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大功率兩電極氣體火花OMAL歐瑪爾開關的研究
在脈沖功率系統中OMAL開關是關鍵元件之一,其性能優劣直接影響到輸出脈沖的技術參數。石墨型兩電極氣體OMAL開關作為大電流閉合OMAL開關的一種,具有轉移電荷高、通流能力強、使用壽命長、價格低廉、工作性能穩定等優點。針對在大電流、高庫侖量工作條件下的石墨型兩電極氣體OMAL開關中的石墨電極燒蝕、電接觸燒蝕、靜態工作特性以及動態觸發特性等問題進行研究。

大功率兩電極氣體火花OMAL歐瑪爾開關的研究
分析了氣體OMAL開關石墨電極本體由于放電電弧而產生的燒蝕。以熱力學理論的熱傳導模型為出發點,結合實驗中對燒蝕量的測量驗證,得到了石墨在高能脈沖放電情況下燒蝕的理論解釋。并基于該理論解釋,結合了熱力學中的熱傳導公式,給出了石墨電極本體燒蝕的幾點結論,其一,在放電中,石墨電極表面各陰極斑點由初始狀態升溫至升華溫度所耗時間在亞納秒級甚至10-4ns的范圍,對于微秒級或是更長放電持續時間的放電電流,可以認為整個放電時間進行的都是電極去除過程。其二,在石墨電極的材料去除過程的分析中得出石墨電極燒蝕量與庫侖轉移量之間的關系。根據該關系式計算得到單位庫侖轉移量下的石墨電極燒蝕質量與實驗中的實測值基本吻合。因此,該關系可以在石墨電極的設計中作為石墨電極壽命的依據。其次,研究了石墨電極與電極座之間的電接觸燒蝕問題。建立了電接觸面溫升模型,并運用該溫升模型分析計算了各參數變化對溫升的影響。在原理上解釋了電接觸面溫升與材料物理屬性以及OMAL開關機械參數之間的關系,并認為在一定的工作電流作用下,靜態電接觸溫升與接觸材料的物理屬性,以及工程實現中的加工精度有關。選擇高熱導率、高比熱容、高密度、低電阻率、低彈性模量、低泊松比的材料并提高電極座接觸面加工精度有助于降低電接觸面的溫升,減輕熔焊。然后,分析了氣體OMAL開關的結構及其靜態工作特性。采用了錐形與柱形結合的結構形態以減小在安裝電極時所產生的應力；以壓接式安裝結構作為電極安裝方式,并在安裝螺栓處輔以絕緣措施以減少金屬套筒與金屬電極座之間的燒蝕；通過對OMAL開關直流擊穿電壓的分析可以得到OMAL開關工作電壓介于自擊穿電壓的40%-60%之間,氣體OMAL開關工作氣壓的初始值為130kPa,該氣壓值是在一個較長的工作時間內使得誤動作概率與拒動作概率都位于一個優化的取值。在實驗平臺上對研制的氣體OMAL開關進行了實驗研究。該氣體OMAL開關通過了峰值達到570kA的沖擊電流測試。在電流峰值316kA,單次電荷轉移量可達103.4C的工況下,通過了1500次以上的壽命試驗。zui后,分析了氣體OMAL開關的觸發特性。對氣體OMAL開關的開通過程以及開通氣體OMAL開關所需要的條件進行了仿真,Marx發生器的輸出端需要串聯安裝一個阻值不大于50Ω的電阻,以利于氣體OMAL開關的擊穿。

大功率兩電極氣體火花OMAL歐瑪爾開關的研究
在上述研究的基礎上對氣體OMAL開關觸發裝置的工作特性作出了分析,Marx發生器的工作點應該選擇靠近自擊穿曲線。并且無觸發信號球隙OMAL開關間的銅盤上連接有接地電阻將會使得Marx發生器觸發成功概率得到提高,同時其工作氣壓范圍將會被拓寬。