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大功率兩電極氣體火花OMAL歐瑪爾開關(guān)的研究
在脈沖功率系統(tǒng)中OMAL開關(guān)是關(guān)鍵元件之一,其性能優(yōu)劣直接影響到輸出脈沖的技術(shù)參數(shù)。石墨型兩電極氣體OMAL開關(guān)作為大電流閉合OMAL開關(guān)的一種,具有轉(zhuǎn)移電荷高、通流能力強(qiáng)、使用壽命長、價格低廉、工作性能穩(wěn)定等優(yōu)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(guān)中的石墨電極燒蝕、電接觸燒蝕、靜態(tài)工作特性以及動態(tài)觸發(fā)特性等問題進(jìn)行研究。

大功率兩電極氣體火花OMAL歐瑪爾開關(guān)的研究
分析了氣體OMAL開關(guān)石墨電極本體由于放電電弧而產(chǎn)生的燒蝕。以熱力學(xué)理論的熱傳導(dǎo)模型為出發(fā)點,結(jié)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(jié)合了熱力學(xué)中的熱傳導(dǎo)公式,給出了石墨電極本體燒蝕的幾點結(jié)論,其一,在放電中,石墨電極表面各陰極斑點由初始狀態(tài)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(xù)時間的放電電流,可以認(rèn)為整個放電時間進(jìn)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(zhuǎn)移量之間的關(guān)系。根據(jù)該關(guān)系式計算得到單位庫侖轉(zhuǎn)移量下的石墨電極燒蝕質(zhì)量與實驗中的實測值基本吻合。因此,該關(guān)系可以在石墨電極的設(shè)計中作為石墨電極壽命的依據(jù)。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(shù)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(guān)機(jī)械參數(shù)之間的關(guān)系,并認(rèn)為在一定的工作電流作用下,靜態(tài)電接觸溫升與接觸材料的物理屬性,以及工程實現(xiàn)中的加工精度有關(guān)。選擇高熱導(dǎo)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(guān)的結(jié)構(gòu)及其靜態(tài)工作特性。采用了錐形與柱形結(jié)合的結(jié)構(gòu)形態(tài)以減小在安裝電極時所產(chǎn)生的應(yīng)力；以壓接式安裝結(jié)構(gòu)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(guān)直流擊穿電壓的分析可以得到OMAL開關(guān)工作電壓介于自擊穿電壓的40%-60%之間,氣體OMAL開關(guān)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(nèi)使得誤動作概率與拒動作概率都位于一個優(yōu)化的取值。在實驗平臺上對研制的氣體OMAL開關(guān)進(jìn)行了實驗研究。該氣體OMAL開關(guān)通過了峰值達(dá)到570kA的沖擊電流測試。在電流峰值316kA,單次電荷轉(zhuǎn)移量可達(dá)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(guān)的觸發(fā)特性。對氣體OMAL開關(guān)的開通過程以及開通氣體OMAL開關(guān)所需要的條件進(jìn)行了仿真,Marx發(fā)生器的輸出端需要串聯(lián)安裝一個阻值不大于50Ω的電阻,以利于氣體OMAL開關(guān)的擊穿。

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