脉冲功率开关技术.pptx

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1、 气体火花开关目前较多采用阴极、阳极和触发极的三电极结构。但是,三电极场畸变火花开关的触发极烧蚀非常严重,极大影响了开关的寿命,不适合在大电流、高库仑量的情况下使用。目前的改进方法是去掉其触发极,变为两电极结构。美国国家点火工程NIF 的脉冲能源系统PCS 中采用的两电极开关ST2300,其工作电压055 kV,峰值电流280 kA,电荷转移量700 C。而国内对两电极开关的研究尚处于初级阶段,我校设计了一种两电极结构的气体火花开关,设计要求是在能量为1.2 MJ 的装置上能够安全可靠地工作,工作电压23 kV,峰值电流300 kA,电荷转移量100 C,并同时满足开关电极烧蚀小,寿命长的要求

2、。第1页/共45页 由于取消了触发极,开关的结构变得十分简单。开关的主体部分仅包括阴极、阳极两个主电极,以及金属外壳和绝缘支撑外壳。第2页/共45页 为了使开关在高库仑量大电流的环境下能稳定工作并尽量延长使用寿命,设计的关键在于开关电极材料的选择和形状的优化。采用石墨作为开关的电极材料,并采用有限元分析软件ANSYS 对开关间隙电场进行分析,进而优化电极形状设计,将主电极边缘倒角,处理成椭圆形,优化之后间隙中的电场分布尽量均匀,从而大大提高了开关的稳定性。第3页/共45页 电网电压经调压器、高压实验变压器、整流硅堆和限流电阻给0.01F 的高压电容器充电,开关阳极接电容器正极性高压端,升压直至

3、开关击穿来进行静态自击穿实验。开关内部充纯净氮气,改变开关内部气压,在每个气压下进行重复实验50 次。第4页/共45页第5页/共45页 图3是根据气压表表压0.10 MPa下50次自击穿实验数据绘制的散点图。开关静态自击穿电压有些分散,主要原因是开关间隙电场本身是不均匀场,有一定的分散性。由图3 知自击穿电压Usb 为52.5 kV左右,开关承受50 kV 电压时不会自击穿。第6页/共45页 一般大电流高库仑量装置要求开关工作电压为50%自击穿电压,开关的设计工作电压为23 kV,因此要求开关自击穿电压Usb达到50 kV。在气压表表压0.10MPa,电容器电压50 kV 的条件下进行开关耐压

4、实验,实验电路如图2 所示。50 kV 直流耐压5 min。重复实验50 次,开关没有发生自闪,性能稳定。第7页/共45页第8页/共45页 触发系统采用八级Marx 发生器过压触发。电容器充电至15 kV,开关阳极接储能电容正极高压。Marx 发生器单台电容器充电至10 kV,输出-80 kV,前沿约30 ns 的快脉冲触发开关阴极。在触发脉冲到来的一瞬间,阳极之间有95 kV 高压,开关间隙很快击穿导通,泄放电容器上的能量。进行20 次触发实验,开关每次都能正确动作,没有出现拒动作或误动作,稳定性很高。现有大电流实验平台的电容器组由58 台55F 电容器并联而成,总电容量为3 190F,每台

5、电容器的额定电压为25 kV。为了便于观察开关电极的烧蚀情况,使用两块全新的石墨电极,保证电极表面光滑平整无任何划痕。第9页/共45页 主回路分五路接线。主电容器组充电电压升至15 kV,重复实验。实验接线完全同上,典型电流波形如图5(b)所示。即在15 kV 的工作电压下,开关的通流能力达到了180 kA。此时电荷转移量为47.85 C。第10页/共45页 由Pspice 仿真可以算出,在目前的回路参数条件下,在电容器主电压充电到23 kV 时,主电流只能达到270 kA,开关仍然不能达到工作电压23 kV、通流300 kA 的目标。在以后的研究中还需要对回路结构以及回路参数的匹配继续进行改

6、进。Pspice 仿真波形如图6 所示。第11页/共45页 重复180 kA 大电流实验50 次,拆开开关,观察电极表面的烧蚀情况。明显地看到电弧烧蚀斑点并不固定在同一位置,而是比较均匀的分布在整个电极上表面,电极表面依然比较光滑,没有发现明显的弧坑或突起。目前的两电极开关大电流实验仍然存在需要解决的问题。由于没有触发电极,脉冲触发器输出的-80kV 的触发高压直接加在主放电开关的阴极,使开关过压击穿,触发高压同时也直接加在负载上,会对负载的高压绝缘和耐压提出很高的要求。为了保护负载能更加安全稳定的工作,主放电回路中需要在开关跟负载之间加保护隔离开关隔离(即磁开关),起到隔离触发高压的作用。第

7、12页/共45页 为了减小开关电极烧蚀,延长开关的寿命,G.H.Rim 设计了一种旋转电弧间隙开关(Rotary Arc Gap2switches)(RAG)。该方法是使开关间隙放电产生的电弧在外加磁场或自身产生的磁场的驱动作用下沿着开关电极的表面运动,减小电弧与电极的相互作用时间t,从而减小开关电极的烧蚀。我校对旋转电弧开关电极烧蚀的实验研究第13页/共45页 RAG开关概念上的示意图如图1 所示。开关有两个环形电极,被绝缘体支撑。在每个电极中有一个缺口,这些缺口彼此错开180放置。电极的联接电线接线端也被彼此错开180放置。开关间隙被触发击穿后,储存在电容器里的能量将被传送到负载,电流沿着

