不同磁场下激光触发真空开关开断能力研究

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目前脉冲功率技术对开关设备导通及开断性能指标的要求更加严苛,研制出综合性能优良的脉冲功率开关势在必行。作为一种新型脉冲功率闭合开关器件,激光触发真空开关(Laser Triggered Vacuum Switch,LTVS)结合了TVS与LTGS的技术特点与优势,采用短脉冲激光作用靶材以产生初始等离子体来导通真空间隙,凭借其导通时延及抖动小、触发可靠性高、使用寿命长等优越性能已经在电磁发射技术、电力系统保护等领域得到一定应用,并且展现出巨大的发展前景。鉴于此前对LTVS的研究大多关注在触发特性及其导通性能的优化,而对于其开断性能的相关研究较少。本文首先基于TVS开断过程探讨了LTVS开断机理,分别概述了电极自生磁场及外加磁场对真空电弧的作用机理,并通过SolidWorks软件依次建立横、纵磁电极三维模型,采用Ansoft Maxwell软件对其进行了电磁场仿真分析,结合电磁场仿真结果,探讨并分析了磁场对LTVS开断能力的影响。其次,基于可拆卸真空腔体搭建LTVS开断实验平台,选用杯状纵磁电极和万字型横磁电极,考察电极间距、电流频率及极性配置方式、触发材料在不同电极自生磁场下对LTVS开断能力的影响。实验结果表明,横磁电极LTVS的开断能力明显优于纵磁电极;LTVS开断能力随着电极间距的增大逐渐降低,且横磁电极LTVS开断能力受电极间距影响更明显;受触发材料影响,靶材为KCl+Ti混合材料且开关为正极性时,电流频率增大会显著减弱LTVS开断能力,而负极性时,频率变化对开断能力并无明显影响;极性配置方式对LTVS开断能力的影响取决于触发材料特性,不同极性配置下,电流过零时较为活跃的触发材料释放的带电微粒会在不同程度上影响LTVS开断能力。最后,研制脉冲磁场发生器,向纵磁电极LTVS施加大小、方向及施加时刻均可调的脉冲磁场,对不同外加磁场下其开断能力展开初步实验研究,为进一步提升其开断能力提出合理的磁场调控策略,结果表明电流过零时刻附近施加一定磁场强度的脉冲TMF可提升开关开断能力。
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