基于高頻振蕩回路的激光觸發真空開關開斷特性

趙 巖 段雄英 廖敏夫 蔣西平 鄭春陽

(大連理工大學電氣工程學院 大連 116024)

?

基于高頻振蕩回路的激光觸發真空開關開斷特性

趙 巖 段雄英 廖敏夫 蔣西平 鄭春陽

(大連理工大學電氣工程學院 大連 116024)

真空觸發開關(TVS)是脈沖功率技術的重要開關器件，隨著脈沖功率系統向更高工作頻率的方向發展，要求TVS具有在高頻回路中穩定工作的能力，因此采用LC高頻振蕩回路對一種新型激光觸發真空開關(LTVS)進行實驗研究，考察振蕩回路頻率、間隙電壓以及初始等離子體濃度等因素對LTVS的開斷特性的影響。實驗結果表明，振蕩回路頻率增加和間隙電壓升高將導致電流峰值及電流過零點變化率升高，電路未成功開斷或者發生重擊穿概率增加；重擊穿時間間隔隨間隙電壓和回路頻率升高而縮短；LTVS未成功開斷或者發生重擊穿概率與初始等離子體濃度無關。實驗結果對于改善LTVS在高頻回路中的穩定工作能力具有參考價值。

激光觸發 真空開關 高頻振蕩 脈沖功率

0 引言

近年來，隨著脈沖功率技術的成熟與發展，其應用領域也不斷擴展，在一些特殊領域如電磁炮、電磁成型等，要求脈沖功率系統工作于較高頻率[1，2]。真空觸發開關(Triggered Vacuum Switch，TVS)作為脈沖功率技術中重要的開關器件，為了適應脈沖功率技術新的發展，對TVS導通時延、觸發精度、通流能力以及高頻振蕩回路中工作性能提出了更高的要求。傳統形式的TVS采用電觸發的方式產生初始等離子體，但無論是沿面型電觸發TVS還是場擊穿型電觸發TVS都存在各自的缺點。沿面型電觸發TVS導通時延短，觸發精度高，但電弧燃燒后金屬蒸氣等物質覆蓋于觸發極表面，嚴重制約了其使用壽命[3-6]。場擊穿型TVS雖然使用壽命得到較大提升，但導通時延長達幾百ms且觸發精度差[7，8]。激光觸發真空開關(Laser Triggered Vacuum Switch，LTVS)是一種新型TVS，采用激光與靶極材料作用產生初始等離子體，并利用真空作為絕緣介質和滅弧介質，具有極高的絕緣水平和弧后介質恢復能力，能夠在較高頻率下重復導通與關斷高壓大電流[9-12]。同時，與傳統形式的TVS相比，LTVS具有導通時延短、觸發精度高、使用壽命長并且觸發裝置與電極間沒有機械接觸，誤觸發概率低等優點[13-15]。

國內外學者針對LTVS的研究主要集中于縮短導通時延及提高控制精度，在高頻振蕩回路中工作特性的研究很少。本文采用LTVS作為開關器件，對高頻振蕩回路中LTVS的工作特性進行研究，討論振蕩電路頻率、間隙電壓以及初始等離子體濃度等因素對LTVS開斷性能的影響。

1 實驗系統

1.1 LTVS基本結構

實驗中所設計的LTVS整體結構及其刨面圖如圖1所示。陶瓷絕緣外殼焊接于真空腔體法蘭中心，與真空腔體外殼共同起到支撐和保證滅弧室真空度作用。陽極導電桿和陽極觸頭中心有一直徑2 mm的通孔作為激光通道，并用石英玻璃覆蓋，保證滅弧室內真空度。觸頭采用平板型觸頭，觸頭材料選用耐燒蝕的CuCr50合金，陽極觸頭和陰極觸頭的直徑為40 mm。陰極觸頭中心有一個直徑3 mm、深2 mm的凹槽，凹槽內放置TiH2作為靶極材料。

圖1 LTVS基本結構Fig.1 The base structure of LTVS

1.2 激光觸發系統和LC振蕩回路

LTVS的觸發系統如圖2所示。所使用激光器波長為1 064 nm，脈沖寬度9 ns，單次脈沖能量10～150 mJ可調。分束器將激光器所發出激光按照1∶9的比例分成兩束激光，一束經過全反鏡反射并由聚焦鏡聚焦于LTVS觸發材料上，另一束低能量激光入射激光二極管，激光二極管將激光信號轉換成電壓信號，并由示波器記錄器電壓波形可得到激光到達靶極時刻。

