基于多孔隙觸發的三電極場畸變開關設計與實驗研究

程 顯 王振偉 呂彥鵬 陳 碩 安永科

基于多孔隙觸發的三電極場畸變開關設計與實驗研究

程 顯1,2王振偉1,2呂彥鵬1,2陳 碩1,2安永科1,2

（1. 鄭州大學電氣工程學院 鄭州 450001 2. 河南省輸配電裝備與電氣絕緣工程技術研究中心 鄭州 450001）

場畸變開關是脈沖功率系統的關鍵器件，其低時延和低抖動性能參數是輸出高幅值、快前沿脈沖的重要保障。在Marx發生器前級所用的場畸變開關，其要求時延和抖動盡可能小，才能保證Marx發生器裝置輸出特性具有快前沿、低抖動的穩定性。單孔觸發電極的場畸變開關由于初始有效電子產生和擴散較慢導致時延較長，多孔觸發電極結構的提出在一定程度上可以降低時延，但是抖動會增大，對于多孔觸發電極場畸變開關如何同時保證低時延和低抖動需要進一步研究。因此，該文通過對傳統單孔觸發電極結構進行優化改進，提出了改變孔徑大小和孔的個數的優化組合設計用于實現低時延，同時還顯著地改善了抖動。實驗結果表明：5 mm十六孔觸發電極結構的場畸變開關在工作系數為71.1%～85.3%時，即工作電壓在20～24 kV時，時延在45.2～41.1 ns之間，抖動在6.87～5.87 ns之間，相較于傳統的單孔觸發電極結構，其時延和抖動分別下降了14.8%和16.1%，性能提升明顯。該文所設計的場畸變開關滿足工程應用需求，為研究多孔型場畸變開關的性能提供了新思路。

場畸變開關 觸發電極結構 工作系數 擊穿時延 擊穿抖動

0 引言

脈沖功率技術是在國防工程和科學研究領域廣泛應用的高科技技術基礎[1]，其中場畸變開關是脈沖功率裝置中的關鍵組成元件[2-4]，由于其導通迅速、通流大、工作電壓高等特點，以及結構穩固簡單、參數可調等優點，成為脈沖功率技術領域中的研究熱點[5-8]。

隨著脈沖功率技術向高電壓[9]、大電流[10]、高重復率[11]的方向發展，要求氣體開關應具有更短的放電時延[12]、更穩定的工作特性[13-14]。目前的研究中，對于減小時延和抖動的主要思路有改變氣體類型[15-18]、采用預電離[19-22]、改進觸發電極結構[23-24]、改變觸發電壓[25-26]等方式，國內外研究機構對此進行了大量實驗研究。其中，改變氣體類型主要是通過加入惰性氣體使氣體比例變化，讓開關形成較多的放電通道，達到降低時延和抖動的效果。但是常用的SF6氣體由于其電負性，對電子具有較強的吸附作用，間隙中較難形成大量初始電子；另外對惰性氣體的比例需要控制，減緩的效果有限，比如加入的惰性氣體比例為20%時，時延仍然為100 ns左右，時延較大，會影響脈沖功率裝置的輸出前沿[19]。預電離通過氣體開關火花放電的方式，利用光電效應產生氣體電離，為開關間隙提供初始電子，另外等離子體輻射的紫外線可引起陰極表面發射電子或空間光電離，從而有效地提高開關的觸發性能。但是間隙中出現自由電子的時間具有不確定性，自由電子被中性粒子吸附形成負離子以及擴散到放電間隙以外的過程具有隨機性，從而會增加時延的不穩定性，比如在工作系數為80%時，抖動雖然減小一半，但是時延的不確定性變差[20]。不同觸發電極結構的場畸變開關具有工作范圍寬、靈活性高、維護簡單等優點受到國內外學者的廣泛關注。目前對單孔圓盤形觸發電極的研究，如西安交通大學團隊的研究[23]中，單孔圓盤形觸發電極結構場畸變開關采用了對稱的結構，具有較低的電感，從而在一定程度上減小了場畸變開關的抖動，小于2.5 ns，但是場畸變開關中絕緣氣體是氣壓為0.24 MPa的純SF6氣體，更換SF6對環境會產生影響，且純SF6對時延具有一定的阻礙。因此，有部分學者改進了觸發電極結構，如鄭州大學團隊[22]設計了環形多孔的觸發電極，利用平板-多環結構進行了實驗，結果表明抖動在1 ns左右，從而驗證了該結構優于上述平板-圓盤形結構，但是具有較大的時延（82 ns）。對于多孔觸發電極的研究，復旦大學團隊[24]對比100 μm和200 μm微孔觸發電極進行了實驗，結果表明減小孔徑對觸發電壓的要求較低，但是200 μm的觸發電極孔中，時延約為400 ns，抖動在100 ns左右，過小的孔徑對場畸變開關有不利的影響。由此可見，觸發電極孔徑和孔數對場畸變開關的性能影響較大，因此有必要對孔的個數和孔徑大小進行進一步研究。

