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场畸变气体火花开关电气性能与烧蚀过程研究

南方电网技术 2024年

作者：杨昊孙凡张璐范华峰宋治波张昊天陈苗苗国网陕西省电力有限公司电力科学研究院西安工商学院信息与工程学院西安工程大学电子信息学院

伴随着气体火花开关的广泛应用，选择工作稳定且使用寿命长的气体火花开关已经成为了脉冲功率系统稳定运行的重要保障。目前，国内外相关学者对于气体开关展开了大量研究，但多数都是基于从放电条件研究对气体火花开关烧蚀的影响。因此... 详细信息

伴随着气体火花开关的广泛应用，选择工作稳定且使用寿命长的气体火花开关已经成为了脉冲功率系统稳定运行的重要保障。目前，国内外相关学者对于气体开关展开了大量研究，但多数都是基于从放电条件研究对气体火花开关烧蚀的影响。因此从实际工程需求出发，全面研究了不同工作环境对气体火花开关的自击穿电压的分布、时延抖动、分散性的变化情况以及电极烧蚀现象与机制、宏/微观粗糙度变化规律。结果表明：相同气压条件下，开关击穿电压的分散性随电极间隙的增大无明显规律变化。随着工作系数提高至90%，开关放电时延平均值基本不变，但呈现出数纳秒的波动，当间隙距离为10mm时，工作系数在60%以下时，抖动的起始值及其减小的速率远高于其他间隙。随着电极间距的增大，对电极表面的烧蚀的影响较小，低气压长间隙的烧蚀程度相较于高气压短间隙的烧蚀更为明显。

关键词：气体火花开关时延抖动电极烧蚀宏/微观粗糙度

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气体火花开关电极烧蚀研究

强激光与粒子束 2014年第1期26卷 248-255页

作者：谢昌明谈效华杜涛唐兵华尚绍环李蓉李正林中国工程物理研究院电子工程研究所四川绵阳621900

采用Mo,WCu和W分别作为三种气体火花开关的主电极材料,进行放电条件下电极烧蚀实验,研究开关电极烧蚀率和烧蚀形貌,分析电极烧蚀特征。结果表明,Mo,WCu和W开关的主电极烧蚀率分别为3.32×10-2 C-1·m-2,2.63×10-2 C-1·m-2和1.74×10-2... 详细信息

采用Mo,WCu和W分别作为三种气体火花开关的主电极材料,进行放电条件下电极烧蚀实验,研究开关电极烧蚀率和烧蚀形貌,分析电极烧蚀特征。结果表明,Mo,WCu和W开关的主电极烧蚀率分别为3.32×10-2 C-1·m-2,2.63×10-2 C-1·m-2和1.74×10-2 C-1·m-2,W开关主电极烧蚀率最小。实验后开关的主电极中心烧蚀严重,呈现明显裂纹和烧蚀坑。Mo主电极表面呈现明显熔融态,阴极表面形成大量裂纹(宽度达10μm)和孔隙(孔径达10μm);WCu和W主电极表面形成少量圆球状W突起(粒径达20μm及以上)。开关外壳内壁沉积了喷溅颗粒。WCu开关外壳沉积颗粒较大(粒径达10μm),Mo开关外壳沉积颗粒居中(粒径为2μm),W开关外壳沉积颗粒最小(近1μm)。因此可优先选用具有优异抗烧蚀性能的W作为气体火花开关电极材料。

关键词：气体火花开关电极材料电极烧蚀烧蚀率微观形貌能谱元素分析

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气体火花开关放电的数值模拟

强激光与粒子束 2007年第6期19卷 1039-1043页

作者：高景明刘永贵殷毅杨建华国防科学技术大学光电科学与工程学院长沙410073

基于Rompe-Weizel火花动态电阻公式，数值计算了电容器经火花开关放电时负载电阻上的输出电压。在相同电参数条件下，计算所得的峰值电压为54kV，前沿为2．0ns，与实验所得的55kV和2．3ns基本吻合。基于Braginskii火花动态电阻公式，在... 详细信息

