4-37  MV级重复频率三电极气体开关系统的设计及初步实验

罗  敏  常安碧  赵殿林

介绍一个结构紧凑的三电极重复频率气体开关系统的设计以及初步的调试实验结果。开关系统结构上可分为3大部分：气体开关室、高压气流循环系统、触发发生器。气体开关室为气体火花开关的主体，通过可控的气体火花放电来控制电子束源能量的转换；高压气流循环系统产生高速气流以加速开关的极间绝缘恢复，实现高重复频率运行；触发发生器作用是通过空间磁耦合，将初级电容上储存的电能，转换成高压脉冲信号馈送到开关触发间隙，控制开关导通。

在气体开关室的设计中，利用ANSYS软件，重点对开关电极结构和绝缘支撑结构进行了优化设计。电极结构的优化设计包括电极形状及曲率、间距、触发孔直径、触发针直径、位置及尖端形状、气流通道形状等内容，以保证开关具有优良的击穿特性和绝缘恢复特性。同时，通过对与绝缘支撑隔板相连的电极座形状和曲率进行优化设计，大大降低了结构的绝缘薄弱点——三结合点的电场强度，小于100 kV/cm，增强了开关的径向绝缘能力。

在触发发生器的设计中，考虑到Trigatron型气体开关的触发特点以及结构紧凑的总体要求，设计了一种具有3个绕组和3个开口铁芯的脉冲变压器，同时该变压器结构上与传输线紧密结合起来。经测试，该触发器实现了输出电压幅值150 kV、前沿8.8 ms、脉冲能量约1.4 J、频率100 Hz的工作指标，满足设计要求。

初步的调试实验结果表明，开关已实现工作电压1.1 MV、峰值电流约13.8 kA、重复频率100 Hz的运行参数。图1为开关工作电压典型实验波形，1为单次展开波形，2为重复工作波形，该信号通过数字示波器序列采集方式得到，波形经过了压缩。可见开关绝缘恢复性能良好，各次工作电压幅值均匀，分散性小。