CN114414956A - 一种气体火花开关放电实验电路及装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及开关放电实验技术领域，公开了一种气体火花开关放电实验电路及装置，该气体火花开关放电实验电路，包括受试开关S1、第一脉冲形成网络、电感L₅、电阻R₁、第二脉冲形成网络，S1的一端、第一脉冲形成网络、L₅、R₁、地依次电相连，S1的另一端、第二脉冲形成网络、地依次电相连，第一脉冲形成网络包括N路相互并联的LC串联支路，第二脉冲形成网络包括M路相互并联的LC串联支路；其中，N≥2且N为整数，M≥2且M为整数。本发明解决了现有技术存在的不能提供优质的放电电流波形、受试开关老练效率较低等问题。

Description

一种气体火花开关放电实验电路及装置

技术领域

本发明涉及开关放电实验技术领域，具体是一种气体火花开关放电实验电路及装置。

背景技术

脉冲功率装置中，开关是重要组成部件。对于通流能力大于10kA，工作电压大于10kV的开关，固态开关很难满足工作需求，气体火花开关仍是应用最广泛的开关。近十年来，发展出了PFN Marx型的脉冲功率装置。它使用PFN作为储能与脉冲形成模块，依靠Marx发生器技术输出高压，可直接对负载输出类方波。这种PFN Marx型的脉冲功率装置，一套装置中存在众多的气体开关。

开关实验研究中，放电实验是一项基础实验。具体做法是对气体开关的一侧电极施加高压电，一侧电极接地，电压高到一定程度时，开关电极之间的气体间隙或者自击穿，或者依靠触发击穿，从而开关导通。

一方面，开关放电实验可以研究开关的工作电压范围、时间抖动、电极烧蚀、绝缘性能、寿命等工作参数，为开关设计优化、找出最佳工作点提供依据；另一方面，设计完毕的气体开关在投入使用前，最好经过放电实验进行锻炼，这一步骤通常称为“老练”。老练的本质，就是以放电的形式去除电极表面的微尖端、杂质等。老练之前的气体开关，自击穿电压分散性大，电极击穿点分散性也大。经过充分老练的气体开关，开关自击穿电压分散性大幅降低，标准偏差可以小于3.5％；击穿点在电极表面的位置分布变得集中。老练是脉冲功率装置达到最佳的工作性能的基础。

当前的开关放电实验研究，常规做法是在空气环境中进行，为了避免电晕放电，电压等级通常小于30千伏。放电实验电路通常使用RLC放电电路，电路通常工作在欠阻尼状态，放电电流波形通常为周期振荡波形。

周期振荡的电流波形，电流存在反向，不利于分别研究开关的阴、阳电极烧蚀情况。因此也有人在实验电路里接入独立电阻R，调整RLC参数，使电路向临界阻尼情况靠近，减少电流反向振荡。此时电流波形类似双指数波形，尽管脉冲宽度可以调节，但没有平顶，电流峰值时间不能维持。

现有技术存在不能提供优质的放电电流波形、受试开关老练效率较低等问题。

发明内容

为克服现有技术的不足，本发明提供了一种气体火花开关放电实验电路及装置，解决现有技术存在的不能提供优质的放电电流波形、受试开关老练效率较低等问题。

本发明解决上述问题所采用的技术方案是：

一种气体火花开关放电实验电路，包括受试开关S1、第一脉冲形成网络、电感L₅、电阻R₁，S1的一端、第一脉冲形成网络、L₅、R₁、地依次电相连，S1的另一端、地依次电相连，第一脉冲形成网络包括N路相互并联的LC串联支路；其中，N≥2且N为整数。

作为一种优选的技术方案，N＝2，第一脉冲形成网络包括相互并联的第一LC串联支路、第二LC串联支路，第一LC串联支路包括相互串联的电感L₁、电容C₁，第二LC串联支路包括相互串联的电感L₂、电容C₂。

