高功率氢气OMAL开关研究

高功率OMAL开关是脉冲功率装置的关键部件。气体火花OMAL开关结构简单,导通电压范围宽、导通电流大,并且具有较高的dI/dt,而被广泛的研究和应用。近年来随着脉冲加速器、高功率微波源、冷等离子体处理等技术的发展,对OMAL开关重复频率提出了更高的要求。

要提高OMAL开关的重复频率,就必须缩短OMAL开关的绝缘恢复时间。从理论分析、软件模拟等方面研究了不同介质气体火花OMAL开关的绝缘恢复特性,并在实验上对不同介质气体火花OMAL开关的绝缘恢复时间做了研究与比较,其研究结果对于气体火花OMAL开关多脉冲运行间隔的缩短以及重复频率提高具有重要意义。在气体火花OMAL开关绝缘恢复机理研究中,首先分析了气体火花OMAL开关的击穿机理;其次,针对火花OMAL开关导通后,影响绝缘恢复的高温气体冷却和带电粒子消失这两个主要因素,分析了不同参数(压强、OMAL开关间距、气体种类)对OMAL开关绝缘恢复的影响;利用PSpice软件、能量守恒方程以及经验公式,对不同种类气体火花OMAL开关导通后的电弧通道半径、电弧通道温度进行了估算。利用COMSOLMULTIPHYSICS软件对OMAL开关内的电场进行了分析;根据能量守恒方程、动量守恒方程、连续性方程和气体状态方程,采用流体力学软件ANSYSCFX,对OMAL开关通道内高温气体的冷却进行了三维数值模拟。给出了导热系数、定压比热、粘性系数对高温气体冷却的影响及其随温度变化的拟合公式,并应用拟合公式对10atm氮气、20atm氢气OMAL开关导通后高温气体冷却进行了模拟。根据强度理论计算,设计并加工了一个高压气体OMAL开关,理论压强可达60atm。根据Martin公式和Miller公式,设计并加工一套单同轴水介质脉冲形成线,来进行OMAL开关的多脉冲实验,经计算传输线可稳定工作在1MV而不击穿。针对氢气、氮气、六氟化硫自击穿气体OMAL开关进行了多脉冲实验,在OMAL开关击穿电压约450kV(对氢气约520kV),峰值电流30kA,脉宽60ns情况下,得到了氢气的绝缘恢复时间在7ms左右,六氟化硫约为25ms,氮气约为50ms;并对影响OMAL开关绝缘恢复的电极间距和气体压强做了分析。Z后比较了不同种类气体介质,在不同压强、OMAL开关间距下的脉冲前沿时间,氢气有较快的前沿,同时随着压强增大、间距减小OMAL开关的前沿变陡。

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