軸向磁場(chǎng)控制的旋轉(zhuǎn)電弧開關(guān)的研制.pdf

1、脈沖功率技術(shù)在科學(xué)試驗(yàn)、國(guó)防、生物醫(yī)學(xué)以及環(huán)境保護(hù)等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用，而脈沖功率技術(shù)的發(fā)展尤其是激光聚變主放大器能源系統(tǒng)要求作為關(guān)鍵元件之一的開關(guān)器件具有耐壓高、導(dǎo)通電流大、電荷轉(zhuǎn)移量大、電極燒蝕小、工作壽命長(zhǎng)、可靠性高等性能。本文研究對(duì)象是軸向磁場(chǎng)控制的旋轉(zhuǎn)電弧開關(guān)。 本文首先綜述了各種脈沖大電流閉合開關(guān)的特性、工作原理及性能參數(shù)定義，重要闡述了高庫侖量大電流閉合開關(guān)的應(yīng)用及各國(guó)對(duì)此類型開關(guān)的研究近況，包括各裝置對(duì)開關(guān)的要求

2、、所用開關(guān)的種類、基本工作原理、發(fā)展近況、目前所能達(dá)到的性能指標(biāo)及優(yōu)缺點(diǎn)等。 提出軸向磁場(chǎng)控制的旋轉(zhuǎn)電弧開關(guān)的研制，介紹了此開關(guān)的基本工作原理、軸向磁場(chǎng)下電弧的運(yùn)動(dòng)機(jī)制和電極燒蝕機(jī)理，提出減小電極燒蝕以提高開關(guān)性能指標(biāo)和壽命的方法：(1) 選用即難熔、侵蝕量又小的材料作為開關(guān)電極；(2) 外加磁場(chǎng)線圈，使電弧在磁場(chǎng)作用下弧點(diǎn)沿電極表面連續(xù)移動(dòng)，從而使弧點(diǎn)熱流分散到大面積上，大大降低有效的比熱流，使電極燒蝕分散到較大面積上；(3)

3、 電極采用同軸圓柱結(jié)構(gòu)，增大旋轉(zhuǎn)電弧與電極的作用面積，使電流密度大大減小；(4) 設(shè)計(jì)形狀相對(duì)優(yōu)化的電極表面，使開關(guān)電極表面電場(chǎng)盡量均勻，這樣，放電起弧點(diǎn)分散性大，減小電極燒蝕。 設(shè)計(jì)了一種帶觸發(fā)電極、同軸圓柱結(jié)構(gòu)、外加磁場(chǎng)線圈的軸向磁場(chǎng)控制的旋轉(zhuǎn)電弧開關(guān)，并且采用電流在軸向沿內(nèi)電極均勻分流和磁鏡磁場(chǎng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，使電弧穩(wěn)定在電弧穩(wěn)定區(qū)。電極優(yōu)化設(shè)計(jì)保證開關(guān)間隙電場(chǎng)盡量均勻，通過計(jì)算和仿真確定了滿足磁場(chǎng)要求的線圈尺寸和間距，線圈所

4、受最大電動(dòng)力也進(jìn)行了仿真求解，給出了開關(guān)電弧的理論旋轉(zhuǎn)速度。 在介紹了開關(guān)觸發(fā)方式和觸發(fā)電路的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了三套可能的觸發(fā)系統(tǒng)：脈沖變壓器型觸發(fā)系統(tǒng)、脈沖變壓器型＋續(xù)流回路型觸發(fā)系統(tǒng)和Marx型觸發(fā)系統(tǒng)。三套觸發(fā)系統(tǒng)均與兩版開關(guān)進(jìn)行了觸發(fā)擊穿試驗(yàn)，最終選定－75kV/幾十us的Marx型觸發(fā)系統(tǒng)配合無觸發(fā)電極的軸向磁場(chǎng)控制的旋轉(zhuǎn)電弧開關(guān)為本文最終研制方案。 對(duì)開關(guān)進(jìn)行了基本特性試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)開關(guān)自擊穿電壓有些分散，平均自擊穿

5、電壓為30kV左右，主要原因是機(jī)械安裝工藝，開關(guān)能夠耐受25kV的直流電壓。對(duì)開關(guān)進(jìn)行大電流試驗(yàn)的回路進(jìn)行了方案設(shè)計(jì)和參數(shù)設(shè)計(jì)，并進(jìn)行了電流波形仿真模擬。開關(guān)共進(jìn)行了7次大電流試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)開關(guān)電極燒蝕非常輕微，有明顯的電弧旋轉(zhuǎn)痕跡，工作電壓15kV，電流峰值200kA，脈寬420～470us，電荷轉(zhuǎn)移量50C。開關(guān)能夠滿足神光III對(duì)開關(guān)的前期要求。 開關(guān)更高工作性能(工作電壓23kV，電流峰值300kA，脈寬500us，電荷轉(zhuǎn)移