軸向磁場控制的旋轉(zhuǎn)電弧開關(guān)及其電弧運動的研究.pdf

1、開關(guān)是脈沖功率技術(shù)中的關(guān)鍵元件之一，開關(guān)的特性直接決定了脈沖功率系統(tǒng)的性能。氣體放電開關(guān)作為大電流閉合開關(guān)的一種，在脈沖功率系統(tǒng)中得到了廣泛的應(yīng)用。此類開關(guān)一般在高電壓、大電流條件下工作，在開關(guān)導(dǎo)通過程中會產(chǎn)生高溫電弧，電弧與電極之間的相互作用直接影響到開關(guān)的特性和使用壽命。本文針對開關(guān)在大電流、高庫侖量工作條件下電極燒蝕小、長壽命的要求，設(shè)計研究了一種軸向磁場控制的旋轉(zhuǎn)電弧開關(guān)，并對其中的電弧運動特性進(jìn)行研究。
　　 首先介紹

2、了該軸向磁場控制的旋轉(zhuǎn)電弧開關(guān)的原理及結(jié)構(gòu)設(shè)計，此開關(guān)通過使電弧運動，增大電極與電弧的接觸面積，減小電弧輸入到電極表面的熱流密度，從而達(dá)到減小電極燒蝕，延長開關(guān)使用壽命的目的。開關(guān)的結(jié)構(gòu)設(shè)計具有以下幾個特點：開關(guān)電極采用同軸圓柱結(jié)構(gòu)，電極形狀經(jīng)過優(yōu)化，使得間隙中的電場分布均勻，保證電弧的起弧點分散在電極表面；電流流經(jīng)內(nèi)電極時從上下兩路分流，保證這兩個電流對電弧的作用力平衡；在開關(guān)上下分別設(shè)置一組線圈，當(dāng)開關(guān)通過電流時，該線圈產(chǎn)生類似磁鏡

3、位形的磁場結(jié)構(gòu)，在開關(guān)間隙處磁場的軸向分量占主要部分，電弧在該軸向磁場的作用下圍繞電極作旋轉(zhuǎn)運動，而徑向分量使得電弧向電極中部即磁場最弱處運動。利用時序放電實驗平臺進(jìn)行了開關(guān)的大電流實驗，目前開關(guān)通流能力達(dá)到峰值電流250kA，單次轉(zhuǎn)移電荷量745C，開關(guān)電極燒蝕輕微。
　　 為研究開關(guān)中電弧的旋轉(zhuǎn)運動，采用B-dot探針法進(jìn)行測量。分析了在三種測試方式下探針的信號波形，通過比較，選擇了其中兩種測試方式進(jìn)行測速實驗。對影響探針信

4、號的各因素如電弧方向、電弧直徑和電流密度分布等進(jìn)行了分析，結(jié)果表明，電弧方向?qū)μ结樞盘柌ㄐ蔚挠绊懽畲?，分析了由此對判斷電弧位置及計算電弧速度帶來的測量準(zhǔn)確性的問題，證明采用B-dot探針來研究電弧運動速度是可行的。
　　 在時序放電實驗平臺上進(jìn)行了電弧測速實驗，電流波形采用近似梯形波。根據(jù)測速實驗結(jié)果，在單次放電過程中，在不同條件下，存在電弧運動速度的變化滯后于電流的變化及電弧運動存在低速-高速-低速的轉(zhuǎn)變過程這兩個現(xiàn)象；對不同

5、電流、不同線圈匝數(shù)下多次測速實驗的結(jié)果數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合得到了適用于此開關(guān)的電弧運動速度公式，即電弧運動速度可以由間隙中的軸向磁感應(yīng)強(qiáng)度唯一確定，且為指數(shù)關(guān)系；當(dāng)線圈匝數(shù)為2匝時，電弧在起始階段出現(xiàn)停滯現(xiàn)象。
　　 借鑒鏈?zhǔn)侥Ｐ蛯﹂_關(guān)中的電弧運動過程進(jìn)行了建模和仿真。該模型將電弧視為若干小電流元鏈接而成，每個電流元都看作圓柱體，其位置、方向和長度等遵循一定的原則進(jìn)行設(shè)置和計算，所有電流元的運動就構(gòu)成了整個電弧的運動。考慮弧根特性，引入