觸發真空開關自擊穿電壓特性的實驗研究

張朝學

【摘 要】觸發真空開關（Triggered Vacuum Switch，TVS），是結合了真空開關技術和三電極火花間隙技術的一種可控、快速閉合型開關。本文詳細分析了觸發真空開關結構和觸發原理，選擇合適的觸發真空開關和實驗環境，根據設計電路建立實驗平臺，研究觸發真空開關在氣壓為8.0Pa～35Pa范圍內自擊穿電壓隨氣壓變化規律研究。從而豐富觸發真空開關的使用環境。

【關鍵詞】觸發真空開關；觸發；觸發原理；擊穿電壓

中圖分類號： TM564 文獻標識碼： A 文章編號： 2095-2457（2018）17-0042-002

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2018.17.020

【Abstract】Triggered vacuum switch is a controllable and fast closing switch which combines vacuum switch technology and three electrode spark gap technology.In this paper，the structure and trigger principle of the trigger vacuum switch are analyzed in detail，the appropriate trigger vacuum switch and the experimental environment are selected.The experimental platform is set up based on the design circuit to study the change law of the self breakdown voltage of the trigger vacuum switch in the range of 8.0Pa～35Pa air pressure.It enriches the use environment that triggers the vacuum switch.

【Key words】Triggered Vacuum Switch；Triggered；Triggered Features；breakdown voltage

0 引言

由于觸發真空開關具有體積小、通流能力強、工作電壓范圍寬、承受電荷量高、動作迅速、可靠性高、強絕緣恢復特性及環境適應能力強等優點[1-2]，近年來，觸發真空開關在脈沖功率技術、電磁發射、過電壓防護的模擬雷電流發生回路等領域得到廣泛的運用[3]，這就使得對觸發真空開關的研究占有舉足輕重的地位。觸發真空開關利用高真空作為絕緣介質，其具有極高的絕緣水平和真空中弧后等離子體的快速擴散、恢復特性，使得觸發真空開關具有較高頻率的重復導通以及分斷高電壓大電流的能力。因此，觸發真空開關是一種很有發展潛力的新一代電器元件[4]。

在觸發真空開關的研究中，學者主要研究觸發真空開關在真空條件下的工作特性[5]。然而隨著現代電氣行業的發展，對觸發真空開關的工作特性將提出更多的要求。因此，本文主要研究觸發真空開關在氣壓為8.0Pa～35Pa條件下觸發真空開關的工作特性，得出其相應的變化規律，從而豐富觸發真空開關的使用環境。

1 觸發真空開關

1.1 觸發真空開關的結構

觸發真空開關（Triggered Vacuum Switch）[6]，是脈沖功率技術中一種重要的開關器件，利用高真空作為主電極間的絕緣介質和滅弧介質，并采用特殊設計的觸發極控制開關的閉合，是一種可控的快速閉合型開關。

其主要結構為一對相距一定真空間距的主電極和一個觸發電極、金屬屏蔽罩、絕緣外殼。主電極傳導大電流，電極材料和其表面狀態對觸發真空開關的性能有重要影響；觸發電極提供初始等離子體；金屬屏蔽罩一方面可以調整觸發真空開關內部電場分布，另一方面還可以防止燃弧時產生的金屬蒸汽沉積在絕緣外殼的內表面；絕緣外殼能對其進行密封，同時還可以起絕緣和支撐的作用。

1.2 觸發真空開關的觸發原理

TVS觸發過程中，在觸發極與陰極間加上觸發脈沖電壓，由于在陰極-真空-介質（CVD）三點結合處易發生電場畸變，起始電子常常從CVD三點結合處發射，而三點結合處的場強可以由觸發介質和電極表面狀態而得到增強，如下列公式1所示：

由此可知，三點結合處的場強與觸發脈沖電壓、觸發間隙以及觸發材料有關，而根據文獻[7-8]可知，觸發材料介電常數越大，三點結合處電場強度越大，發射電子也越大。TVS在觸發脈沖電壓的作用下在三點結合處發射電子，場致發射電子在觸發間隙電場的作用下做類似于平拋運動[9]。

2 VS實驗平臺的建立

根據影響TVS工作特性的因素分析可知，在TVS工作模式中，電極配置方式有A+、A-、C+、C-四種工作模式，不同工作模式對TVS的工作特性具有不同的影響。與其他三種工作模式相比，相同條件下，A+模式最有利于降TVS觸發時延和分散性[10]。