本文在已有研究[27-31]基礎上，設計了傳統圓盤形單孔和多孔的觸發電極，并且基于孔徑和孔數進行優化組合設計，提出了一種更小孔徑的觸發電極結構的場畸變開關。本文首先設計了傳統類型的10 mm單孔觸發電極結構、10 mm七孔觸發電極結構、5 mm七孔觸發電極結構場畸變開關。在此基礎上，從孔徑大小和孔的個數方面組合優化，設計了5 mm十六孔觸發電極結構，通過仿真和實驗與傳統結構進行對比分析，驗證了觸發電壓對場畸變開關性能的影響，為研究多孔型觸發電極結構的場畸變開關提供了參考，具有一定的工程意義。

1 電極結構及仿真

1.1 電極結構設計

開關采用三電極場畸變型開關，材料為304不銹鋼，其中主電極采用平頭形結構，其主視圖和俯視圖如圖1所示。平頭形主電極為直徑40 mm、厚20 mm的圓柱，中間開10 mm螺紋孔，底部與側面采用圓弧形倒角，倒角半徑為4 mm。

圖1 主電極結構

為了分別研究孔徑和孔數對觸發特性的影響，通過不同電極結構之間孔徑和孔數的控制對比分析，設計了四種觸發電極結構。觸發電極的主視圖和俯視圖如圖2所示，圓盤外直徑為40 mm，與主電極直徑一致，有利于電場的均勻分布，圓盤的總厚度為5 mm，中間厚度為3 mm。圖2a為傳統10 mm單孔觸發電極結構，為了驗證單孔場畸變開關的可行性，設計了10 mm七孔觸發電極結構如圖2b所示，與圖2a在孔徑一致的情況下，對比孔數對場畸變開關的影響。圖2c是5 mm七孔觸發電極結構，與圖2b在孔數一致的前提下，對比孔徑大小的影響。設計時為保證統一性，每一個圓孔均采用均勻分布、圓孔倒角為1 mm。對孔徑和孔數組合優化后的觸發電極結構為5 mm十六孔觸發電極結構，如圖2d所示。

圖2 觸發電極結構

1.2 電極結構仿真

在設計中采用場畸變開關的仿真模型，其中平頭形主電極、觸發電極按照與實物1:1的比例在SolidWorks繪制以后導入COMSOL中進行靜電場仿真。仿真條件為：在1 atm（1 atm=1.013×105Pa）下，采用相對介電常數為1.000 53的空氣作為絕緣介質；外殼采用圓柱形亞克力板；電極采用304不銹鋼，相對介電常數為1，分別對不同電極結構的場畸變開關進行靜電場仿真。

1.2.1 靜態自擊穿仿真

在工作電壓為-25 kV、間距為16.0 mm的條件下，四種不同觸發電極的靜電場分布仿真如圖3所示，其中最大電場強度和電場不均勻系數見表1。表中不均勻系數是指最大電場強度與平均電場強度的比值，計算時的平均電場強度為1.56 kV/mm。

