电弧参数对激光触发真空开关重频开断特性的影响

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大连理工大学电气工程研究所、国家电网辽宁电力有限公司电气科学研究所的陈、段、廖、邹、刘瑞通等研究员在2019年第21期《电工技术学报》号文中指出,激光触发真空开关(LTVS)的电弧特性受外部电路参数和触发材料的共同影响,影响其分断性能。

本文建立了一个基于可拆卸真空室的实验电路。电流频率、工作电压、电流峰值、电极结构和触发材料类型等因素会发生变化。比较了相应条件下LTVS完全关断时间的差异,分析了不同电弧参数对LTVS重复关断特性的影响,讨论了LTVS关断时真空电弧与触发材料的关系。

实验结果表明,LTVS的全关断时间随电流峰值和工作电压的增大而增大,随电流频率的增大而减小。纵向磁电极对LTVS击穿能力的改善效果随电流频率而变化。LTVS的关断特性明显受到触发材料类型的影响。在氯化钠、KCl、钛氢氧化物和钛KCl中,导热系数最好的钛KCl的关断特性最差,关断频率为1.4千赫,电流峰值为2.6千安,约为7毫秒,研究结果可为LTVS产品设计提供参考。

随着我国脉冲功率技术的快速发展和脉冲功率器件容量的不断增长,开发性能更好的脉冲功率开关器件已成为脉冲功率领域的关键问题之一。激光触发真空开关(LTVS)是一种新型脉冲功率开关,它结合了脉冲激光和触发真空开关的技术特点。

与传统的通过表面击穿或场畸变产生初始等离子体的电触发真空开关相比,LTVS利用高能脉冲激光与触发材料的相互作用产生大量的初始等离子体,简化了开关和触发系统的结构,同时大大提高了其工作可靠性,具有导通延时短、触发精度高、使用寿命长等优点。

自1973年前苏联的阿马卡列维奇等人用激光触发真空短间隙的传导以来,国内外学者对LTVS的性能改进和推广应用做了大量工作。

美国桑迪亚实验室的布朗农等人比较了数千种触发材料LTVS的传导延迟特性,认为钛和KCl的混合粉末更适合LTVS。日本的杉川等人比较了不同电极材料对LTVS电导率的影响。华中科技大学的何郑好等人研究了多棒激光触发真空开关的导通性能和触发机理。他研制的多棒LTVS具有26kV的耐受电压和低至17纳秒的传导时间延迟。大连理工大学的廖等人比较了不同触发材料的激光触发真空开关的寿命退化特性,认为可靠性的下降主要是由于触发材料被电弧烧蚀。

以往对LTVS的研究主要集中在改善其导电性能和优化其使用寿命上,而对其关断能力的研究相对较少。结合LTVS的工作过程,激光热烧蚀触发材料传导真空间隙后,高温真空电弧对触发材料也有很强的热效应。触发材料在起弧和弧后阶段释放的带电粒子将在一定程度上影响间隙介质的强度恢复。因此,真空电弧和触发材料共同影响LTVS的重复击穿特性。

考虑到电磁炮、电力系统保护等领域对触发开关重复操作能力的要求,统计了LTVS在不同条件下的完全关断时间,研究了其重复关断特性。

LTVS的断裂性能主要取决于电弧对触发材料的热效应。电路参数,如电流频率、电流幅度和工作电压,以及st

1)LTVS完全关断振荡电流所需的时间随着电流峰值和工作电压的增加而增加,随着电流频率的增加而减少;然而,电流频率的增加将降低LTVS的关断能力。2)在中低频条件下,纵向磁电极LTVS可以获得比平面电极LTVS更短的完全关断时间;然而,当高频电流被切断时,纵向磁电极难以形成有效磁场来调节电弧运动,并且对LTVS切断能力的改善效果有限。3)电流过零时,电弧高温对不同触发材料的热效应不同,影响LTVS的完全击穿时间和击穿能力。在氯化钠、KCl、钛氢氧化物和钛KCl材料中,钛氢氧化物材料具有最好的击穿性能,能在2毫秒内击穿峰值为2.6千安培、频率为1.4千赫兹的振荡电流;尽管钛KCl材料良好的导热性有利于提高开关的导通性能,但不利于LTVS快速关断高频电流。