圖2 激光觸發系統Fig.2 Laser triggered system

LC振蕩電路如圖3所示。組合電容器C0和電感L0組成LC震蕩電路。實驗中通過改變電感值來改變主回路振蕩頻率。組合電容器C0為8.7 mF，改變電感L0的值使回路對應的振蕩頻率分別為4 kHz、8 kHz、12 kHz和15 kHz。抽真空系統由油擴散泵和機械泵構成，為了維持滅弧室內真空度，擴散泵與機械泵同時工作，可以將滅弧室內真空度保持在10-4Pa。LTVS的電壓、電流波形采用分壓器和分流器與示波器配合測量。

圖3 LC振蕩電路Fig.3 LC oscillation circuit

2 實驗方法與結果

實驗中，采用升壓變壓器經整流硅堆和限流電阻對主回路電容C0充電。當電容兩端電壓達到所需值，切斷充電回路，啟動觸發系統并記錄LTVS兩端電壓、電流變化情況。

為了保證數據準確性，每一組實驗進行20次。實驗中發現.部分情況下，LTVS導通后可在半個周期電流過零時刻開斷，開斷后電容C0兩端呈現負壓，其典型波形如圖4所示。

圖4 電流第一次過零點LTVS成功開斷波形Fig.4 The success interrupted waveform of LTVS after the first time current pass zero

其中，U1為LTVS的工作電壓，U2為激光脈沖電壓，由激光二極管將激光信號轉換為電壓信號所得，I為LTVS工作電流。但隨著頻率和電壓的升高，電流在多次過零后才能成功開斷，其典型波形如圖5所示。

圖5 電流多次過零點后LTVS成功開斷波形Fig.5 The success interrupted waveform of LTVS after the current multiple pass zero

在不考慮小電流截流這種特殊情況下，LTVS只能在電流過零時開斷，所以可以用高頻振蕩電路半個周期時間的倍數來表示LTVS的導通時間，即導通時間t=nT/2，其中T為高頻振蕩電路振蕩一個周期所需時間，n表示LTVS成功開斷后電流過零點次數。

表1中數據為振蕩電路電壓為4 kV時，4種不同頻率下統計LTVS導通的n值情況。由表1可以看出，當主電路工作電壓固定在4 kV，振蕩頻率為4 kHz時，LTVS有6次在導通半個周期后成功開斷，統計20次實驗平均需要2.45次電流過零點LTVS可以成功開斷。隨著頻率升高，需要更多的電流過零點次數LTVS才可以成功開斷。

表1 不同工作頻率下成功開斷次數在各n值的分布Tab.1 The number of success interrupted distribution in each of n under different working frequency

表2中數據為振蕩電路頻率為8 kHz時，4種工作電壓下統計LTVS導通的n值情況。由表2可以看出，當主電路振蕩頻率固定在8 kHz、工作電壓為1 kV時，LTVS有14次在導通半個周期后成功開斷，統計20次實驗平均需要1.50次電流過零點LTVS可成功開斷。隨著電壓升高，需要更多的電流過零點次數LTVS才能開斷成功，并且在導通半個周期后成功開斷的次數不斷下降。

表2 不同間隙電壓下LTVS開斷次數在各n值的分布Tab.2 The number of success interrupted distribution in each of n under different gap voltage

3 討論與分析

3.1 振蕩回路頻率及電壓對LTVS開斷的影響

從上述實驗結果中可以看出，振蕩電路頻率及電路工作電壓對LTVS的開斷具有重要影響。表3為工作電壓4 kV，不同頻率下電流峰值及電流過零點變化率，隨著振蕩電路頻率的升高，電流過零點變化率顯著增加，電流被開斷后間隙空間中存在的中性金屬蒸氣粒子消散的速率會直接影響到LTVS的介質恢復速度。而中性金屬蒸氣離子消散的速率主要受到電流過零點附近電流的變化率(di/dt)、開斷電流的幅值等因素的影響。當di/dt和電流峰值增加，弧后電流對弧后間隙游離介質熱作用增強，抑制間隙的去游離作用，從而降低了介質恢復速度，導致LTVS開斷變得困難。

表3 不同頻率下電流峰值及電流過零點變化率Tab.3 Current peak and its rate of change under different working frequency

同樣，表4為振蕩電路頻率8 kHz，不同工作電壓下電流峰值及電流過零點變化率，隨著電壓升高，電流峰值和電流過零點變化率增加，弧后間隙中的等離子體去游離作用受到抑制，介質恢復速度變得緩慢，LTVS的開斷同樣變得困難，所需電流過零點數目變多。

表4 不同工作電壓下電流峰值及電流過零點變化率Tab.4 Current peak and its rate of change under different working voltage

