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“神龙二号”气体火花开关中绝缘结构的电场分析与优化

武庆周 李劲 李远 高峰 黄子平 陈茂 刘邦亮

武庆周, 李劲, 李远, 等. “神龙二号”气体火花开关中绝缘结构的电场分析与优化[J]. 强激光与粒子束, 2018, 30: 025001. doi: 10.11884/HPLPB201830.170370
引用本文: 武庆周, 李劲, 李远, 等. “神龙二号”气体火花开关中绝缘结构的电场分析与优化[J]. 强激光与粒子束, 2018, 30: 025001. doi: 10.11884/HPLPB201830.170370
Wu Qingzhou, Li Jin, Li Yuan, et al. Electric field analysis and optimization of the insulation system in gas-filled spark gap switch of Dragon-Ⅱ accelerator[J]. High Power Laser and Particle Beams, 2018, 30: 025001. doi: 10.11884/HPLPB201830.170370
Citation: Wu Qingzhou, Li Jin, Li Yuan, et al. Electric field analysis and optimization of the insulation system in gas-filled spark gap switch of Dragon-Ⅱ accelerator[J]. High Power Laser and Particle Beams, 2018, 30: 025001. doi: 10.11884/HPLPB201830.170370

“神龙二号”气体火花开关中绝缘结构的电场分析与优化

doi: 10.11884/HPLPB201830.170370
基金项目: 

国家自然科学基金项目 51607165

国家自然科学基金项目 11675159

中国工程物理研究院科学技术发展基金项目 2015B0402077

中国工程物理研究院科学技术发展基金项目 2015B0402076

详细信息
    作者简介:

    武庆周(1983-), 男,博士,从事脉冲功率技术、极端条件下的绝缘技术和绝缘系统优化研究;wuqingzhou@163.com

    通讯作者:

    李劲(1973-), 男,副研究员,从事脉冲功率技术、强流加速器技术研究;13981185280@139.com

  • 中图分类号: O521.3

Electric field analysis and optimization of the insulation system in gas-filled spark gap switch of Dragon-Ⅱ accelerator

  • 摘要: 气体火花开关作为重要部件被大量地应用于直线感应加速器和Z箍缩等大型脉冲功率装置中。绝缘结构设计不合理会使得气体火花开关中出现局部电场畸变和电荷积聚等现象。在高电压脉冲下长时间或高频次运行时,火花开关中的绝缘子会发生沿面闪络现象,直接影响到脉冲功率装置的正常运行。鉴于此,对气体火花开关中的绝缘结构进行了有限元电场分析,用表面电荷的积聚定性解释了沿面闪络发生的原因。通过对绝缘子的几何结构和电极尺寸的优化设计,有效降低了绝缘子表面和电极表面的电场强度,其中阳极三结合点场强从9.4 kV/mm降至1.5 kV/mm,阴极三结合点场强从2.95 kV/mm降至0.98 kV/mm,绝缘子表面最高场强从10.8 kV/mm降至4.95 kV/mm。优化后的绝缘结构电场分布较为合理,降低了由于表面电荷的积聚而引发沿面闪络的概率。
  • 图  1  绝缘子和阳极(异型螺母)

    Figure  1.  Insulator and anode (nonstandard screw)

    图  2  触发极和阴极(法兰)

    Figure  2.  Trigger electrode and cathode (flange)

    图  3  计算模型

    Figure  3.  Simulation model

    图  4  电位分布

    Figure  4.  Potential distribution

    图  5  电场分布

    Figure  5.  Electric field distribution

    图  6  表面电荷对电场分布的影响

    Figure  6.  Influence of surface charge on electric field distribution

    图  7  优化后的电位分布

    Figure  7.  Potential distribution after optimization

    图  8  优化后的电场分布

    Figure  8.  Electric field distribution after optimization

    图  9  优化前后的异型螺母表面电场分布

    Figure  9.  Surface electric field distribution on original and optimized nonstandard screw

    图  10  优化前后的绝缘子表面电场分布

    Figure  10.  Surface electric field distribution on original and optimized insulator

    表  1  kn的数值

    Table  1.   Values of k and n

    k+ k- n
    air 22 22 0.6
    freon 36 60 0.4
    SF6 44 72 0.4
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出版历程
  • 收稿日期:  2017-09-12
  • 修回日期:  2017-10-23
  • 刊出日期:  2018-02-15

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