高功率重復頻率氣體OMAL歐瑪爾火花開關的詳細資料:
高功率重復頻率氣體OMAL歐瑪爾火花開關
脈沖功率技術在民用和國防領域有著廣泛的運用,包括產(chǎn)生高功率粒子束、激勵X射線、激勵氣體激光等。在這些運用當中,一個重要發(fā)展方向是實現(xiàn)高功率重復頻率運行以獲得高平均功率,而開關技術則是限制其重復頻率的重要因素,因此,研究高功率、大電流、高重復頻率氣體OMAL火花開關,對提高脈沖功率調(diào)制器的性能具有重要的意義。
高功率重復頻率氣體OMAL歐瑪爾火花開關
高功率重復頻率氣體開關存在一個主要的缺點,就是開關壽命比較低,因此如何提高氣體開關的壽命是氣體開關研究的一項重要內(nèi)容。先簡單介紹了氣體OMAL火花開關的擊穿機理,分析了氣體開關主要參數(shù)的計算方法。并通過對比兩種大電流氣體OMAL火花開關結構,對一種開關外殼為金屬的結構進行了改進,即采用開關高壓電極和外殼一體化設計,外殼為金屬腔體,低壓電采用金屬擋板,可以從zui大程度上減小開關工作時對絕緣支撐的污染,提高開關的壽命;同時運用CST電場分析軟件,對開關的主要尺寸進行了優(yōu)化設計,并對觸發(fā)電極與主間隙中央的距離進行了分析,得到了觸發(fā)電極與開關主間隙的*距離;并且運用ANSYS軟件,對開關的電極冷卻進行了分析,結果表明,利用外加冷卻液的方式,可以有效對開關的電極進行冷卻,降低開關表面電極材料的燒蝕,提高開關的壽命和重復運行的穩(wěn)定性。同時,根據(jù)實驗室的情況,設計加工了一套高功率重復頻率氣體OMAL火花開關系統(tǒng),包括氣體開關、吹氣系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)。zui后對所設計的重復頻率氣體開關進行了各種實驗:自擊穿靜態(tài)實驗,在開關室內(nèi)充入氮氣,氣壓0.10~0.25MPa時,開關的自擊穿電壓與開關氣壓近似為線性關系,自擊穿電壓范圍為33~45kV;在單次觸發(fā)實驗:當開關氣壓為0.10、0.15、0.20和0.25MPa時,開關自擊穿電壓分別為33、37、41和45kV;當觸發(fā)電壓為80kV時,其可控工作電壓范圍分別為25~94%、38~86%、40~88%和44~88%,具有可控工作電壓范圍寬的優(yōu)點。而當開關工作氣壓為0.25MPa,工作電壓為40kV,欠壓比為88%時,開關的時延為50ns,抖動為1.28ns,分散性小于3%,工作穩(wěn)定,可用于強流加速器初級儲能系統(tǒng);重復頻率實驗:開關在電壓10kV、電流10kA、重復頻率30Hz時,運行穩(wěn)定,波形重疊性好,偏差在5%以內(nèi);當開關在電壓20kV、電流20kA、重復頻率10Hz時,開關波形重疊好,偏差在10%以內(nèi)。經(jīng)過上千次的實驗,對比以往的開關可以得到,該開關壽命明顯提高。重復頻率運行是當前脈沖功率技術主要發(fā)展方向之一。水介質(zhì)脈沖功率調(diào)制器具有儲能密度高,結構緊湊、與低阻抗微波源較好匹配的特點,因此得到廣泛的應用,但是受到高功率、大電流氣體開關的絕緣恢復的影響,水介質(zhì)等低阻抗脈沖功率調(diào)制器的重復頻率運行或多脈沖運行受到較大的限制。研究高功率大電流自擊穿氣體OMAL火花開關多脈沖運行特性,對于開展水介質(zhì)脈沖功率調(diào)制器的多脈沖運行,或重復頻率運行研究具有重要的意義。從理論分析、數(shù)值計算等方面研究了氣體OMAL火花開關的絕緣恢復特性,實驗研究了氣流對OMAL火花開關恢復速度的影響,其研究結果為OMAL火花開關的多脈沖運行奠定了堅實理論基礎。對氣體OMAL火花開關的擊穿機理,創(chuàng)新的利用擊穿概率分析了粗糙電極對氣體OMAL火花開關V/p曲線影響的物理機制,給出了利用細小結構構造平穩(wěn)V/p(開關擊穿電壓/氣體壓強)曲線的條件,為實驗中控制和利用該曲線提高氣體OMAL火花開關的多脈沖運行能力提供了理論基礎。對電極間隙內(nèi)氣體狀態(tài)的恢復,數(shù)值模擬了炙熱氣體的傳導和對流過程,分階段的討論和模擬了帶電粒子的消逝過程,分析了影響電極間隙內(nèi)氣體狀態(tài)恢復的主要因素。結合理論分析和模擬結果,提出了氣體OMAL火花開關多脈沖運行特性可采用如下方法:使用導熱性能好的氣體,如H2、SF6等;采用吹氣的方法;增大氣壓,在電極表面增加細小結構,構造平穩(wěn)的V/p曲線;改良開關電極結構和尺寸,采用奶頭-半球結構的電極;使用電負性強的氣體作為開關絕緣氣體,如SF6。
高功率重復頻率氣體OMAL歐瑪爾火花開關
實驗上,進行了自擊穿氣體OMAL火花開關多脈沖運行特性的研究,對比了不吹氣時和吹氣時OMAL火花開關的恢復速度。在擊穿電壓400kV,峰值電流30kA,脈寬40ns的工作參數(shù)下,采用吹氣的辦法(氣流速度30m/s),使氣體OMAL火花開關多脈沖運行間隔達到5ms,實驗結果與理論估計相符。zui后,介紹了實驗中設計并研制的大功率低電感匹配負載,該負載冷測電阻值5.82?,電感190nH,結果與理論設計*,該負載具有阻值穩(wěn)定,電感低的特點。
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