上述計算的電場不均勻系數均不大于2，屬于稍不均勻電場，場畸變開關內部靜電場分布基本均勻，則可以用均勻電場的計算公式近似計算四種觸發結構的場畸變開關自擊穿電壓理論值為

圖3 四種觸發電極的靜電場分布

表1 四種觸發電極結構的電場強度和不均勻系數

式中，b為場畸變開關的自擊穿電壓（kV）；為開關的主間隙距離（mm）；為電場不均勻系數。

由式（1）計算可得10 mm單孔、10 mm七孔、5 mm七孔、5 mm十六孔四種觸發電極結構場畸變開關的自擊穿電壓理論值分別為29.81、29.26、28.74、26.52 kV。由于式（1）是用來計算電場不均勻系數=1時的電場自擊穿電壓，因此計算結果比實際測量值要小，預測擊穿電壓實驗值要比式（1）的計算結果略高。

通過靜態自擊穿仿真發現，在孔徑一致的前提下，孔數越多，電場越不均勻；在孔數一致的情況下，孔徑越小，電場越不均勻；在孔徑和孔數同時變化的情況下，電場不均勻系數變化幅度較大。因此，對5 mm十六孔的小孔徑、多孔數的觸發電極結構進行進一步研究顯得尤為必要。

1.2.2 觸發特性電場仿真

觸發瞬間的電場分布是影響場畸變開關動態擊穿性能的主要因素，在工作電壓為-25 kV、間距為16.0 mm、觸發電壓為10 kV的條件下，四種不同觸發電極的場畸變開關觸發瞬間的電場分布和間隙內的電場強度大小分別如圖4和圖5所示。

圖4 電極觸發瞬間的電場分布云圖

圖5 電極觸發瞬間間隙內的電場強度分布

由圖5可以看出，在施加觸發脈沖時，觸發電極孔隙的邊緣處電場強度最大，10 mm單孔、10 mm七孔、5 mm七孔、5 mm十六孔的最大電場強度分別為5.77、6.14、7.57、9.79 kV/mm，由此可以計算出開關的場畸變系數（場畸變開關觸發電極觸發時最大電場強度與未觸發時的最大電場強度之比）。場畸變系數是反映觸發前后電場畸變程度的重要參數，也是影響場畸變開關觸發性能的主要因素之一，較大的場畸變系數有利于減小擊穿時延和抖動。經計算，四種觸發電極的場畸變系數分別為2.29、2.40、2.90、3.45，可知5 mm十六孔的場畸變系數較高，將更容易被觸發?？紤]到不同開孔位置有可能對觸發性能造成影響，在保持孔徑和孔數一致的條件下，改變開孔位置對場畸變開關進行研究，結果表明從場畸變系數來看，不同開孔位置在觸發瞬間對電場畸變的影響不大，因此對開關特性基本沒有影響。

由此可知，無論從靜電場仿真還是從觸發特性電場仿真都可以看出，孔徑和孔數會影響電極間的電場分布和觸發特性，孔徑越小、個數越多，電場分布越不均勻，自擊穿電壓越低，場畸變程度越高，因此對5 mm十六孔的電極結構進一步進行實驗研究，以期為短時延、低抖動的場畸變開關提供理論指導。

2 實驗平臺搭建

2.1 場畸變開關實驗平臺

場畸變開關實驗測試回路示意圖如圖6所示。圖中，T1為變壓器，通過T1可以實時調節開關兩端的工作電壓；1為充電電阻；12為儲能電容，參數分別為0.2 μF/50 kV、0.2 μF/100 kV；VD0為二極管，四個儲能電容與四個二極管構成倍壓整流電路；2為實驗負載電阻；0為均壓電阻，g為隔離電容，觸發源通過隔離電容輸入觸發脈沖。實驗采用分壓比為1 000:1的高壓探頭測量觸發電極上的電壓，采用0.01 V/A的羅氏線圈測量回路產生的電流。