基于Rompe-Weizel火花动态电阻公式，数值计算了电容器经火花开关放电时负载电阻上的输出电压。在相同电参数条件下，计算所得的峰值电压为54kV，前沿为2．0ns，与实验所得的55kV和2．3ns基本吻合。基于Braginskii火花动态电阻公式，在假定火花开关电导率恒定与电导率渐变的条件下，利用传输线放电电路数值计算了气体火花开关的非线性动态电阻。与已有实验测量结果（0．7～0．9Ω）对比，发现电导率渐变模型（0．5～0．8Ω）更适合用于反映火花开关的动态电阻变化过程。进而在此模型中引入了负载电阻项，通过计算负载端的透射电流，数值计算得单脉冲形成线对负载放电时的电压脉冲前沿为7～9ns，而利用单线经高压氢气自击穿火花开关放电得到初步实验结果为8ns。

关键词：脉冲功率源气体火花开关放电前沿时间动态电阻电导率

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气体火花开关电极的烧蚀研究

高电压技术 2004年第10期30卷 54-55页

作者：何孟兵贺臣李劲华中科技大学电气与电子工程学院武汉430074

为分析气体火花开关的电极烧蚀问题 ,首先用尼康ECLIPSEME6 0 0P型显微镜实验研究了开关放电后电极表面的微观形貌和侵蚀特征 ,结果表明电极烧蚀的典型图象大致有 3种 :弧坑、突起、裂纹 ;电极烧蚀机理的定性分析表明电极表面烧蚀的图... 详细信息

为分析气体火花开关的电极烧蚀问题 ,首先用尼康ECLIPSEME6 0 0P型显微镜实验研究了开关放电后电极表面的微观形貌和侵蚀特征 ,结果表明电极烧蚀的典型图象大致有 3种 :弧坑、突起、裂纹 ;电极烧蚀机理的定性分析表明电极表面烧蚀的图象可用热爆炸力、磁流体动力。

关键词：气体火花开关电极烧蚀图象尼康放电热应力解释磁流体微观形貌

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气体火花开关电极的溅射特性

高电压技术 2018年第6期44卷 1996-2004页

作者：钟伟刘云龙徐翱尚绍环金大志中国工程物理研究院电子工程研究所

电极烧蚀和颗粒溅射是影响气体火花开关绝缘性能和工作可靠性的主要因素之一,为进一步研究其电极烧蚀及颗粒溅射特性。利用充气式真空动态平台开展不同材料（Mo、WCu）电极间的大电流放电实验并利用扫描电镜进行分析。结果表明：无论作... 详细信息

电极烧蚀和颗粒溅射是影响气体火花开关绝缘性能和工作可靠性的主要因素之一,为进一步研究其电极烧蚀及颗粒溅射特性。利用充气式真空动态平台开展不同材料（Mo、WCu）电极间的大电流放电实验并利用扫描电镜进行分析。结果表明：无论作为阳极还是阴极,WCu在前500次放电过程中都比Mo更早出现烧蚀痕迹,甚至首次放电即产生4μm溅射颗粒;50次放电后,阴阳极间开始出现相互颗粒溅射,且分布范围随放电次数增加逐步扩大到距阴极孔边缘1 mm左右的区域。这表明采用电极烧蚀率作为衡量材料的耐烧蚀性能的单一指标是存在缺陷的,其无法排除电极间溅射颗粒质量的影响,而溅射颗粒由于其分布广、易脱落等特点成为影响开关绝缘性能的关键因素。

关键词：气体火花开关绝缘性能电极烧蚀颗粒溅射脉冲功率扫描电子显微镜

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气体火花开关电极烧蚀形貌研究

电工技术学报 2015年第20期30卷 246-251页

作者：谢昌明谈效华杜涛肖明珠中国工程物理研究院电子工程研究所绵阳621900

开展了不同放电条件下气体火花开关单次放电实验,研究发现表面电极材料喷溅程度随着峰值电流和传递电荷量增大而逐渐变大,电极表面形成的烧蚀坑熔融化越明显,凹坑直径越大。分别采用钼和钨作为开关电极材料,研究多次放电过程中气体火花... 详细信息

开展了不同放电条件下气体火花开关单次放电实验,研究发现表面电极材料喷溅程度随着峰值电流和传递电荷量增大而逐渐变大,电极表面形成的烧蚀坑熔融化越明显,凹坑直径越大。分别采用钼和钨作为开关电极材料,研究多次放电过程中气体火花开关电极烧蚀形貌的变化规律和电极烧蚀率。结果表明,Mo和W开关的电极烧蚀率分别为9.0×10-6g·C-1和5.0×10-6g·C-1。在放电过程中,烧蚀区域由电极中心扩宽至边缘,表面粗糙度逐渐增大,中心区烧蚀严重。Mo电极表面呈现大量宽裂纹以及少量粒径达30μm的突起颗粒;W电极表面形成的凹坑较小,裂纹较窄,突起颗粒较小。对比两种开关电极,Mo开关电极烧蚀率较大(9.0×10-6g·C-1),烧蚀较严重,表面呈明显熔融态;而W开关电极烧蚀率较小(5.0×10-6g·C-1),表面整体较平整。因此在长寿命应用等场合,可优先选用W作为电极材料,以减少电极烧蚀程度。

