高功率重复频率气体火花开关研究

论文摘要

脉冲功率技术在民用和国防领域有着广泛的运用,包括产生高功率粒子束、激励X射线、激励气体激光等。在这些运用当中,一个重要发展方向是实现高功率重复频率运行以获得高平均功率,而开关技术则是限制其重复频率的重要因素,因此,研究高功率、大电流、高重复频率气体火花开关,对提高脉冲功率调制器的性能具有重要的意义。但是高功率重复频率气体开关存在一个主要的缺点,就是开关寿命比较低,因此如何提高气体开关的寿命是气体开关研究的一项重要内容。本文先简单介绍了气体火花开关的击穿机理,分析了气体开关主要参数的计算方法。并通过对比两种大电流气体火花开关结构,对一种开关外壳为金属的结构进行了改进,即采用开关高压电极和外壳一体化设计,外壳为金属腔体,低压电极端采用金属挡板,可以从最大程度上减小开关工作时对绝缘支撑的污染,提高开关的寿命;同时运用CST电场分析软件,对开关的主要尺寸进行了优化设计,并对触发电极与主间隙中央的距离进行了分析,得到了触发电极与开关主间隙的最优距离;并且运用ANSYS软件,对开关的电极冷却进行了分析,结果表明,利用外加冷却液的方式,可以有效对开关的电极进行冷却,降低开关表面电极材料的烧蚀,提高开关的寿命和重复运行的稳定性。同时,根据实验室的情况,设计加工了一套高功率重复频率气体火花开关系统,包括气体开关、吹气系统、冷却系统。最后对所设计的重复频率气体开关进行了各种实验:(1)自击穿静态实验,在开关室内充入氮气,气压0.10～0.25MPa时,开关的自击穿电压与开关气压近似为线性关系,自击穿电压范围为33～45kV;(2)在单次触发实验:当开关气压为0.10、0.15、0.20和0.25MPa时,开关自击穿电压分别为33、37、41和45kV;当触发电压为80kV时,其可控工作电压范围分别为25～94%、38～86%、40～88%和44～88%,具有可控工作电压范围宽的优点。而当开关工作气压为0.25MPa,工作电压为40kV,欠压比为88%时,开关的时延为50ns,抖动为1.28ns,分散性小于3%,工作稳定,可用于强流加速器初级储能系统;(3)重复频率实验:开关在电压10kV、电流10kA、重复频率30Hz时,运行稳定,波形重叠性好,偏差在5%以内;当开关在电压20kV、电流20kA、重复频率10Hz时,开关波形重叠好,偏差在10%以内。经过上千次的实验,对比以往的开关可以得到,该开关寿命明显提高。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 课题的研究现状和发展趋势
• 1.2 论文的主要工作
• 第二章 重复频率三电极气体火花开关的理论基础
• 2.1 气体火花开关的击穿机理
• 2.1.1 汤生放电理论
• 2.1.2 流柱放电理论
• 2.1.3 巴申定律
• 2.2 三电极气体火花开关工作原理
• 2.2.1 针触发三电极开关
• 2.2.2 场畸变三电极开关
• 2.3 电极烧蚀分析
• 2.3.1 电极烧蚀机制
• 2.3.2 减小电极烧蚀的方法
• 2.4 气体绝缘恢复
• 2.4.1 带电粒子的消逝
• 2.4.2 高温气体的冷却
• 2.5 小结
• 第三章 重复频率气体开关主要参数计算及模拟研究
• 3.1 气体开关主要参数的计算
• 3.1.1 工作电压
• 3.1.2 开关电感、电阻及火花通道半径
• 3.2 开关的绝缘防护
• 3.3 开关的电场分析
• 3.3.1 开关结构的建立
• 3.3.2 无触发电极的电场分析
• 3.3.3 有触发电极的电场分析
• 3.4 开关的电极冷却
• 3.4.1 冷却液对电极的冷却
• 3.4.2 吹气对电极的冷却
• 3.5 小结
• 第四章 重复频率气体火花开关系统的设计
• 4.1 开关主体设计
• 4.1.1 开关结构
• 4.1.2 开关主要尺寸
• 4.2 冷却系统设计
• 4.2.1 冷却系统设计
• 4.2.2 冷却液流量的确定
• 4.3 吹气系统设计
• 4.4 开关触发系统
• 4.5 小结
• 第五章 重复频率气体火花开关的实验研究
• 5.1 自击穿静态实验
• 5.1.1 实验装置
• 5.1.2 实验结果及讨论
• 5.2 单次触发实验
• 5.2.1 实验装置
• 5.2.2 实验结果及讨论
• 5.3 重复频率实验
• 5.3.1 实验装置
• 5.3.2 实验结果及讨论
• 5.4 开关的寿命比较
• 5.5 小结
• 第六章 结束语
• 6.1 主要工作成果和结论
• 6.2 今后工作展望
• 致谢
• 参考文献
• 作者在学期间取得的学术成果