一种气体火花开关放电实验电路，包括受试开关S1、第一脉冲形成网络、电感L₅、电阻R₁、第二脉冲形成网络，S1的一端、第一脉冲形成网络、L₅、R₁、地依次电相连，S1的另一端、第二脉冲形成网络、地依次电相连，第一脉冲形成网络包括N路相互并联的LC串联支路，第二脉冲形成网络包括M路相互并联的LC串联支路；其中，N≥2且N为整数，M≥2且M为整数。

作为一种优选的技术方案，N＝2，第一脉冲形成网络包括相互并联的第一LC串联支路、第二LC串联支路，第一LC串联支路包括相互串联的电感L₁、电容C₁，第二LC串联支路包括相互串联的电感L₂、电容C₂；M＝2，第二脉冲形成网络包括相互并联的第三LC串联支路、第四LC串联支路，第三LC串联支路包括相互串联的电感L₃、电容C₃，第四LC串联支路包括相互串联的电感L₄、电容C₄。

作为一种优选的技术方案，R₁为陶瓷碳电阻。

作为一种优选的技术方案，C₁、C₂、C₃、C₄均为薄膜电容。

作为一种优选的技术方案，L₁、L₂、L₃、L₄为铜片制成的电感。

一种气体火花开关放电实验装置，包括所述的一种气体火花开关放电实验电路，还包括分别与气体火花开关放电实验电路电相连的充电电源、测量系统。

作为一种优选的技术方案，还包括箱体，所述箱体将气体火花开关放电实验电路容纳于内。

作为一种优选的技术方案，所述箱体内部空间充有六氟化硫气体。

本发明相比于现有技术，具有以下有益效果：

(1)本发明为受试开关S1放电实验提供优质的波形，二是为了提高受试开关S1老练效率；

(2)本发明既能获得优质的波形及提高受试开关S1老练效率，又兼顾了元件数量较少及电路结构简便，在保证优质的波形、较高的老练效率的同时提高了电路搭建效率，节约了成本；

(3)本发明采用正、负极性的充电电源1同时充电的方式，可降低充电电源的设计压力，也可降低实验回路的高电压等级，降低实验系统的绝缘压力；

(4)本发明采用的陶瓷碳电阻电感低，有较高的吸能功率；

(5)本发明采用的薄膜电容内电感小、重频工作寿命高；

(6)本发明铜片制成的电感电感值小，便于脉冲成形。

附图说明

图1为本发明一种气体火花开关放电实验电路及充电电源、测量系统的结构示意图之一；

图2为本发明一种气体火花开关放电实验电路及充电电源、测量系统的结构示意图之二；

图3为图2所示电路产生的电流仿真波形图；

图4为图2所示电路的不同脉冲宽度的电流波形图；

图5为本发明一种气体火花开关放电实验装置的结构示意图；

图6为图5中结构的电路回路示意图；

图7为实施例3中传统的开关放电研究电路图；

图8为实施例3中采用传统的开关放电研究电路产生的周期振荡放电电流波形图(含加宽前、加宽后)；

图9为实施例3中采用传统的开关放电研究电路产生的双指数波形波形图(含加宽前、加宽后)。

附图中标记及相应的零部件名称：1、充电电源，3、测量系统，4、箱体。

具体实施方式

下面结合实施例及附图，对本发明作进一步的详细说明，但本发明的实施方式不限于此。

实施例1

如图1至图9所示，一种气体火花开关放电实验电路，包括受试开关S1、第一脉冲形成网络、电感L₅、电阻R₁，S1的一端、第一脉冲形成网络、L₅、R₁、地依次电相连，S1的另一端、地依次电相连，第一脉冲形成网络包括N路相互并联的LC串联支路；其中，N≥2且N为整数。

使用时，将气体火花开关放电实验电路与充电电源1、测量系统3分别电相连。本发明的电路为受试开关S1放电实验提供优质的波形，波形反向电流很小，具有一定的平顶，适合研究开关的电极烧蚀问题，因为电极的烧蚀与电流的方向有关；本发明的电路提供的波形，与开关的实际工作状态一致，可以提高受试开关S1老练效率。

