軸向磁場控制的旋轉電弧開關及其電弧運動的研究.pdf

1、開關是脈沖功率技術中的關鍵元件之一，開關的特性直接決定了脈沖功率系統(tǒng)的性能。氣體放電開關作為大電流閉合開關的一種，在脈沖功率系統(tǒng)中得到了廣泛的應用。此類開關一般在高電壓、大電流條件下工作，在開關導通過程中會產生高溫電弧，電弧與電極之間的相互作用直接影響到開關的特性和使用壽命。本文針對開關在大電流、高庫侖量工作條件下電極燒蝕小、長壽命的要求，設計研究了一種軸向磁場控制的旋轉電弧開關，并對其中的電弧運動特性進行研究。
　　 首先介紹

2、了該軸向磁場控制的旋轉電弧開關的原理及結構設計，此開關通過使電弧運動，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，從而達到減小電極燒蝕，延長開關使用壽命的目的。開關的結構設計具有以下幾個特點：開關電極采用同軸圓柱結構，電極形狀經過優(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；電流流經內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；在開關上下分別設置一組線圈，當開關通過電流時，該線圈產生類似磁鏡

3、位形的磁場結構，在開關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行了開關的大電流實驗，目前開關通流能力達到峰值電流250kA，單次轉移電荷量745C，開關電極燒蝕輕微。
　　 為研究開關中電弧的旋轉運動，采用B-dot探針法進行測量。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行了分析，結果表明，電弧方向對探針信號波形的影響最大，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行了電弧測速實驗，電流波形采用近似梯形波。根據測速實驗結果，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-低速的轉變過程這兩個現象；對不同

5、電流、不同線圈匝數下多次測速實驗的結果數據進行擬合得到了適用于此開關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強度唯一確定，且為指數關系；當線圈匝數為2匝時，電弧在起始階段出現停滯現象。
　　 借鑒鏈式模型對開關中的電弧運動過程進行了建模和仿真。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行設置和計算，所有電流元的運動就構成了整個電弧的運動。考慮弧根特性，引入