3.2 LTVS重擊穿時間變化

實驗中取LTVS發生重擊穿樣本進行考察，典型重擊穿波形如圖6所示。在經過6個電流過零點后，LTVS仍然沒有成功開斷。重擊穿時間間隔(電流過零點LTVS開斷到LTVS再次擊穿時間間隔)隨主間隙電壓和工作頻率變化如圖7所示，實驗數據為各種情況下30次樣本的方均根值。

圖6 LTVS重擊穿波形Fig.6 The restrike waveform of LTVS

隨著工作電壓和頻率的升高，LTVS重擊穿時間間隔縮短。這是由于電流峰值和電流過零點變化率增加，間隙中弧后殘留的等離子體擴散速度減慢，導致介質恢復困難，LTVS開斷后在很短的時間內再次擊穿。

圖7 重擊穿時間間隔Fig.7 The time interval of restrike

3.3 初始等離子體濃度對LTVS開斷的影響

電觸發真空開關初始等離子體濃度對TVS過零點開斷特性幾乎沒有影響。但由于國內外針對LTVS的研究很少，處于剛剛起步階段，激光與靶極作用產生初始等離子體的過程還不了解，初始等離子體濃度對LTVS開斷的影響還不清楚。因此補充一組實驗，通過改變觸發激光能量改變初始等離子體濃度，觀察LTVS開斷特性變化。

實驗中選取觸發激光能量分別15 mJ、25 mJ、35 mJ和45 mJ，振蕩電路頻率為8 kHz，工作電壓4 kV，分別進行30次導通實驗，計算每種觸發能量下LTVS成功開斷所需要電流過零點數目n的平均值。實驗結果表明，4種觸發能量(初始等離子體濃度)下，n平均值幾乎沒有改變，并沒有呈現出規律性變化。這是由于LTVS燃弧過程中產生大量等離子體，而初始等離子體的量與其相比很小，介質恢復過程主要受到的是燃弧過程中產生的等離子體影響。由此可見，初始等離子體濃度，對LTVS開斷特性沒有實質性影響。

4 結論

實驗中通過改變LTVS工作回路頻率、間隙電壓及初始等離子體濃度等因素考察LTVS在高頻回路中的開斷特性，得出了以下結論：

1)當回路振蕩頻率及間隙電壓較低，LTVS導通半個周期后可以成功開斷。隨著頻率及間隙電壓升高，電流峰值和電流過零點變化率增加，弧后電流對弧后間隙游離介質熱作用增強，抑制間隙的去游離作用，從而降低了介質恢復速度，導致LTVS開斷變得困難，重擊穿概率升高。

2)重擊穿時間間隔受到弧后介質恢復速率影響，隨間隙電壓和工作頻率升高而縮短。

3)由于LTVS燃弧過程中產生大量等離子體，而初始等離子體的量與其相比很小，因此介質恢復過程主要受到的是燃弧過程中產生的等離子體影響，初始等離子體濃度對LTVS的開斷并沒有顯著的影響。

本文實驗結果對于提高LTVS在高頻振蕩電路中穩定工作的能力具有重要參考意義。

[1] Mao Xiaopo，He Zhenghao，Wang Ying，et al.Research on the interaction of primary plasma and main electrode for laser triggered vacuum switch[J].IEEE Transactions on Plasma Science，2014，42(11)：3592-3597.

[2] Wu Hao，He Zhenghao，Wang Lei，et al.Effect of the trigger circuit on delay characteristics of a triggered vacuum switch with a six-gap rod electrode system[J].IEEE Transactions on Plasma Science，2011，39(1)：335-341.

[3] Hegeler F，Myers M C，Wolford M F，et al.Low jitter，high voltage，repetitive laser triggered gas switches[J].IEEE Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation，2013，20(4)：1168-1188.

[4] 劉向軍，李煒榮，謝寶河.觸頭電弧圖像面積與電弧功率及其關系[J].電工技術學報，2015，30(1)：120-126. Liu Xiangjun，Li Weirong，Xie Baohe.Arc image area and arc power of contacts and their correlation[J].Transactions of China Electrotechnical Society，2015，30(1)：120-126.

[5] Brannon P J，Cowgill D F.Low jitter laser-triggered vacuum switch using a composite target[J].IEEE Transactions on Plasma Science，1988，16(2)：325-327.

[6] 戴玲，周正陽，南敬，等.基于六間隙棒電極結構的沿面擊穿型觸發真空開關的工作特點[J].電工技術學報，2012，27(10)：128-134. Dai Ling，Zhou Zhengyang，Nan Jing，et al.Characteristics of a surface-breakdown triggered vacuum switch with six-gap rod electrode system[J].Transactions of China Electrotechnical Society，2012，27(10)：128-134.