关键词：气体火花开关电极材料烧蚀率微观形貌能谱元素分析

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气体火花开关高温气体冷却的三维模拟

高电压技术 2008年第2期34卷 382-384,396页

作者：殷毅刘金亮高景明吕治辉国防科技大学光电科学与工程学院长沙410073

高温气体的冷却是影响气体火花开关重复运行的主要因素。为解决高温气体冷却研究采用一维或二维模型且不考虑气体导热系数、定压比热、粘性系数随温度变化的影响引起的计算不精确,三维数值模拟及理论分析了气体开关导通后开关通道内的... 详细信息

高温气体的冷却是影响气体火花开关重复运行的主要因素。为解决高温气体冷却研究采用一维或二维模型且不考虑气体导热系数、定压比热、粘性系数随温度变化的影响引起的计算不精确,三维数值模拟及理论分析了气体开关导通后开关通道内的高温气体冷却。结果表明,气体导热系数越大、定压比热越小、粘性系数越小、气体冷却速度越快;用得出的上述参数随温度变化的拟合公式对氮气、氢气气体开关中高温气体冷却三维模拟证明了氢气的冷却速度明显好于氮气。

关键词：气体火花开关气体冷却三维数值模拟重复频率氢气开关绝缘恢复

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气体火花开关电极烧蚀研究综述

强激光与粒子束 2020年第10期32卷 126-134页

作者：罗城丛培天张天洋罗维熙湘潭大学材料科学与工程学院湖南湘潭411105 强脉冲辐射环境模拟与效应国家重点实验室西安711024

气体火花开关是脉冲功率装置中最常用的关键器件。电极烧蚀作为脉冲功率开关中的难点问题,会引起开关自击穿电压降低、触发抖动增大及开关寿命降低,已成为制约气体开关发展和应用的一个瓶颈。本文回顾梳理了国内外学者针对电极烧蚀问题... 详细信息

气体火花开关是脉冲功率装置中最常用的关键器件。电极烧蚀作为脉冲功率开关中的难点问题,会引起开关自击穿电压降低、触发抖动增大及开关寿命降低,已成为制约气体开关发展和应用的一个瓶颈。本文回顾梳理了国内外学者针对电极烧蚀问题进行的一系列研究,从电极烧蚀理论和实验研究成果两个方面,介绍了电极烧蚀的基本机制及仿真模型,归纳了影响开关电极烧蚀的因素以及电极耐烧蚀材料的研究进展,最后讨论了电极烧蚀研究面临的问题以及优化电极材料抗烧蚀性能的方向。

关键词：气体火花开关电极烧蚀烧蚀机制烧蚀模型电极材料

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气体火花开关初始放电等离子体演化过程

强激光与粒子束 2016年第5期28卷 123-129页

作者：徐翱杨林尚绍环金大志杜涛谈效华中国工程物理研究院电子工程研究所四川绵阳621900

气体火花开关的初始放电过程对研究其工作状态有着非常重要的影响,通过基于网格粒子法-直接蒙特卡罗法(PIC-DSMC)耦合算法模拟了气体火花开关从放电开始到等离子体通道初步形成的完整过程,得到了电子和离子的数密度时空分布变化,分析了... 详细信息

气体火花开关的初始放电过程对研究其工作状态有着非常重要的影响,通过基于网格粒子法-直接蒙特卡罗法(PIC-DSMC)耦合算法模拟了气体火花开关从放电开始到等离子体通道初步形成的完整过程,得到了电子和离子的数密度时空分布变化,分析了间隙中电场分布随时间变化规律,完整清晰地揭示了气体火花开关从放电初始到等离子体通道初步形成的物理过程,并初步开展了气体火花开关击穿过程的光学诊断实验,为进一步深入研究气体火花开关的物理机理打下了基础。

关键词：气体火花开关等离子体初始放电