糙度。輪廓算數(shù)平均值（單位為〃m）是目前生產(chǎn)中評定零件表面粗糙度的主要參數(shù)，其值越小，零件表面越光潔。由于電極表面存在凸點(diǎn)，引起局部電場增強(qiáng)，降低了間隙的擊穿電壓，使擊穿電壓的分散性增大1（M11.實(shí)驗(yàn)中電極表面粗糙度由0. 1Mm逐步增至12. 5Mm，在相同粗糙度下重復(fù)放電50次，獲得每個(gè)粗糙度下靜態(tài)擊穿電壓平均值及其標(biāo)準(zhǔn)偏差。間隙距離5.0mm，放電電流30kA，氣體為潔凈的干燥空氣，氣體壓強(qiáng)0MPa（相對壓強(qiáng)，其它同）。表1為電極參數(shù)及實(shí)驗(yàn)結(jié)果。從實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看到，電極表面粗糙度對擊穿電壓的影響僅在粗糙度為12.5Mm時(shí)比較顯著，擊穿電壓明顯降低，在其它情況下，擊穿電壓變化不明顯，變化范圍小于0.電極表面粗糙度對擊穿電壓標(biāo)準(zhǔn)偏差的影響較大，粗糙度在0.基金項(xiàng)目：西北核技術(shù)研究所預(yù)研基金項(xiàng)目（11030707）：：小鐵平⑴78―、，男，碩士助研，主要從事脈沖功率技術(shù)研究；ping415sohu.電壓標(biāo)準(zhǔn)偏差基本一致，沒有明顯變化。隨著電極表面粗糙度進(jìn)一步增大，擊穿電壓標(biāo)準(zhǔn)偏差明顯增大，同粗糙度小于0.8 m時(shí)相比，粗糙度為12.5Mm時(shí)擊穿電壓標(biāo)準(zhǔn)偏差增大了將近1.5倍，靜態(tài)穩(wěn)定性顯著降低。

　　粗糙度對擊穿點(diǎn)的分布沒有明顯影響，各種粗糙度情況下?lián)舸c(diǎn)分布均勻。為電極燒蝕情況（粗糙度0.）根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，電極表面粗糙度選擇為0.1~0.8Mm比較合適，粗糙度進(jìn)一步減小對開關(guān)電極擊穿性能的改善作用不明顯，同時(shí)會(huì)大大增加機(jī)械加工的難度和加工的成本。因此堆棧式多間隙開關(guān)電極表面粗糙度設(shè)計(jì)為0.4~0.8Mm為宜。

　　表1不同粗糙度時(shí)的自擊穿電壓2電場不均勻系數(shù)對靜態(tài)特性的影響開關(guān)靜態(tài)擊穿電壓分散性與開關(guān)間隙的電場分布密切相關(guān)，電場分布越集中，開關(guān)靜態(tài)擊穿電壓分散性越小，但是同時(shí)開關(guān)的靜態(tài)擊穿電壓降低18121.由靜電場模擬結(jié)果可知，電場不均勻系數(shù)主要影響開關(guān)的電場分布。對于多間隙開關(guān)中采用的圓環(huán)形電極，電場類型為稍不均勻場。電場不均勻系數(shù)越大，最大電場強(qiáng)度越高、高場強(qiáng)區(qū)分布越集中，最大場強(qiáng)主要分布于電極的內(nèi)外兩側(cè)。電場不均勻系數(shù)越小，高場強(qiáng)區(qū)分布面積越大，主要分布于電極的中部。為電場不均勻系數(shù)1.50和1.12時(shí)的靜電場分布。

