mv级气体开关脉冲自击穿特性及支撑结构的优化

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1、第20卷第7期2008年7月强激光与粒子束HIGHPOWERLASERANDPARTICLEBEAMSV01．20，No．7Jul．，2008文章编号：1001—4322(2008)07—1220-05MV级气体开关脉冲自击穿特性及支撑结构的优化’尹佳辉，孙凤举，邱爱慈，郭建明，刘志刚，张众，曾江涛(西北核技术研究所，西安710024)摘要：设计了两种结构的1MV气体开关：一种是高压电极为悬臂，未突出绝缘支撑筒的结构(悬臂开关)；一种为高压电极突出绝缘支撑筒的结构(分段支撑开关)。结合上述两种开关在脉冲电压下的自击穿实验和静电场模拟，分析了不同开关结构对电场分布

2、的影响，结果表明分段支撑开关比悬臂开关的绝缘更安全，性能更稳定。分析了悬臂开关绝缘支撑筒击穿的原因，认为是开关内形成的流注在电场作用下加速并轰击支撑筒表面导致了支撑筒的绝缘损坏。利用自击穿实验的结果，给出了包含场增强因子形式的Bradley经验公式，计算值与实验结果吻合较好。关键词：MV级气体开关}绝缘支撑结构f绝缘损坏I击穿场强中图分类号：TM836文献标志码：AMV级开关是水介质传输线型脉冲功率装置的关键器件，当多路装置并联或多根水介质脉冲形成线并联时，为实现同步，装置的主开关通常采用激光触发气体开关或电脉冲触发气体开关。由于工作电压高(数MV)，气体开关常

3、采用同轴状边缘点火多级多通道气体开关(MMCS)[1]。国外对MV级气体开关进行了广泛研究[2q]，美国圣地亚国家实验室早期研制的MV级MMCS的绝缘外筒采用多段支撑的绝缘结构，由于密封环节多，开关外筒与电极的结合处容易存在气泡，成为开关绝缘的薄弱环节H]。近年，圣地亚国家实验室为ZR装置升级，与俄罗斯大电流所合作研制6MV触发MMcS，开关绝缘外筒采用整体支撑结构。实验中发现，在脉冲高电压作用下因为滑闪放电引起了击穿损坏，而且改进后的开关和重新设计的悬臂结构的开关在工作中绝缘支撑也发生了滑闪[5]。由上述研究结果可知，MV级气体开关绝缘支撑结构的优化对保证开关

4、的可靠工作十分重要。为此设计了两种结构的lMV气体开关：一种是高压电极为悬臂，未突出支撑外筒的结构(悬臂开关)；一种为高压电极突出绝缘外筒的结构(分段支撑开关)。通过脉冲电压下的自击穿实验并结合静电场模拟计算结果，研究了不同结构对开关外筒绝缘安全性的影响并分析了悬臂开关外筒损坏的原因。利用自击穿实验的结果，给出了包含场增强因子形式的Bradley经验公式，计算值与实验结果吻合较好，脉冲自击穿电压与工作气压近似为线性关系。研究结果已成功应用于西北核技术研究所为“闪光二号”加速器设计的3MV电触发气体开关。1气体开关结构与自击穿实验方案MV级气体开关通常由触发间隙和

5、自击穿间隙组成，当触发间隙被触发导通后，在强电场作用下开关的多级串联的自击穿间隙会逐次过电压击穿，因此触发间隙的性能对开关的整体性能起决定作用。为此，虽然1MV气体开关为自击穿开关，但其结构与3MV电触发气体开关的触发间隙结构相同，主要由高压电极、触发盘、地电极、绝缘支撑和预点火电极构成。如图1所示，图1(a)为悬臂开关，图1(b)为分段支撑开关。两种结构开关电极间隙距离相同，其中高压电极距触发盘约为25．5mm，触发盘距地电极约为8．5mm，预点火间隙约为4mm。自击穿实验的平台为“晨光号”加速器，主机由Marx发生器、水介质脉冲形成线、主开关、传输线及假负载

6、等组成，等效电路如图2所示。开关放置于形成线末端，当Marx发生器建立后，发生器对形成线充电，开关高压电极的电势逐渐升高，开关内绝缘介质发生电离并最终形成流注，开关导通[7]。Marx发生器共24级，建立等效电容为3．33nF，等效电感为5．43弘H，回路电阻约为1-49Q；水介质同轴段中，脉冲形成线阻抗为5．5Q，长度为o．67m，主开关段长度为o．63m，传输线阻抗为5．5Q，长度为lm；假负载为5．5Q硫酸铜水电阻。当-收稿日期：2007一11—26，修订日期：2008．07一02基金项目：国家自然科学基金重点项目(50637010)l国家自然科学基金项目

7、(50477019)作者简介：尹佳辉(1977一)，男，助理研究员，硕士，从事脉冲功率技术研究lRoskii@gmail．com．第7期尹佳辉等：MV级气体开关脉冲自击穿特性及支撑结构的优化122l(a)cantiIeVerswitch(b)section．braceswitchF醵1SchemticoflMVga3s丽tch图l1MV气体开关结构示意图电容器充电50kV时，Marx发生器对形成线充电电压约为1MV，上升时间约为300ns。利用电容分压器测量了开关前的电压信号，分压比为213．7kVl1V[8]。相同的工作气压下开关重复进行了3～4次自击穿实验。

8、自击穿实验可以检验在脉冲