作为一种优选的技术方案，N＝2，第一脉冲形成网络包括相互并联的第一LC串联支路、第二LC串联支路，第一LC串联支路包括相互串联的电感L₁、电容C₁，第二LC串联支路包括相互串联的电感L₂、电容C₂。

第一LC串联支路包括两路LC串联支路，既能获得优质的波形及提高受试开关S1老练效率，又兼顾了元件数量较少及电路结构简便，在保证优质的波形、较高的老练效率的同时提高了电路搭建效率，节约了成本。

一种气体火花开关放电实验电路，包括受试开关S1、第一脉冲形成网络、电感L₅、电阻R₁、第二脉冲形成网络，S1的一端、第一脉冲形成网络、L₅、R₁、地依次电相连，S1的另一端、第二脉冲形成网络、地依次电相连，第一脉冲形成网络包括N路相互并联的LC串联支路，第二脉冲形成网络包括M路相互并联的LC串联支路；其中，N≥2且N为整数，M≥2且M为整数。

使用时，将气体火花开关放电实验电路与充电电源1、测量系统3分别电相连。

本发明的电路为受试开关S1放电实验提供优质的波形，波形反向电流很小，具有一定的平顶，适合研究开关的电极烧蚀问题，因为电极的烧蚀与电流的方向有关；本发明的电路提供的波形，与开关的实际工作状态一致，可以提高受试开关S1老练效率。

与此同时，受试开关S1的两端均连接充电电源1，采用正、负极性的充电电源1同时充电的方式，可降低充电电源1的设计压力，也可降低实验回路的高电压等级，降低实验系统的绝缘压力。

作为一种优选的技术方案，N＝2，第一脉冲形成网络包括相互并联的第一LC串联支路、第二LC串联支路，第一LC串联支路包括相互串联的电感L₁、电容C₁，第二LC串联支路包括相互串联的电感L₂、电容C₂；M＝2，第二脉冲形成网络包括相互并联的第三LC串联支路、第四LC串联支路，第三LC串联支路包括相互串联的电感L₃、电容C₃，第四LC串联支路包括相互串联的电感L₄、电容C₄。

第一LC串联支路、第二LC串联支路均包括两路LC串联支路，既能获得优质的波形及提高受试开关S1老练效率，又兼顾了元件数量较少及电路结构简便，在保证优质的波形、较高的老练效率的同时提高了电路搭建效率，节约了成本。

作为一种优选的技术方案，R₁为陶瓷碳电阻。

陶瓷碳电阻电感低，有较高的吸能功率。

作为一种优选的技术方案，C₁、C₂、C₃、C₄均为薄膜电容。

薄膜电容内电感小、重频工作寿命高。

作为一种优选的技术方案，L₁、L₂、L₃、L₄为铜片制成的电感。

铜片制成的电感电感值小，便于脉冲成形。

实施例2

如图1至图9所示，作为实施例1的进一步优化，本实施例包含了实施例1的全部技术特征，除此之外，本实施例还包括以下技术特征：

一种气体火花开关放电实验装置，包括所述的一种气体火花开关放电实验电路，还包括分别与气体火花开关放电实验电路电相连的充电电源1、测量系统3。

本发明的电路为受试开关S1放电实验提供优质的波形，波形反向电流很小，具有一定的平顶，适合研究开关的电极烧蚀问题，因为电极的烧蚀与电流的方向有关；本发明的电路提供的波形，与开关的实际工作状态一致，可以提高受试开关S1老练效率。

作为一种优选的技术方案，还包括箱体4，所述箱体4将气体火花开关放电实验电路容纳于内。

箱体4为气体火花开关放电实验电路提供容纳和限位空间。优选的，箱体4采用金属制成，且设计紧凑，便于降低回路电感。

作为一种优选的技术方案，所述箱体4内部空间充有六氟化硫气体。

这便于获得良好的绝缘强度。

实施例3

如图1至图9所示，本实施例包含实施例1、实施例2的全部技术特征，本实施例在实施例1、实施例2的基础上，提供更细化的实施方式。

当前开关放电实验电路存在提升的空间。放电电流的波形，最好与实际工作状态一致，也就是类方波，具有一定的平顶，没有振荡，没有反向电流；电流的峰值，应达到10千安以上；可根据实际需要调制需要的脉宽。