圖6 場畸變開關實驗測試回路示意圖

2.2 觸發源系統設計

為了研究觸發源的電壓幅值對場畸變開關性能的影響，采用兩種不同幅值的觸發源進行實驗。觸發源Ⅰ能輸出9.42 kV/32 ns的脈沖電壓，通過控制臺按鈕可以直接觸發，滿足觸發要求。觸發源Ⅱ在未陡化之前能夠輸出28.83 kV/13.4 μs的脈沖電壓，但是觸發電壓的脈沖前沿要求為ns級，因此不能滿足場畸變開關的要求。在此回路的基礎上進行改進，加上負載電阻d和銳化電容d與球隙d共同構成陡化電路。通過調節銳化電容的大小及球隙間距進行實驗，確定銳化電容d=166 pF，球隙間距d=5 mm，負載電阻d=50 kΩ。觸發源Ⅱ經過陡化電路以后輸出29.5 kV/24 ns脈沖電壓波形。

觸發源Ⅰ、Ⅱ作用在觸發電極時的觸發電壓和回路電流典型波形分別如圖7a和圖7b所示，兩種觸發源均輸出正極性脈沖，主電極的工作電壓為負極性。當觸發電壓作用在觸發電極上，經過脈沖前沿的時間到達峰值后，開關的觸發間隙在負直流工作電壓和觸發電壓的共同作用下發生擊穿。而后觸發電極的電位迅速變為-，場畸變開關的過電壓間隙在過電壓下擊穿，兩電極之間通過電火花導通，此時回路電流開始增加。如圖7b所示，以觸發電壓的起始點0與峰值點1的時間間隔作為觸發間隙的擊穿時延d1，以觸發電壓峰值點1與回路電流的起始點2的時間間隔作為過電壓間隙的擊穿時延d2，兩間隙的時延之和為場畸變開關的總時延d。本實驗通過測量和分析不同工作條件下的d1d2d及其抖動來研究場畸變開關的工作特性。

圖7 觸發電壓與回路電流波形

3 實驗結果及分析

為了進一步驗證仿真研究中的小孔徑和多孔數的組合優化對于觸發的優勢，從中篩選出三種電極結構進行了實驗驗證。該實驗對主電極為平頭形電極，采用傳統10 mm單孔、10 mm七孔、5 mm十六孔的三種觸發電極結構的場畸變開關分別進行了自擊穿特性實驗和觸發特性實驗。開關內部采用干燥的空氣作為絕緣介質，內部壓強為0.1 MPa。場畸變開關的主間隙為16 mm，觸發電極位于主間隙的等位面1/2處，觸發間隙和過電壓間隙距離各為8.0 mm。

3.1 自擊穿特性實驗

場畸變開關試品在裝配完成后，首先需要經過上百次老練使其性能達到穩定，再分別對10 mm單孔、10 mm七孔、5 mm十六孔的三種觸發電極結構的場畸變開關進行自擊穿實驗。實驗過程中，保證每次升壓的過程勻速進行。為防止單次擊穿以后電荷消散的影響，間隔1 min后再次進行實驗。每組實驗重復25次，先對每五次實驗進行一次平均值計算，然后取五次的平均值再進行平均值計算。統計的自擊穿電壓測量數據見表2。

表2 三種觸發電極結構的自擊穿電壓

從實驗結果可以看出，三種觸發電極結構的自擊穿電壓實際統計值均略高于理論值，分別高出1.61、1.55、1.21 kV，與公式計算預測結果一致。其中5 mm十六孔結構相較于其他兩種觸發電極的自擊穿電壓偏低。從仿真數據可知，平頭形主電極-5 mm十六孔觸發電極結構電場不均勻系數高于其他兩種結構，并且在實驗過程中電壓上升到27 kV時會出現電暈，可以判斷平頭形主電極-5 mm十六孔結構相較于其他兩種結構自擊穿電壓偏低。分析其原因，從仿真結果來看，5 mm十六孔觸發電極的場不均勻系數較高；另外，由于5 mm觸發電極的孔數較多，會影響主電極的電場分布，增加電場的畸變程度，從而影響其自擊穿特性，使其自擊穿電壓略低。同時，針對觸發特性實驗而言，自擊穿電壓較低，意味著對觸發電壓的要求較低，因此在觸發時，由于場畸變程度較高，會變得更加容易導通。

