吹气对氮气火花隙开关重复频率运行性能的影响

　　高功率微波技术的发展,要求脉冲功率加速器具有体积小、结构紧凑和重复频率高的特点。紧凑重复频率Tesla变压器型脉冲功率加速器,将开环磁芯的Tesla变压器内置于同轴脉冲形成线(PFL),具有结构紧凑、耦合系数大和能传输效率高的特点,并可以在较高重复频率下工作,因而在脉冲功率加速器领域得到了广泛的发展和应用[1-4]。而作为此类加速器重复频率运行的瓶颈之一,火花隙开关的恢复速度备受关注[1],美国研究者为此做了不少开创性的研究[5-8]。

　　1986年,Kuhlman研究了吹气对开关绝缘恢复特性的改善,并提出了吹气式火花隙开关绝缘能力完全恢复的判据,给出了近似恢复函数[5]。1997年,俄罗斯Gubanov结合实际应用背景,对高压高重复频率氮气火花隙开关进行了详细且卓有成效的实验研究工作,得到了不少有意义的结论[3],如重复频率运行存在临界重复频率和最佳气流速度、与开关气压基本无关等,这些研究成果已成功应用于紧凑重复频率Tesla变压器型SINUS加速器[1,3],但未能给出更加详细的实验数据和系统的实验结果,未能给出关系式和合适的开关工作气压。在国内,1996年许日等通过实验研究证实适当的气流速度可以使火花隙开关绝缘恢复时间明显缩短[9];2000年,刘金亮等给出了提高大功率火花隙开关重复频率运行性能的几种有效方法[10];2003年,罗敏等研究了纵向吹气场畸变火花隙开关重复频率和工作寿命的影响因素[11],并于2005年给出了开关完全恢复所需的气流流速需要满足的条件[12]。综上所述,虽然国内外对于火花隙开关重复运行研究性工作不少,但是对适用于紧凑重复频率Tesla变压器型加速器的吹气式氮气火花隙开关在重复频率运行方面的研究和报道不多、不够详细,而这恰恰是此类加速器设计和实验调试所迫切需要的。

　　本文利用带有内部气流循环系统的火花隙开关,基于紧凑重复频率Tesla变压器实验平台,在不同吹气速度下,对火花隙开关重复频率运行性能进行系统的实验研究,给出以气压和风机频率作为参变量的击穿电压与重复频率的关系曲线,并进行分析和讨论。

　　1　实验装置

　　紧凑重复频率吹气式火花隙开关如图1所示。火花隙开关充满高纯氮气,开关气压p在2.0 MPa范围内可调,电极形状为半球形,电极半径R=3 cm,电极间距d=1 cm。风机吹气系统由变频器、电机M、风机F和喷嘴C组成,其中变频器为外置式,用来给电机供电,工作参数为90 W,400 Hz,220 V,风机吹气速度由变频器频率(以下称作为风机频率)表征,二者成线性关系,风机频率在400 Hz范围内可调。

　　开关内部封闭的气流循环通道为:气流首先由风机F吹出,经喷嘴C到达火花隙开关电极间隙G,以将火花隙开关击穿过程中产生的电离气体吹离电极间隙G,然后气流到达喷嘴对面的孔缝D,再经开关外筒内环形通道由A1环流半周抵达喷嘴侧部A2,而后向上经风机外壳O边缘至风机内壳I上部小孔H回流,最后经电机M后返回至风机F,完成一个内部封闭的气流循环,其中风机外壳O带有水冷系统。开关击穿电压Ubd由与左端L连接的紧凑Tesla变压器实验平台提供的PFL充电电压U2≈U2max[1-cos(πtch/tz)]/2供应,其中U2max为PFL峰值充电电压,tch和tz分别为PFL的充电时间和峰值充电时间。火花隙开关击穿后,左端PFL通过火花隙开关经充满电容器油的传输线向右端与R连接的负载放电,在负载上得到ns级高电压脉冲。PFL和负载的阻抗分别为ρFL=30Ω和RD=100Ω。重复频率fr在1~1 000 Hz可调,出于火花隙开关经过100个脉冲的调整后运行已达平衡态的考虑,火花隙开关重复频率脉冲串运行的脉冲数目限制在N=100。