8、图中箭头的方向在开关电极上流动,放电电流感应出磁场,间隙间的放电电弧在磁场的洛伦兹力的驱动下,会沿环形电极移动。这样就减小了开关电极的烧蚀,从而延长了开关的寿命。第14页/共45页第15页/共45页第16页/共45页 本实验设计的开关电极结构、几何尺寸和开关的外形如图2 所示。它有三个电极,触发电极C 呈圆盘形,位于高压电极A 和低压电极B 之间。触发电极C 的静态电位由附加的分压电阻R1,R2 决定,其按C,A 间的距离和C,B 间的距离分配,这样电极间的静电场不会产生畸变。触发脉冲通过隔直电容Cb 送到触发盘上,其极性与高压电极的极性相反。当触发盘与一端电极打火后,触发盘与另一端电极间的电

9、场迅速增强,这部分间隙被击穿。高压电极A 和低压电极B 是在电极形状优化基础上设计的环形均匀电场电极,其电极结构、几何尺寸如图2 所示。第17页/共45页第18页/共45页实验结果铝电极：第一部分是直径为23mm 的烧蚀斑点,这部分的烧蚀情况较为严重;第二部分除了一些细小的烧蚀痕迹外,烧蚀较为轻微,这些烧蚀痕迹沿着电极的圆周延续了几个cm。烧蚀斑点可以认为是电弧的起始点,然后电弧在放电电流感应的磁场作用下沿环形电极的周围移动,电弧的运动减小电弧在电极某一特定点相互作用的时间,从而减小了开关电极的烧蚀,电弧在电极上运动时,就会留下一些烧蚀痕迹。实验表明电弧烧蚀斑点并不固定在同一位置,从而延长了开

10、关电极的寿命。第19页/共45页实验结果 黄铜电极：黄铜电极的烧蚀比铝电极的烧蚀要小得多,原因是黄铜的熔点和热传导系数比铝的大。如果改变开关电极的联接电线接线端的接线位置,使其不被彼此错开180放置,而是小于180,即是在缺口连线的同一侧,从而不能形成推动电弧的洛伦兹力(非旋转电弧间隙开关non-RAG),电极的烧蚀情况电极比RAG结构的开关电极的烧蚀情况要严重得多,只有电弧烧蚀斑点,没有烧蚀细痕,可见电弧没有运动。第20页/共45页 没有经过优化的开关电极表面烧蚀情况,与经过优化的开关电极表面烧蚀情况对比可看出,未经优化的电极的放电点基本上均匀分布在电极表面的中间部分,边缘部分的烧蚀轻微得多

11、,从烧蚀的痕迹也可以推测出电弧沿电极表面运动,而不是固定在一点。第21页/共45页结论：(1)证明了RAG原理的正确性,即开关电极之间的放电电弧是存在定向运动的。如果开关电极之间的放电电弧是静止的或是随机跳跃的,开关电极表面的烧蚀痕迹就会是一个或若干个烧蚀斑点,而不是烧蚀痕迹随着放电电流峰值和放电电流脉宽的增加而加长。(2)RAG开关通过不同波形的放电电流后,开关电极表面烧蚀痕迹的长短会不同,从而证明了开关电极之间放电电弧运动与放电电流峰值和放电电流脉宽是密切相关的。第22页/共45页我校对改进型旋转电弧开关的研制第23页/共45页 改进后的轴向磁场控制的旋转电弧开关的示意图如图1 所示。开关

12、电极仍然为同轴圆柱形结构，上下2 个线圈通以同方向的电流产生轴向磁场，内外电极间的间隙被过电压触发击穿之后产生电弧，电弧受到(圆周)方向的洛仑兹力(JB)的作用而绕着内电极旋转。第24页/共45页 电流在轴向沿内电极均匀的分成2 路流出，如图2 所示，这2 路电流所产生的磁场使电弧在轴向上受到2 个大小相等、方向相反的平衡力作用而稳定在电弧稳定区。第25页/共45页第26页/共45页 高库仑量大电流开关采用不加触发电极的两电极同轴圆柱结构，外加磁场线圈，采用电流在轴向沿内电极均匀分流和磁镜磁场的结构设计，使电弧稳定在电弧稳定区，如图4 所示。正中间内外电极平板部分为电弧稳定区，内外电极端部均倒

13、圆角以使间隙中的电场尽量达到均匀场要求，电弧稳定区和倒角部分构成电弧区；上下线圈为紫铜材料，且均焊接5 匝，连接方式确保电流方向一致以产生轴向磁场，并有相应凸台与之焊接，方便与内电极相接；开关工作在1 个大气压空气条件下，密封筒的作用在于固定支撑外电极的同时还“密封”开关导通时的声音，并不严格要求密封住气体；上下绝缘盖板一方面固定支撑上下线圈，另一方面固定支撑整个开关装置；上下各有一个电流引出端与各自线圈焊接在一起，外围电路连接方式保证由内电极分两路流经上下线圈的电流大小相等；选用75 kV 的过电压使开关间隙触发导通。第27页/共45页第28页/共45页线圈结构：上下环形线圈各5 匝，绕向相