3.2 觸發特性實驗

場畸變開關性能的另一個重要指標就是觸發特性，主要由開關的時延d和開關的抖動d（或稱為分散性）來表征。場畸變開關的時延是指觸發脈沖電壓起始時刻與主回路放電電流開始時刻的時間間隔；抖動是指場畸變開關時延的標準偏差，用以衡量場畸變開關時延的離散程度，其表達式為

在工作氣壓為0.1 MPa、絕緣介質為空氣、觸發電壓源的輸出為9.42 kV/32 ns的條件下，通過升壓器調整場畸變開關兩端實驗所用的工作電壓為20～27 kV，每隔1.0 kV測量一組數據，每組實驗重復20次，分別對5 mm十六孔、10 mm單孔、10 mm七孔三種觸發電極結構的場畸變開關進行觸發特性實驗，其時延對比如圖8所示。

圖8 不同工作電壓下三種觸發電極結構場畸變開關的時延

從圖8中可知，總體來看，時延隨著工作電壓的升高而逐漸減小。對于5 mm十六孔的觸發電極結構，在20～24 kV工作電壓區間內，時延變化較為平穩，由45.2 ns變化至41.1 ns，此時場畸變開關的工作系數（指場畸變開關工作電壓與自擊穿電壓之比）為71.1%～85.3%；對于10 mm七孔的觸發電極結構，在22～26 kV工作區間內，時延變化較為平穩，由45.8 ns變化至43.2 ns，此時場畸變開關的工作系數為72.2%～85.3%；對于10 mm單孔的觸發電極結構，在22～26 kV工作區間內，時延變化較為平穩，由49.8 ns變化至47.1 ns，此時場畸變開關的工作系數為70.2%～82.9%。在工作系數相同的情況下，5 mm十六孔的觸發電極結構的時延明顯小于另外兩種結構，并且場畸變開關的時延變化與工作系數有關，當場畸變開關的工作系數大于85%時，時延會急劇減小。

不同工作電壓下三種觸發電極結構的場畸變開關的抖動如圖9所示。從圖9中來看，5 mm十六孔觸發電極結構的場畸變開關在工作電壓20～24 kV區間時，抖動變化較為緩慢，為6.87～5.87 ns；10 mm七孔觸發電極結構的場畸變開關在工作電壓22～26 kV區間時，抖動變化為9.23～7.35 ns；10 mm單孔觸發電極結構的場畸變開關在工作電壓22～26 kV區間時，抖動變化為7.65～5.79 ns。從場畸變開關的工作系數可以看出，當工作系數在70%～85%內，抖動變化較平穩，變化幅度基本維持在1～2 ns之內。對于5 mm十六孔觸發電極結構和10 mm七孔觸發電極結構，當工作系數大于85%時，場畸變開關的抖動變化會急劇變大；當10 mm單孔結構的場畸變開關的工作系數大于85%時，抖動持續減小。分析原因是單孔觸發電極結構的電場畸變程度較小，所以每次觸發時的分散性較小，但是其抖動時間和延遲時間比5 mm十六孔觸發電極結構的場畸變開關大。

圖9 不同工作電壓下三種觸發電極結構場畸變開關的抖動

從上述場畸變開關的時延和抖動的結果來看，當5 mm十六孔觸發電極的工作系數為70%～85%時，其時延和抖動性能參數相較于其他兩種結構更優，時延在40 ns左右，抖動在5 ns左右，其時延和抖動相比較傳統的單孔結構分別下降了14.8%和16.1%，性能提升明顯。對于多孔隙的觸發電極，初始產生的等離子體會躍升至主間隙，并且隨著工作系數的提高，觸發瞬間進入主間隙的電子數變多，觸發間隙放電形成的時間更短，因此場畸變開關的延時與抖動也越小。但是，從抖動的實驗結果來分析，當場畸變開關的工作系數大于85%時，抖動會變大，工作特性變得不穩定。這是由于一方面，孔數和倒角較多，導致孔隙的交界面處在較高電壓時局部已經有電暈產生；另一方面，5 mm十六孔觸發電極的仿真結果中電場的不均勻系數較大，當工作系數越高時，造成場畸變開關的初始放電開始時刻在每一次觸發時會有所偏差，電子的運動產生偏移，導致抖動隨之變大。因此，場畸變開關要工作在合適的工作系數范圍內，這也符合實際的應用工況。