　　1.12電場不均勻系數(shù)1.50和1.12時(shí)的靜電場分布實(shí)驗(yàn)中電極表面粗糙度1.6Mm放電電流30.0kA，間隙距離5.5mm，電場不均勻系數(shù)由1.12逐步增大至1.80，相同條件下重復(fù)放電50次，獲得不同電場不均勻系數(shù)下的靜態(tài)擊穿電壓平均值及其標(biāo)準(zhǔn)偏差。表2為實(shí)驗(yàn)結(jié)果。實(shí)驗(yàn)結(jié)果說明，電場不均勻系數(shù)由1.12增大至1. 80，間隙擊穿電壓明顯降低，降低幅度超過13%；靜態(tài)穩(wěn)定性顯著提高，標(biāo)準(zhǔn)偏差減小了近80%，擊穿點(diǎn)越來越集中，這也說明了僅在少數(shù)部位放電有利于提高擊穿電壓的穩(wěn)定性。電場不均勻系數(shù)小于1.20時(shí)，間隙擊穿電壓及其標(biāo)準(zhǔn)偏差變化趨緩，擊穿點(diǎn)分布表2不同電場不均勻系數(shù)時(shí)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果Table均。為電場不均系數(shù)1.50和1.12時(shí)的電極燒蝕情況。由于FLTD裝置對開關(guān)的放電壽命提出了很高要求，如果電場不均系數(shù)過大，擊穿點(diǎn)過于集中，加劇了電極局部區(qū)域的燒蝕程度，將不利于延長開關(guān)的壽命，同時(shí)擊穿電壓偏低，需要增加間隙距離來提高開關(guān)工作電壓，使開關(guān)高度增加、電感增大。如果電場不均系數(shù)太小，電場分布過于均，間隙的靜態(tài)穩(wěn)定性明顯降低，擊穿電壓的分散性達(dá)到2%以上，不利于開關(guān)穩(wěn)定工作。因此必須在二者之間尋求平衡，既能保證開關(guān)靜態(tài)擊穿電壓的穩(wěn)定性，又可以延長開關(guān)的放電壽命。根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，電場不均系數(shù)為1 20和1.30時(shí)，電極燒蝕均，擊穿電壓穩(wěn)定性較高，可作為電極設(shè)計(jì)時(shí)優(yōu)先采用的電場分布。

　　電場不均勻系數(shù)為1.50和1. 12時(shí)的電極燒蝕情況3放電電流對靜態(tài)特性的影響在氣體開關(guān)放電過程中，放電電極會(huì)被加熱而升溫，若有足夠多的能量沉積到電極材料中，會(huì)使電極表面溫度升高直至熔點(diǎn)或沸點(diǎn)，熔化或蒸發(fā)的電極材料會(huì)脫離電極表面，在電極表面形成許多微小的凹坑和凸起，使放電間隙的微觀電場分布發(fā)生畸變，增加了擊穿過程的不確定性。放電電流的能量越大，電極表面發(fā)生濺射的作用越強(qiáng)，電極燒蝕越嚴(yán)重，擊穿電壓分散性越大//13th孫鳳舉，邱愛慈，曾正中，等。快Z箍縮短脈沖大電流驅(qū)動(dòng)源技術(shù)的發(fā)展。強(qiáng)激光與粒子束，200618（3）：513~520.（SunFengu，Qiu周良驥，鄧建軍，陳林，等。國際快脈沖直線變壓器驅(qū)動(dòng)源技術(shù)研究進(jìn)展。強(qiáng)激光與粒子束，2008 20（12）：1947-1953.（ZhouLiangi鄒文康，周良驥，陳林，等。100GW/直線變壓器驅(qū)動(dòng)源的物理設(shè)計(jì)與模擬。強(qiáng)激光與粒子束，200820（2）：327-330.（ZouW/enkang，Zhou梁天學(xué)，孫才親新，邱愛慈，等。200kV多級(jí)多通道火花開關(guān)。高電壓技術(shù)，2006 32（10）：56~58.（LiangTianxue，Sun羅敏，常安碧，曹紹云，等。高功率大電荷量重復(fù)頻率氣體開關(guān)實(shí)驗(yàn)研究。強(qiáng)激光與粒子束，2003，15（4）412-416.（LuoMin，Chang賴貴友，楊蘭均，郭良福，等。大庫侖兩電極氣體開關(guān)靜態(tài)特性。強(qiáng)激光與粒子束，200921（1）：4346.（LaiGuiyou，Yang羅敏，江金生，常安碧，等。高功率氣體火花開關(guān)電極燒蝕機(jī)理研究。強(qiáng)激光與粒子束，2004曾正中。實(shí)用脈沖功率技術(shù)引論。西安：西科學(xué)技術(shù)出版社，2003.