高功率真空触发开关性能实验与改进研究-高电压与绝缘技术专业论文.docxVIP

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高功率真空触发开关性能实验与改进研究-高电压与绝缘技术专业论文

独创性声明 本人声明所呈交的学位论文 是我个人在导 师指导下进行的研究工作及 取得的 研究成果。尽我所知,除文中已经标明引用的内容外,本论文不包含任何其他个人 或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体,均已 在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名: 日期: 年 月 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定,即:学校有权保留 并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版,允许论文被查阅和借阅。本人授 权华中科技大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索,可以采 用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 本论文属于 保密□, 在 年解密后适用本授权书。 不保密□。 (请在以上方框内打“√”) 学位论文作者签名: 指导教师签名: 日期: 年 月 日 日期: 年 月 日 华 华 中 科 技 大 学 博 士 学 位 论 文 I I 摘 要 随着脉冲功率技术在军用和民用领域里的广泛应用,脉冲功率系统的设计研究受 到越来越多的重视,而开关作为脉冲功率系统的核心组件一直以来都是阻碍脉冲功率 技术快速发展的瓶颈。真空触发开关(Triggered Vacuum Switch—TVS)作为开关的一 种,具有工作电压范围宽、高库仑电量导通特性和高触发准确度等优点,但存在大电 流下使用寿命不长的问题。为改善 TVS 在大电流时触发机构失效和主电极烧蚀的问 题,本文对 TVS 的触发极和主电极寿命开展大量实验工作,提出性能改进方法,使其 工作寿命得到提高。 为对高功率 TVS 的触发机构失效与性能改进进行研究,搭建 TVS 触发回路和主回 路。首先对平行圆盘型 TVS 进行触发性能实验,该 TVS 结构较为简单,触发环为半导 体材料。实验后发现平行圆盘型 TVS 在多次工作后触发极-阴极间绝缘电阻下降明 显,容易导致误触发,不能满足实际应用的需求。 为使触发极躲开主间隙放电电弧以避免其被烧蚀,设计平行多棒型 TVS,其触发 环为高铝瓷材料。分别对不同尺寸的 TVS,不同厚度的触发环和触发环表面有无涂釉 进行实验研究,结果得到当 TVS 的触发环距离为 0.5 mm 时,满足 10 kV 的触发电压 要求,触发环表面涂釉时可以有效的降低沿面金属沉积,提高触发极的使用寿命。 为改进沿面型 TVS 的绝缘极电阻随着实验次数的增加逐渐减小的问题,设计一种 T 型触发极结构的场击穿型 TVS,触发极边角与带有倾角的阴极之间区域为触发放电 区域。该结构可以增大电场畸变程度,降低所需触发电压。为设计合适的场击穿型 TVS, 进行了真空中板—板和针—板实验研究,获得不同间隙距离和大气压强情况下击穿电 压的变化规律。对设计的 TVS 进行极性效应分析,得到主电极正极性时触发成功率高 于主电极负极性时的结论,并分析了触发电流的不同对场击穿触发间隙击穿过程的影 响。 研究 TVS 主电极烧蚀和性能改进方法,对平行圆盘型 TVS 进行寿命实验。几十次 大电流实验后,解剖开圆盘型 TVS,发现主电极的阴极、阳极表面,以及金属屏蔽罩 烧蚀都很严重。对平行多棒型 TVS 电极烧蚀进行实验研究,发现在额定电流下多次实 验后,主电极烧蚀并不严重,但是随着电流的增大,主电极烧蚀变得明显,并且对 TVS 的烧蚀进行定量计算,得到 TVS 闭合电流与电极面积的关系。 II II 对高功率 TVS 触发机构和主电极烧蚀机理进行研究,为分析 TVS 的触发机构失效 机理。对实验后触发环成分进行检测,发现随着实验次数的增加,触发环表面金属沉 积也线性增加。用真空电弧原理解释主电极烧蚀与失效机理,可以得到多棒型 TVS 首 先在棒—板之间放电产生电弧,最后在棒—棒之间形成电弧,这种结构能将电弧分割 成多段,并使真空电弧保持在并联状态。对场击穿型和沿面击穿型 TVS,在不同间隙距 离、锥形套角度下内部电场进行仿真,获得不同情况下内部电场的变化情况,更为全 面地了解 TVS 导通机理。 研究触发源对 TVS 触发性能的影响。结果表明,在间接触发回路中,通过减小脉 冲变压器的漏感和增大电容 C1,触发回路电流将增大,时延将减小;在续流电路中触 发回路的电流上升率可以达到 150 A/μs,时延在 2-4 μs 之间;在脉冲变压器副方和触 发极之间并联电容的方式中,触发回路的电流上升率达到 20 kA/μs,时延在 2 μs 左右; 在没有脉冲变压器的直接触发回路中,触发电流的上升率大于 4 kA/μs,时延缩短至 500 ns。通过改变触发回路参数和结构,触发稳定性可以得到提高,时延可以得到明 显缩短。 关键词: 高功率真空触发开关,触发机构失效,主电极烧蚀,触

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