3.3 不同觸發源的觸發特性實驗

在與3.2節相同的實驗條件下，換成29.5 kV/24 ns觸發源進行實驗，統計三種觸發電極結構的場畸變開關時延和抖動分別如圖10和圖11所示。

圖10 29.5 kV/24 ns觸發源下三種觸發電極結構場畸變開關的時延

圖11 29.5 kV/24 ns觸發源下三種觸發電極結構場畸變開關的抖動

從圖10、圖11與圖8、圖9的對比可以看出，當觸發源的幅值由9.52 kV變大為29.5 kV以后，時延和抖動的總體變化規律是一致的，變化的參數僅是時延和抖動的數值，隨著觸發電壓的升高，時延和抖動會減小。從時延方面來看，對于5 mm十六孔結構，在20～24 kV的工作電壓下，時延由45.2～41.1 ns變化為27.8～25.5 ns；對于10 mm七孔結構，在22～26 kV的工作電壓下，時延由45.8～43.2 ns變化為29.9～27.4 ns；對于10 mm單孔結構，在22～26 kV工作電壓下，時延由49.8～47.1 ns變化為31.4～28.7 ns。上述三種結構的時延變化都較為穩定，分別減小了37.95%～38.5%、34.72%～36.75%、39.55%～39.66%。在抖動方面，對于5 mm十六孔結構，在20～24 kV工作電壓下，抖動由6.87～5.87 ns變化為3.65～2.98 ns；對于10 mm七孔結構，在22～26 kV工作電壓下，抖動由9.23～7.35 ns變化為6.12～5.74 ns；對于10 mm單孔結構，在22～26 kV抖動由7.65～5.79 ns變化為5.02～3.99 ns。上述三種結構抖動變化也較為穩定，分別減小了46.87%～49.23%、21.90%～34.33%、31.09%～34.38%。通過驗證性實驗可以看出，提高觸發源的幅值，可以有效減小時延和抖動。

4 結論

本文通過仿真計算分析，基于傳統單孔和多孔觸發電極場畸變開關進行優化，設計了一種5 mm小孔徑、多孔數觸發電極結構的場畸變開關，通過仿真和實驗驗證了該場畸變開關可以有效降低時延，同時還能改善抖動，并對觸發電壓對場畸變開關性能的影響進行了分析，具體結論如下：

1）傳統單孔觸發電極結構的場畸變開關抖動較低，時延較大，通過仿真得出孔徑和孔數會影響電極間的電場分布，孔徑越小、個數越多，電場分布越不均勻，自擊穿電壓越低，同時場畸變程度越高。

2）在氣壓為0.1 MPa、絕緣介質為干燥空氣的條件下，5 mm小孔徑、多孔數觸發電極結構的場畸變開關在工作系數70%～85%范圍內，時延范圍為45.2～41.1 ns，抖動范圍為6.87～5.87ns，相對于傳統的單孔觸發電極結構，其時延和抖動分別下降了14.8%和16.1%，性能提升明顯。

3）當把觸發源電壓幅值提高至原來的3倍左右，在工作系數70%～85%范圍內，場畸變開關時延會相對減小40%左右，抖動也會相應減小，對于5 mm小孔徑、多孔數觸發電極結構的場畸變開關，抖動會相應減小49%左右，可以得出提高觸發電壓幅值能夠有效地減小場畸變開關的時延和抖動，從而提高場畸變開關的工作性能。

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Design and Experiment Study of Three Electrode Field Distortion Switch Based on Multi-Hole Trigger

