摘要：介绍了一种应用于大功率脉冲电源的同轴结构两电极气体火花开关的设计方法，设计了一套大功率的同轴结构两电极气体火花开关，在一个大容量脉冲电源实验平台进行了实验验证，该设计方法能够有效改善大容量气体开关的总体性能，提高使用寿命。
关键词：两电极气体开关；同轴回流；烧蚀
引言
目前，在现有超大功率强激光器系统中，高压放电开关主要采用两电极气体开关。电极多采用石墨材料。主放电开关在高压、大电流放电过程中，石墨电极会因为瞬时高温和电荷转移发生石墨颗粒飞溅，加重电极烧蚀，电极的烧蚀程度直接影响到高压放电开关的放电次数，即高压放电开关的寿命。同时，由于石墨颗粒飞溅，会加重高压气体放电开关绝缘部件例如绝缘圆筒的污染，降低绝缘强度，减少高压气体放电开关使用寿命。
因此，本文提出一种应用于大功率脉冲电源的同轴结构两电极气体火花开关的设计方法，通过实验验证，该设计方法能够解决现有大容量两电极气体开关因电极烧蚀和石墨颗粒飞溅导致的使用寿命短的问题。
图1 两电极火花开关外形结构图
图2 两电极火花开关剖面图
一 开关原理设计
本文研制的两电极气体开关，如图1、图2所示，主要包括第一电极座、第二电极座和用于形成电极间隙的两电极，第一电极座为桶状，电极间隙位于第一电极座的内腔中，第一电极座的径向侧壁上设有用于使第一电极座与外部物体导电连接的导电连接结构，在第一电极座的轴向方向上，导电连接结构位于电极间隙靠近第二电极座的一侧。导电连接结构包括设置在第一电极座的径向侧壁上的凸缘和设置在凸缘上的导电柱；导电柱的一端固定在凸缘上，另一端沿第一电极座的轴向朝向远离第二电极座的方向延伸并超出第一电极座的底壁。凸缘上设有供导电柱的对应端螺纹连接的安装孔，导电柱超出第一电极座底壁的一端设有凸肩，凸肩具有用于与外部物体压紧配合的导电压紧面。导电柱是紫铜材料。导电柱设有多根，各导电柱沿轴向平均分布在凸缘上。
第一电极座朝向第二电极座的开口处设有翻沿，凸缘是由翻沿形成。第一电极座与第二电极座之间通过绝缘拉杆连接，翻沿上背向导电柱的端面上设有螺纹盲孔，绝缘拉杆的对应端上设有与螺纹盲孔螺纹连接的外螺纹。第一电极座的径向侧壁上设有与电极间隙沿径向对应的火花塞安装孔，火花塞安装孔内设有用于触发电极放电的触发火花塞，触发火花塞的电极与第一电极座的径向侧壁的内壁具有间隔。
图3 电流流向示意图
图4 大容量脉冲电源试验平台
二 开关工作过程分析
如图3所示，两电极气体开关同轴回流的原理和作用如下：
1）在气体开关导通时，大功率脉冲电流流向为：底座组合的法兰盘→底座组合的电极→两个电极之间的电极间隙→上盖组合的电极→上盖组合的电极座→上盖组合圆筒壁回流→上盖组合法兰盘→十根铜柱→大功率脉冲输出；
2）两个电极间隙处在上盖组合金属内腔中，由于导电连接结构设置在第一电极座的径向侧壁上，并且设置位置位于电极间隙的下侧，在气体开关导通过程中，上盖组合金属内腔壁电流流向同两个电极间隙的电流流向相反。依据电磁力的作用原理，上盖组合金属内腔壁脉冲电流产生的电磁力作用在两个电极间隙放电的电弧上，会对两个电极间隙的放电电弧产生箍束力，该箍束力使得气体开关导通时的电弧被箍束于同轴金属结构中心窄区域内，在该区域内，瞬时温度较高，能够达到2000~4000K，石墨微小颗粒会和腔体内的氧气发生氧化反应，变成CO、CO2，在放电结束后，通过高压纯净空气换气，会把 残留的气体和颗粒吹出气体开关腔体，避免气体开关因残留导电介质的累计导致气体开关绝缘耐压降低，也使得电极表面被强电弧烧蚀部位是以同轴结构轴心为中心的圆形区域，电极表面烧蚀程度趋于均匀，进而提高两电极气体放电开关的使用寿命；同时导通过程中产生的少量石墨微小颗粒也会被电磁力箍束于同轴金属结构中心窄区域内，避免飞溅到绝缘圆筒内壁上污染绝缘圆筒，以此避免溅射的电弧对绝缘圆筒的影响，进而延长其寿命。另外，在大功率脉冲电流工作状况下，通过同轴回流设计，能够提高两电极气体开关电动力平衡和均匀，进一步提升大容量气体开关的结构工作稳定性，进而提高气体开关电气作稳定性。
图5试验平台电流采集
在金属筒侧壁对应电极间隙处设有火花塞安装孔，火花塞安装孔内安装了一个辅助触发火花塞。在气体开关正常触发电压加在两个电极两端时刻，辅助触发火花塞在高压快脉冲的作用下输出紫外光，紫外光照射在两个电极的间隙高压气体上，使得两个电极间隙的高压气体进行部分电离。同一时刻，气体开关施加具有快前沿特性的主触发高压脉冲，在主触发脉冲高压电场作用下，电极间隙的高压气体完全电离，气体开关导通。通过辅助触发火花塞，提高了气体开关触发的可靠性和气体开关的使用寿命。在火花塞的安装过程中，保证火花塞的触发电极突出金属筒内壁表面1mm的距离。该方式能够保证触发的可靠性，又能够提高火花塞电极的使用寿命。
三 大容量两电极气体火花开关验证结果
借用大容量脉冲电源试验平台对该两电极气体火花开关进行验证，如图4所示，试验平台的主回路电气原理图如图4所示。充电电压为24kV，储能电容为7200μF。单路氙灯负荷为0.5Ω，主回路采用临界阻尼谐振技术，输出20路单次正向临界阻尼电流波形，驱动20路氙灯负载，各回路的电流波形如图5所示。
每个回路的电流约为25kA，流过气体开关的总电流超过500kA，以8min一发的频率，连续运行400发次，气体开关可靠无故障。拆开开关本体后发现，石墨电极表面烧蚀均匀，且在绝缘筒内壁未发现石墨溅射痕迹。
四 结论
本研究利用同轴回流结构，研制了一款的大功率两电极火花开关，性能可靠稳定，成功解决了现有大容量两电极气体开关因电极烧蚀和石墨颗粒飞溅导致的使用寿命短的问题。
参考文献
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作者简介：邹岩（1976-），男，汉族，黑龙江海伦人，硕士，中级工程师，主要从事电力电子变换技术、脉冲功率电源技术研究。
论文作者:邹岩,张公全,黄艳花,朱秀丽,王政
论文发表刊物:《电力设备》2018年第12期
论文发表时间:2018/8/9
标签：电极论文; 气体论文; 火花塞论文; 脉冲论文; 间隙论文; 电流论文; 组合论文; 《电力设备》2018年第12期论文;