- 頭條電弧參數對激光觸發真空開關重頻開斷特性的影響2021-02-06 作者：陳占清 段雄英 等 | 來源：《電工技術學報》 | 點擊率：導語大連理工大學電氣工程學院、國網遼寧省電力有限公司電力科學研究院的研究人員陳占清、段雄英、廖敏夫、鄒積巖、劉芮彤，在2019年第21期《電工技術學報》上撰文指出，激光觸發真空開關（LTVS）的電弧特性受外電路參數和觸發材料的綜合作用，影響其開斷性能。 該文基于可拆卸真空腔體搭建實驗電路，改變電流頻率、工作電壓、電流峰值、電極結構及觸發材料種類等因素，對比相應條件下LTVS的完全開斷時間差異，分析不同電弧參數對LTVS重頻開斷特性的影響，討論LTVS開斷過程中真空電弧與觸發材料的作用關系。 實驗結果表明，LTVS的完全開斷時間隨電流峰值和工作電壓的上升而增長，隨電流頻率的增加而縮短；縱磁電極對LTVS開斷能力的提升效果隨電流頻率變化；LTVS的開斷特性受觸發材料種類影響明顯，NaCl、KCl、TiH2和Ti+KCl幾種材料中，熱傳導能力最佳的Ti+KCl開斷特性最差，開斷頻率1.4kHz，峰值2.6kA的電流所需時間約為7ms。研究結果可為LTVS產品設計提供參考。
隨著我國脈沖功率技術的快速發展及脈沖功率裝置容量的不斷增長，研制性能更優的脈沖功率開關器件成為目前脈沖功率領域的關鍵課題之一。激光觸發真空開關（Laser Triggered Vacuum Switch, LTVS）是一種綜合了脈沖激光與觸發真空開關技術特點的新型脈沖功率開關。
相較于傳統的利用沿面擊穿或場畸變方式產生初始等離子體的電觸發真空開關，LTVS利用高能脈沖激光與觸發材料的相互作用產生大量初始等離子體，簡化開關及觸發系統結構的同時可大幅提升其工作可靠性，更具有導通時延短、觸發精度高、使用壽命長等諸多優勢。
自1973年前蘇聯A. A. Makarevich等利用激光觸發導通真空短間隙以來，國內外學者對LTVS的性能提升及推廣應用進行大量工作。
- 美國Sandia實驗室的P. J. Brannon等對比了數千種觸發材料LTVS的導通時延特性，認為Ti與KCl的混合粉末更適合用于LTVS。
- 日本的A. Sugawara等對比了不同電極材料對LTVS的導通性能的影響。
- 華中科技大學何正浩等針對多棒極型激光觸發真空開關導通性能及觸發機制進行研究，其研制的多棒極型LTVS耐壓為26kV，導通時延低至17ns。
- 大連理工大學廖敏夫等比較了不同觸發材料激光觸發真空開關的壽命劣化特性，認為LTVS可靠性的降低主要是由于電弧對觸發材料燒蝕作用。
此前關于LTVS的研究大多關注其導通性能提升和使用壽命優化，針對其開斷能力的研究相對較少。結合LTVS的工作過程，激光熱燒蝕觸發材料導通真空間隙后，高溫真空電弧對觸發材料亦存在強烈熱作用，燃弧及弧后階段觸發材料釋放的帶電粒子會在一定程度上影響間隙介質強度恢復，因此LTVS的重頻開斷特性受真空電弧與觸發材料共同作用。
考慮到電磁炮、電力系統保護等領域對觸發開關重復工作能力需求，本文統計不同條件下LTVS的完全開斷時間，研究其重頻開斷特性。
LTVS的開斷性能主要取決于電弧對觸發材料的熱作用。與電弧特性有關的電流頻率、電流幅值及工作電壓等電路參數和電極結構、觸發材料種類等結構參數均會影響LTVS的開斷特性。本文基于可拆卸真空腔體搭建實驗電路，改變電流頻率、電流峰值、工作電壓、電極結構和觸發材料種類等因素，對比不同電路參數和觸發材料下LTVS的完全開斷時間差異，討論電弧參數對其重頻開斷特性的影響，分析開斷過程中真空電弧與觸發材料的相互作用，為高性能LTVS產品的設計提供參考和建議。
圖1 LTVS重頻開斷實驗電路
結論
本文通過改變影響電弧特性的電路參數和內部結構參數，研究不同電弧參數對LTVS重頻開斷特性的影響，得到以下結論：
- 1）LTVS完全開斷振蕩電流所需時間隨電流峰值、工作電壓的增加而上升，隨電流頻率的增加而縮短；但電流頻率的增加會降低LTVS的開斷能力。
- 2）中低頻條件下，縱磁電極LTVS可獲得短于平板電極LTVS的完全開斷時間；但開斷高頻電流時，縱磁電極難以形成有效的磁場以調控電弧運動，對LTVS開斷能力的提升效果有限。
- 3）電流過零時電弧高溫對不同觸發材料熱作用效果不同，影響LTVS的完全開斷時間和開斷能力。NaCl、KCl、TiH2、Ti+KCl幾種材料中，TiH2材料的開斷性能最佳，可在2ms內開斷峰值2.6kA、頻率1.4kHz的振蕩電流；Ti+KCl材料良好的熱傳導能力雖有利于開關的導通性能提升，但不利于LTVS快速開斷高頻電流。
