大库仑两电极气体开关静态特性

　　目前能源系统中广泛使用的大电流开关是引燃管[1]。但随着强激光能源性能指标的不断提高,引燃管已经无法满足需求。两电极气体开关结构简单、通流能力强,常被应用于大库仑量、大电流的场合[2-4]。美国NIF装置[5-6]能源系统采用ST-300两电极气体开关,其额定工作电流达到500 kA。

　　强激光能源[7-8]系统中,一般多个模块同时工作(主机装置中将有108个能源模块同时工作),单个开关的自击穿(误点火)概率略偏大时(如10-4量级),整个能源系统的开关误点火概率将会达到一个很大的值(1%),这将严重影响整个能源系统的可靠性和稳定性。如仅凭经验来确定开关的静态工作电压,可能导致不稳定性隐患存在,并且不便于计算分析,特别是在系统中存在大量的同类型气体开关的情况下。因此,从整个系统的可靠性、稳定性出发,研究开关的自击穿电压概率分布特性是十分必要的。本文研制了大电流、大库仑两电极气体开关,并研究了其静态特性。

　　1　开关静态特性

　　两电极气体开关工作时,两极加载的工作电压通常为自击穿电压的50%~60%。触发电压脉冲直接加到开关两极间,在两极间形成瞬时过电压,从而使开关击穿导通。两电极气体开关的典型工作电路如图1所示。

　　1.1　大库仑气体开关结构

　　研制的气体开关如图2所示,开关由阳极、阴极、金属腔体及绝缘支撑外壳4个部分组成。电极材料是耐烧蚀高密度超硬石墨[9],无触发极,吹气孔正对电极间隙。

　　1.2　气体开关自击穿特性试验

　　为了提高开关上加载电压精度,采用变速升压过程:自击穿电压从0升到80%时,升压速率为5 kV/s;从80%自击穿电压到开关完全击穿,升压速率为0. 5 kV/s。开关内气压范围是0. 2 ~0.5 MPa,本文开关的常规工作气压将处于这个范围内。为了确定开关的自击穿电压与气压的关系以及同一气压下开关自击穿电压的分散性,我们在开关气压为0.2~0.5 MPa之间均匀选取5个气压值进行自击穿试验,每个气压值下重复自击穿试验100次。为便于分析研究,实验采用两台结构相同的开关做静态特性对比实验,它们的电极间距分别为3.29 mm(1#开关),3.24 mm(2#开关)。图3是两台开关自击穿电压与工作气压的关系。

　　Fig.3　Self-breakdown voltagevsair pressure

　　图3　开关自击穿电压与充气压强关系曲线

　　由图3看出:两台开关的自击穿电压与工作气压近似成线性递增关系,并且两台开关的静态特性十分接近,说明了开关试验的可靠性。采用最小二乘法拟合出两台开关自击穿电压随气压变化的关系为

式中:p为工作气压,单位MPa;Ub为开关的自击穿电压,单位kV。