14、反，以产生比较强的轴向磁场。线圈用紫铜制成，每匝线圈嵌放在相应的线圈放置绝缘板上。线圈尺寸：为了减小开关体积，线圈厚度取5 mm。对不同宽度的紫铜环形线圈在流经300 kA/800 s 的方波电流时引起的温升进行计算，运用ANSYS 软件对不同线圈尺寸和间距开关间隙区域磁场进行仿真，有关参数：每匝环形线圈内半径100 mm，外半径130 mm，厚5 mm；上线圈第5 匝与下线圈第一匝相距160 mm，如图6 所示。每匝紫铜线圈在流经300 kA、800 s 的方波电流时引起的温升为60；当开关中通以200 kA 的电流时，电弧区磁场强度径向分量比较小，电弧稳定区磁场强度为2.432.78 T，

15、轴向和径向梯度也很小。第29页/共45页第30页/共45页电极材料：由于采用了旋转电弧技术，可以利用广泛适用的电极材料，故选取纯紫铜(不镶钨铜)材料来进行初步试验，考查开关耐受大电流能力。电极尺寸：运用ANSYS 软件对不同电极结构及尺寸的开关间隙电场进行了仿真。结果表明，对称结构的电场均匀性好一些；内外电极半径越大，电场均匀性越好；内外电极尺寸一定时，倒角半径R 比中间未倒角部分长度l 越大，电场均匀性越好。上下线圈距离一定时，中间未倒角部分长度l 越短，其它电气绝缘空余越大，高速旋转的高温炽热电弧及紫外照射对外围绝缘材料的损害越小。综合考虑开关体积和其它电气绝缘，最终选择开关电极为对称结构

16、，内电极外半径50 mm、外电极内半径65 mm、内外电极端部均倒圆角R 20 mm、未倒角的平板部分长10 mm，为了防止环形外电极产生涡流削弱上下线圈产生的轴向磁场，外电极需割开一段小口，如图5 所示。第31页/共45页第32页/共45页脉冲功率系统中的断路开关 断路开关的特点是其阻抗可以瞬时增长。断路机制可以是电阻性的、电感性的或电容性的。电阻性的断路开关典型的例子就是电爆炸丝。断路开关应具备以下条件：l较长的电流传导时间l大电流容量和小导电损失l断开时的快速阻抗上升l断开后的高阻抗和高需压l恢复时间短（高重复频率）l寿命长（小磨损）第33页/共45页l电爆炸丝开关l机械式断路器l超导断

17、路开关l等离子体断路开关l半导体断路开关l爆炸开关第34页/共45页电爆炸丝 就是常用的保险丝（熔丝），其结构由细丝或薄片组成，工作于气体、液体或料状介质中。断开机制取决于导线的熔化、沸腾和蒸发。可以在小于50ns时间内断开。大多数金属的固态和液态电阻率随温度上升，比如铜线的电阻在这一过程中上升两个数量级。同时，由于金属丝内的大电流产生强磁场，它能使金属丝维持一个较高的密度，并使其在超过临界温度后仍能呈现金属性电传导。只有膨胀发生后，电传导才消失。电爆炸丝的优点就是它比较简单。可以根据实验条件的需要任意调整金属丝的截面、长度和数量。第35页/共45页机械式断路器 典型的真空机械断路开关由两个平

18、面或圆盘电极组成，其中一个是固定的，别一个是可动的，封装在不超过0.1pa气压的真空容器内。标准真空断路器的重复频率可达十赫兹，它的断开速度是数十us.可移动电极安装在一个传动机械装置上，通过伸缩管维持真空。在闭合状态，通过金属电极间的紧密接触，可以获得一个较低的电阻(10-50微欧)。为实现断开，必须通过传动装置将电极分离。在开关断路过程中，通过电极蒸发的金属蒸气在电极间会形成电弧。可以通过补偿电流脉冲以减少向电弧的能量沉积，这样可以促起残留电弧等离子体的复合。第36页/共45页第37页/共45页第38页/共45页超导断路开关 超导断路开关利用从超导状态进入常规传导状态的跃迁过程。超导断路开关一般和超导储能一起使用。其主要问题是必须排除断路过程中所产生的热量。开关的断开可以通过三种不同的方法实现：l电流自身l外加脉冲磁场l脉冲加热 重复频率依赖于超导状态的恢复速度。第39页/共45页第40页/共45页等离子体断路开关 等离子体断路开关适用于大电流的快速截止。等离子体必须在电感储能装置充电之前建立，使负载短路。等离子体开关的动作过程非常复杂，不仅依赖于等离子体密度，而且与注入速度、离子质量、密度梯度及电极条件等有关。第41页/共45页第42页/共45页第43页/共45页爆炸开关第44页/共45页感谢您的观看！第45页/共45页