本文選擇使用A+模式、觸發介質為鈦酸鋇的沿面閃絡型TVS，直接由高壓直流源對脈沖電容充電并經放電回路形成觸發脈沖建立觸發回路，并采用機械泵和油擴散泵組成的二級真空系統，以及相應的電子器件和測量設備，搭建的實驗平臺原理如如圖1所示。

其中：T1為調壓器，參數0～220V；T2為升壓變壓器，變比：220V/40kV；D為硅堆； R0為充電保護電阻4kΩ；C 為充電電容參數為1μF；R放電限流電阻 3Ω；Rs為測量回路等效阻值，約為1mΩ。

根據上述原理圖，搭建本實驗的實驗平臺實物圖進行實驗研究。

3 觸發真空開關自擊穿電壓隨氣壓變化規律研究

在氣壓為8.0Pa～35Pa范圍內，給TVS陰極和陽極間加上直流偏置電壓，并利用示波器監測偏置電壓的變化，逐漸升高偏置電壓，當偏置電壓突然下降時，則認為TVS發生自擊穿。本實驗在氣壓范圍內選擇12個氣壓，每一個氣壓上進行10次TVS的自擊穿電壓實驗，并記錄其實驗數據。

按照上述條件得出氣壓在8.0Pa～35Pa范圍內，TVS的平均自擊穿電壓如表1所示：

對上述實驗數據進行分析，得到氣壓在8.0Pa～35Pa范圍內，TVS的自擊穿電壓隨氣壓的變化規律：TVS的自擊穿電壓隨氣壓的升高而降低，氣壓從8.0Pa升高到35Pa時，TVS自擊穿電壓從8.68kV降低到1.06kV；且自擊穿電壓的降低速率逐漸減慢，此曲線的變化規律與巴申曲線的左側相吻合，從而證明了實驗結果的正確性。

4 結語

本文圍繞TVS的工作特性，分析影響TVS工作特性的因素，以此為基礎，選擇合適的實驗方法，建立TVS實驗平臺。基于此實驗平臺，在氣壓為8.0Pa～35Pa條件下，本文進行TVS的自擊穿電壓特性的實驗。實驗結果表明：TVS的自擊穿電壓隨氣壓的升高而降低，氣壓從8.0Pa升高到35Pa時，TVS自擊穿電壓從8.68kV降低到1.06kV；且自擊穿電壓的降低速率逐漸減慢。

本文研究成果得出了TVS的擊穿電壓隨氣壓變化的規律，豐富觸發真空開關的使用環境，為下一階段研究TVS觸發時延和分散性的變化規律奠定了良好的基礎。

【參考文獻】

[1]Lafferty J.M.Triggered Vacuum Gaps[J].Proceedings of the Institute of Electrical and Electronics Engineers，1966，54（1）：23-33.

[2]Kamakshaiah S，Rau RSN.Delay Characteristics of a Simple Triggered Vacuum Gap[J].Journal of Physics D-Applied Physics， 1975，8：1426-1429.

[3]Shang W，Damstra GC.The Main Gap Discharge Types and Mechanism of a Triggered Vacuum Gaps[M].New York：1996.

[4]Shang W，Damstra GC.The Collective Properties of The Trigger Plasma of a Triggered Vacuum Gaps[M].New York：1996.

[5]Shang W，Damstra GC.The Investigations of Triggered Vacuum Gaps in Negative Main Gap Mode[M].New York： IEEE，1996.

[6]吳遠利，陳仕修，等.長間隙觸發真空開關的實驗研究[J].高電壓技術，2004，36（04）：17-19.

[7]Rosenman G，Shur D，Krasik YE，et al.Electron emission from erroelectrics[J].Journal of Applied-physics，2000，88（11）：6109-6161.

[8]姚學玲，等.低氣壓放電開關沿面閃絡觸發器的性能研究[J].高電壓技術，2008，34（1）：73-77.

[9]余岳輝，梁琳.脈沖功率器件及其應用[M].北京：機械工業出版社，2010.20-25.

[10]周正陽.場擊穿型真空觸發開關的相關理論與實驗研究[D].大連理工大學，2010.