多棒極型觸發(fā)真空開關(guān)的關(guān)鍵問題及應(yīng)用研究.pdf

1、多棒極型觸發(fā)真空開關(guān)（Triggered Vacuum Switch with multi-rod electrode，簡(jiǎn)稱MTVS）的電極結(jié)構(gòu)由多對(duì)棒狀電極相互交錯(cuò)排列形成多個(gè)間隙，實(shí)現(xiàn)了電弧的多通道發(fā)展，避免了電弧的集聚，從而具有轉(zhuǎn)移庫侖量高、通流能力強(qiáng)、工作電壓范圍寬，觸發(fā)電壓低、壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)。本文根據(jù)脈沖功率系統(tǒng)和配電網(wǎng)系統(tǒng)中的不同應(yīng)用需求，從電弧運(yùn)動(dòng)機(jī)理、電極結(jié)構(gòu)優(yōu)化、極性效應(yīng)、負(fù)極性觸發(fā)特性以及大電流高庫侖通流壽命等方面對(duì)M

2、TVS進(jìn)行研究，從而為此種開關(guān)的設(shè)計(jì)和推廣提供理論依據(jù)和參考。
　　建立了MTVS導(dǎo)通時(shí)的三維仿真模型，對(duì)在不同通流情況下其內(nèi)部的縱向和橫向磁場(chǎng)分布進(jìn)行計(jì)算分析，同時(shí)還對(duì)不同導(dǎo)通情況下電弧弧柱以及棒狀電極的受力情況及其影響因素進(jìn)行了分析，仿真結(jié)果表明：在單個(gè)棒棒間隙導(dǎo)通時(shí)橫向磁場(chǎng)占主導(dǎo)作用，而所有間隙導(dǎo)通時(shí)縱向磁場(chǎng)占主導(dǎo)地位，從而使得真空電弧能夠在MTVS內(nèi)部保持運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，這也是MTVS具有的高通流能力的本質(zhì)原因；部分間隙導(dǎo)通時(shí)電

3、弧通道和電極主要受到背向電極中心的徑向電磁力，而所有間隙導(dǎo)通時(shí)則主要受指向電極中心的徑向電磁力的作用。
　　采用CMOS高速攝像機(jī)系統(tǒng)對(duì)MTVS中電弧的整體發(fā)展過程進(jìn)行觀測(cè)，并對(duì)電弧運(yùn)動(dòng)速率進(jìn)行測(cè)量分析，研究發(fā)現(xiàn)在MTVS內(nèi)的電弧運(yùn)動(dòng)速度最快可以達(dá)到1000m/s以上。在電流上升階段真空電弧運(yùn)動(dòng)速度較快，且電弧亮度高；而在電流下降階段電弧運(yùn)動(dòng)速度慢，且電弧光亮低，同時(shí)還出現(xiàn)了電弧停滯的現(xiàn)象。在電流峰值小于20kA時(shí)電弧只充滿了部分

4、間隙，當(dāng)電流峰值大于20kA時(shí)電弧幾乎充滿MTVS所有間隙。
　　采用有限元法對(duì)MTVS的靜電場(chǎng)分布進(jìn)行計(jì)算分析，并對(duì)其主電極結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，主要分析電極邊緣的倒角半徑等結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)其電場(chǎng)畸變系數(shù)的影響，計(jì)算結(jié)果表明當(dāng)MTVS的頂端面倒角半徑取5mm且棒極側(cè)面邊緣倒角半徑取3mm時(shí)，可以使其電場(chǎng)畸變系數(shù)降低到最小值3。
　　對(duì)MTVS的極性效應(yīng)進(jìn)行仿真研究，并對(duì)其在不同極性條件下的觸發(fā)特性進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究。研究表明MTVS的特殊

5、結(jié)構(gòu)決定了初始等離子體的擴(kuò)散過程在正負(fù)極性配置下有很大的差別，因此MTVS具有較強(qiáng)的極性效應(yīng)，當(dāng)工作在正極性配置下時(shí)其觸發(fā)可靠性高，觸發(fā)時(shí)延及分散性小，然而在負(fù)極性配置下觸發(fā)很困難，觸發(fā)失敗率較高。本文提出雙MTVS反向并聯(lián)的方式成功解決其在交流模式下的觸發(fā)可靠性問題。
　　最后對(duì)優(yōu)化前后的MTVS樣品的通流及壽命特性進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：（1）在電流峰值為100kA且脈寬為600μs單次轉(zhuǎn)移電荷45C的條件下，MTVS的

6、壽命大于1000次，且在通流100次之后其觸發(fā)電壓會(huì)達(dá)到一個(gè)穩(wěn)定狀態(tài)；而且MTVS的極限峰值電流為250kA，極限di/dt最高為9.1kA/μs；（2）在峰值為30kA脈寬為10ms單次庫侖轉(zhuǎn)移量為120C時(shí)壽命可以達(dá)到1000次以上，而且在通流200次之后其觸發(fā)時(shí)延相對(duì)穩(wěn)定在5μs左右，而觸發(fā)電壓也相對(duì)穩(wěn)定在40~1000V范圍內(nèi)；在峰值電流為65kA且脈寬為22ms單次轉(zhuǎn)移庫侖量為402C的脈沖電流作用下，MTVS的壽命大于30次