为了达到这一目的，本发明了一个放电实验电路，并且研制了相应的实验装置。

设计的实验电路如图2所示。

整个实验系统可分为供电电源，放电回路，测量系统三部分。其中供电电源可使用任何技术路线研制，不是叙述重点。测量系统可使用任意适用的测试方案，也不是重点。

图2中，S1是受试开关；C₁、L₁，C₂、L₂构成第一脉冲形成网络(PFN)；C₃、L₃，C₄、L₄构成第二脉冲形成网络(PFN)；L₅是回路电感；R₁是负载。S1、二组PFN、L₅和R₁，构成了放电回路。

U₀是开关的工作电压，I₀是开关导通峰值电流，τ是电流波形的脉冲宽度。那么回路中各元件的设计取值按照下列方法计算：

L₃≈0.5L₁；

以上取值均可以小幅波动，不必严格。例如为了降低负载电压，R₁取值可小一些；L₅的取值可结合仿真调整。

工作流程：正负极性的高压电源(voltage source)分别连接至开关S1的两端，对两侧的PFN充电，充电电压相等，极性相反。充电至需要的电压时(也就是±0.5U₀)，充电电源停止工作，同时，开关S1自击穿或触发击穿，放电回路导通。这样，开关的导通电流将是类方波，电流峰值具有一定平顶，且反向电流很小。

本方案设计为正、负极性的高压电源同时充电的方式，可降低充电电源的设计压力，也可降低实验回路的高电压等级，降低实验系统的绝缘压力。这虽然不是必须的，但推荐这样做。

我们研制了一个实验装置。设计目标为：

工作电压：≥80kV；

工作电流：≥13kA；

脉冲宽度：≥120ns。

根据计算，结合仿真对参数微调，我们确定了如下参数：

C₁＝C₃＝35nF，C₂＝C₄＝3.9nF；L₁＝L₂＝L₃＝L₄＝68nH；R₁＝3.0Ω；L₅＝80nH；充电电压约±40kV。

在这组设计参数下，进行了仿真。

本实例中，设计了具备±50kV充电能力的电源；为了降低回路电感，负载电阻R₁使用陶瓷碳低感电阻；电容C₁-C₄使用薄膜高压电容器；电感L₁-L₄很小，可直接用铜片；电感L₅可不需要独立电感，由回路电感构成。事实上把回路电感L₅控制在很小的水平，难度较大。整个放电回路元件全部放置在金属箱内，金属箱体尽量设计紧凑，保证低的回路电感。

由于采用了正、负极性高压同时充电的方案，在保持了开关工作电压不低于80kV的前提下，整个实验系统的最高电压约40kV，这样大大降低了绝缘压力。在箱内充一定的六氟化硫气体，六氟化硫浓度在50％以上，即可获得良好的绝缘强度。

图6展示了放电电路主要元件的排列方式，可以看出，电阻R₁体积很大，因为使用的陶瓷碳电阻，除了要求电感低，还要有较高的吸能功率，这是为了开展开关长寿命工作的实验所考虑。

用研制的实验装置开展实验，在负载电阻高压端测量的电压波形和仿真结果非常接近。电流峰值在14kA左右，脉冲宽度160ns左右，平顶宽度约100ns，反向电流很小。平顶与脉宽之比，60％左右。这是一个很好的电流波形。

可见本发明的实验电路及装置，结构简明，电流平顶质量好，没有振荡，反向电流小。对开关放电研究非常有利。而且设计不同的PFN参数，不改变负载电阻，可以制造具有不同的脉冲宽度和平顶宽度的电流波形，我们也制造了260ns的电流波形，不同脉宽的电流波形见图4所示。

作为对比，图7是传统的开关放电研究电路。

它有两种情况。

情况a，该电路是短路放电电路，电阻R_A1在电路中没有独立的电阻器，R_A1是开关的放电电阻以及电路中的分布电阻，R_A1阻值很小，在毫欧姆量级。此时电路工作在欠阻尼状态，放电电流波形是周期振荡波形。见参考图8。这种周期振荡波形，对开关放电、烧蚀等研究来说并不适用。