[7] Hu Shangmao，Yao Xueling，Chen Jingliang.An experimental investigation on initial plasma characteristics of triggered vacuum switch[J].IEEE Transactions on Plasma Science，2012，40(8)：2009-2013.

[8] Guo Liangfu，He Mengbing，Zhou Sheng，et al.Research on gas spark switch for high power laser system[J].High Voltage Engineering，2007，33(2)：66-70.

[9] 舒勝文，阮江軍，黃道春，等.雙斷口真空斷路器開斷特性的試驗與仿真研究[J].高電壓技術，2014，40(8)：2381-2388. Shu Shengwen，Ruan Jiangjun，Huang Daochun，et al.Experimental and simulation research on breaking property of double-break vacuum circuit breakers[J].High Voltage Engineering，2014，40(8)：2381-2388.

[10]唐志軍，鄒貴彬，高厚磊，等.含分布式電源的智能配電網保護控制方案[J].電力系統保護與控制，2014，42(8)：9-14. Tang Zhijun，Zou Guibin，Gao Houlei，et al.Protection and control scheme for smart distribution grid with distributed resource[J].Power System Protection and Control，2014，42 (8)：9-14.

[11]Wang Yanzhao，Dai Ling，Lin Fuchang，et al.Optimization of a triggered vacuum switch with multirod electrodes system[J].IEEE Transactions on Plasma Science，2014，42(1)：162-167.

[12]周逢權，黃偉.直流配電網系統關鍵技術探討[J].電力系統保護與控制，2014，42(22)：62-67. Zhou Fengquan，Huang Wei.Study on the key technology of DC distribution power network[J].Power System Protection and Control，2014，42(22)：62-67.

[13]毛曉坡，何正浩，王英，等.激光觸發真空開關的目標材料觸發特性[J].電工技術學報，2016，31(9)：169-173. Mao Xiaopo，He Zhenghao，Wang Ying，et al.Triggered characteristics of the target material within laser triggered vacuum switches[J].Transactions of China Electrotechnical Society，2016，31(9)：169-173.

[14]廖敏夫，段雄英，鄒積巖.雙端口真空開關的動態介質恢復特性分析[J].真空科學與技術學報，2007，27(3)：190-194. Liao Minfu，Duan Xiongying，Zou Jiyan.Dynamic dielectric recovery characteristics of vacuum circuit-breakers with double-break[J].Chinese Journal of Vacuum Science and Technology，2007，27(3)：190-194.

[15]毛曉坡，何正浩，王英，等.平面圓盤型激光觸發真空開關觸發機制研究[J].電工技術學報，2015，30(9)：87-90. Mao Xiaopo，He Zhenghao，Wang Ying，et al.Research on the trigger mechanism of parallel disc type laser triggered vacuum switch[J].Transactions of China Electrotechnical Society，2015，30(9)：87-90.

The Interrupt Characteristics of Laser Triggered Vacuum Switch in Circuits with High Oscillating Frequency

Zhao Yan Duan Xiongying Liao Minfu Jiang Xiping Zheng Chunyang

(School of Electrical Engineering Dalian University of Technology Dalian 116024 China)

Triggered vacuum switch (TVS) is one of the important switching devices in pulse power technology.With the progress of pulse power system toward a higher working frequency，TVS should have the ability to work stably in a high frequency circuit.In this paper，an LC high frequency oscillation circuit was adopted to investigate on a new laser triggered vacuum switch (LTVS)，which includes the frequency of oscillation circuit，gap voltage and initial plasma concentration on the interrupt characteristic of LTVS.The experimental results show that the increase of frequency and gap voltage will result in a higher peak current and rate at current zero-crossing，the probability of interrupt fail or restrike increases and the time interval of restrike decreases when peak current and rate at current zero-crossing increase.The initial plasma concentration has no effect on the probability of interrupt fail or restrike.The experimental results will supply a reference for enhance the ability of LTVS to work stably stable in a high frequency circuit.

Laser trigger,vacuum switch,high frequency oscillation,pulse power

國家自然科學基金(51337001，51277020，51477024)和中央高校基本科研業務費專項基金(DUT13YQ102)資助項目。

2015-06-15 改稿日期2015-08-01

TM564

趙 巖 男，1989年生，博士研究生，研究方向為智能電器和脈沖功率技術。

E-mail：zhaoyan1989@mail.dlut.edu.cn

段雄英 女，1974年生，博士研究生，研究方向為高電壓絕緣技術和脈沖功率技術。

E-mail：dxy@dlut.edu.cn(通信作者)