Cheng Xian1,2Wang Zhenwei1,2Lü Yanpeng1,2Chen Shuo1,2An Yongke1,2

（1. School of Electrical Engineering Zhengzhou University Zhengzhou 450001 China 2. Henan Engineering Research Center of Power Transmission & Distribution Equipment and Electrical Insulation Zhengzhou 450001 China）

The field distortion switch used in the front stage of the Marx generator requires the delay and jitter to be as small as possible to ensure the stability of the output characteristics of the Marx generator device with fast front and low jitter. The field distortion switch of the single hole trigger electrode has a high delay due to the slow generation and diffusion of the initial effective electrons. The proposed structure of the porous trigger electrode can reduce the delay to a certain extent, but the jitter will increase. How to ensure low delay and low jitter at the same time requires further research on the field distortion switch of the porous trigger electrode. Therefore, by optimizing and improving the traditional single-hole trigger electrode structure, this paper proposes an optimized combination design that changes the size and number of apertures to achieve low delay and significantly improve jitter.

The traditional type of 10 mm single-hole trigger electrode structure, 10mm seven-hole trigger electrode structure, 5 mm seven-hole trigger electrode structure are designed for electric field simulation optimization. On this basis, a 5 mm 16-hole trigger electrode structure was designed based on the number of apertures and the size of apertures. The simulation and experiment were compared with the traditional structure. When the working pressure is 0.1 MPa, the insulating medium is air, and the output of the trigger voltage source is 9.42 kV/32 ns, the trigger characteristics of the three trigger electrode structures of 5 mm 16-hole, 10 mm single-hole, and 10 mm seven-hole were tested. The experimental data show that when the working coefficient of the field distortion switch with 5mm 16-hole trigger electrode structure is 71.1%～85.3%, that is, when the working voltage is 20～24 kV, the delay is between 45.2～41.1 ns, and the jitter is between 6.87～5.87 ns.Compared with the traditional single-hole trigger electrode structure, the delay and jitter are reduced by 14.8% and 16.1% respectively, and the performance is improved significantly. Then the influence of trigger voltage on the performance of field distortion switch is verified, which provides a new idea for the study of the performance of porous field distortion switch.

Through simulation theoretical analysis and experimental verification, the conclusions are as follows: (1) Through the simulation of the electric field of the aperture and the number of holes, it is concluded that the smaller the aperture, the more the number, the more uneven the electric field distribution, the lower the self-breakdown voltage, and the higher the field distortion. (2) Under the condition of 0.1 MPa air pressure and dry air insulation medium, the field distortion switch with 5 mm small aperture porous number trigger electrode structure has a delay range of 45.2～41.1 ns and a jitter range of 6.87～5.87 ns in the working coefficient range of 70%～85%. Compared with the traditional single-hole trigger electrode structure, the delay and jitter are reduced by 14.8% and 16.1% respectively, and the performance is improved significantly. (3) When the amplitude of the trigger source voltage is increased to about 3 times, the time delay of the field distortion switch will be reduced by about 1.5 times in the range of 70%～85% of the working coefficient.

Field distortion switch, trigger electrode structure, working coefficient, breakdown time delay, breakdown jitter

TM564

10.19595/j.cnki.1000-6753.tces.221759

國家自然科學基金項目（51977195, 52107170）、河南省重大科技專項（221100240500）、河南省優秀青年科學基金項目（202300410370）、河南省科技創新人才項目（21HASTIT022）、河南省高校學科創新基地項目（CXJD2021007）、中國博士后面上項目（2021M692901）、河南省自然科學基金項目（232300421329）和河南省科技攻關項目（222102210312）資助。

2022-09-15

2022-11-25

程 顯 男，1982年生，教授，博士生導師，研究方向為新型電力開關裝備技術、高壓電器高可靠性技術等。E-mail：chengxian@zzu.edu.cn

呂彥鵬 男，1992年生，副教授，碩士生導師，研究方向為脈沖功率技術及其生物醫學應用。E-mail：yanpenglv@foxmail.com（通信作者）

（編輯 李 冰）