4-33  高功率重复频率气体火花开关理论与实验

罗  敏

　　高功率重复频率开关技术是制约脉冲功率技术发展的关键技术之一，本文介绍了高功率重复频率气体火花开关的一些理论和实验研究情况。为了探寻提高开关重复频率和寿命的技术途径和方法，对制约开关重复频率和寿命的两个主要物理过程—绝缘恢复和电极烧蚀的机理进行了理论研究。这里设计了两种形式的三电极吹气式气体火花开关，并进行了高能、大电荷量重复频率实验研究。

　　在绝缘恢复机理研究中，首先对高功率重复气体火花开关绝缘恢复过程进行了理论分析，提出了开关绝缘强度完全恢复的判据，得到了一些定性结论；然后建立了一般吹气式气体火花开关绝缘恢复的动态数学模型，得到了包括质量守恒方程、动量守恒方程、能量守恒方程和状态方程等的一个完备方程组；建立了纵吹式气体开关绝缘恢复过程的数学模型，得到了一个简化流体力学方程组。

　　研究了高功率气体火花开关电极烧蚀的基本物理过程。根据能量守恒方程，同时考虑了电极材料的熔解和气化特性，建立了电极烧蚀过程的一维非线性简化数学模型，并采用时域有限差分法(FDTD)进行了数值求解。通过计算研究了电极烧蚀过程的基本物理图像，得到了电极材料烧蚀量与材料热导率、比热、熔点、沸点等特性参数的关系，并比较了铜、钨、铝三种电极材料的耐烧蚀能力。

　　建立了一个高平均功率开关实验系统，包括恒流充电电源、气流循环系统、大功率低感负载电阻、基于PLC的控制系统等部分；设计、实验并比较了两种实用的三电极重复频率气体开关。实验获得的最大开关工作参数为：工作电压100 kV，峰值电流85 kA，电荷传递量约0.6 C/脉冲，重复频率10 Hz，单脉冲能量5 kJ。通过实验发现气流流速、电极烧蚀、绝缘筒污染等因素制约了高能、大电荷量气体开关的重复工作性能。