情况b。为了避免产生这种周期振荡波形，回路中存在独立电阻器R_A1，使RLC电路尽可能工作在临界阻尼状态。此时的电流波形类似双指数波形，如图9所示。这种波形没有反向电流，也可以制造不同的脉冲宽度。但是它没有平顶，电流峰值时间非常短暂，它制造更宽的脉冲宽度主要依靠拉长下降沿。

本发明，峰值电流具有相当的平顶时间，而且加大脉宽，平顶也会延长。

对比图9和图4，可以进一步认识到，优质的波形是图4那样，具有平顶，无振荡，反向小，且贴近开关工作实际。一个合适的开关放电实验装置，应当提供图4那样的波形。

本发明的开关实验电路，可以为开关放电实验研究提供优质的电流波形，有利于开展相关研究；也可以作为一个全状态老练装置，可提高开关老练效率。

如上所述，可较好地实现本发明。

本说明书中所有实施例公开的所有特征，或隐含公开的所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以以任何方式组合和/或扩展、替换。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，依据本发明的技术实质，在本发明的精神和原则之内，对以上实施例所作的任何简单的修改、等同替换与改进等，均仍属于本发明技术方案的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种气体火花开关放电实验电路，其特征在于，包括受试开关S1、第一脉冲形成网络、电感L₅、电阻R₁，S1的一端、第一脉冲形成网络、L₅、R₁、地依次电相连，S1的另一端、地依次电相连，第一脉冲形成网络包括N路相互并联的LC串联支路；其中，N≥2且N为整数。

2.根据权利要求1所述的一种气体火花开关放电实验电路，其特征在于，N＝2，第一脉冲形成网络包括相互并联的第一LC串联支路、第二LC串联支路，第一LC串联支路包括相互串联的电感L₁、电容C₁，第二LC串联支路包括相互串联的电感L₂、电容C₂。

3.一种气体火花开关放电实验电路，其特征在于，包括受试开关S1、第一脉冲形成网络、电感L₅、电阻R₁、第二脉冲形成网络，S1的一端、第一脉冲形成网络、L₅、R₁、地依次电相连，S1的另一端、第二脉冲形成网络、地依次电相连，第一脉冲形成网络包括N路相互并联的LC串联支路，第二脉冲形成网络包括M路相互并联的LC串联支路；其中，N≥2且N为整数，M≥2且M为整数。

4.根据权利要求3所述的一种气体火花开关放电实验电路，其特征在于，N＝2，第一脉冲形成网络包括相互并联的第一LC串联支路、第二LC串联支路，第一LC串联支路包括相互串联的电感L₁、电容C₁，第二LC串联支路包括相互串联的电感L₂、电容C₂；M＝2，第二脉冲形成网络包括相互并联的第三LC串联支路、第四LC串联支路，第三LC串联支路包括相互串联的电感L₃、电容C₃，第四LC串联支路包括相互串联的电感L₄、电容C₄。

5.根据权利要求3或4所述的一种气体火花开关放电实验电路，其特征在于，R₁为陶瓷碳电阻。

6.根据权利要求5所述的一种气体火花开关放电实验电路，其特征在于，C₁、C₂、C₃、C₄均为薄膜电容。

7.根据权利要求6所述的一种气体火花开关放电实验电路，其特征在于，L₁、L₂、L₃、L₄为铜片制成的电感。

8.一种气体火花开关放电实验装置，其特征在于，包括权利要求3至7任一项所述的一种气体火花开关放电实验电路，还包括分别与气体火花开关放电实验电路电相连的充电电源(1)、测量系统(3)。

9.根据权利要求8所述的一种气体火花开关放电实验装置，其特征在于，还包括箱体(4)，所述箱体(4)将气体火花开关放电实验电路容纳于内。

10.根据权利要求9所述的一种气体火花开关放电实验装置，其特征在于，所述箱体(4)内部空间充有六氟化硫气体。

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