石墨型高能气体开关的寿命预测与试验验证

石墨型高能气体开关的寿命预测与试验验证

0能源模块组成强大的激光能源系统是未来新能源获取的一种可行方式。2009年初投入运行的美国国家点火装置(naitionalignitionfacility,NIF)系统就是实现这类目的的大型工程。能源模块是强激光能源系统最重要的单元模块之一,作为一种典型的高能脉冲功率装置,它以多组并联运行的方式为能源系统放大器中的脉冲氙灯负载提供符合一定要求的脉冲波形,使激光光束在放大器中得到高功率能量增益开关元件在能源模块中占有特殊的地位,这是因为开关元件的参数和特性会对脉冲波形的上升时间、幅值等产生最直接、最敏感的影响。高能脉冲装置用的开关元件有引燃管、气体开关、半导体开关、磁旋弧开关等开关元件的使用寿命直接关系到设备是否可长期可靠运行。对于大电流高电压的高能脉冲开关而言,影响其使用寿命的主要因素是电极的烧蚀1封闭闭体封闭腔如图1左侧部分所示,石墨型两电极气体开关采用同轴结构,使强磁场力得到平衡以减小振动并保证火花通道处于电极中轴区域。主体零件只含阴、阳极2个主电极(使用高纯石墨材料制备)、上金属电极座、下金属电极座、绝缘支撑外壳和绝缘拉杆等部分。上、下金属电极座和绝缘支撑外壳共同构成一个封闭的腔体,内充干燥空气。下电极座上分别开有一个进气嘴和一个出气嘴以便进行充气和换气作业。对开关电极部分结构的放大效果图如图1右侧部分所示。石墨电极的使用寿命在此型结构中实际由A、B两个区域的烧蚀情况决定。A区域是上、下这一对石墨电极各自相对的电极面,构成气隙;B区域是石墨电极与其金属电极座安装紧固后的电接触面。本文主要针对A区域的寿命问题进行分析。2气体间隙间的等电式设计两电极气体开关通常采用指令性触发导通模式工作。触发指令是由一个高压脉冲装置(如脉冲变压器、Marx发生器、点火线圈等),产生的一个上升时间较短、峰值电压很高的脉冲波。两电极气体开关的上、下石墨电极共同构成一个气体间隙。当触发指令产生的触发脉冲施加到气体开关间隙后,只要这个气体间隙的某个地方出现一个有效电子,就可使间隙触发击穿。如果放电点的位置能随着有效电子出现点的位置变化,随机均匀分布在整个电极表面,这种表面形状的电极寿命和触发特性将是最好的;否则,开关导通时的电弧起弧点就可能集中于电极表面的某些地方,多次导通之后,将严重烧蚀电极局部,不利于延长电极使用寿命。因此,对于要长期运行的石墨型两电极气体开关,外施直流高压后,气体间隙间应该能等效为一个平行板均匀电场,即石墨电极彼此相对的面应该为电场强度处处相等的等电场面。实现等电场面的办法主要是对电极轮廓外形进行优化设计。理论上,最优的解决方案是所谓波尔达轮廓线(BordaProfile)形状的电极,它能够使气体间隙中间和边缘各点场强处处均等。波尔达轮廓线的电极边缘形状近似为椭圆线,必须借助计算机辅助设计技术实现3石墨电极的等效模型在气体开关放电过程中,放电电极表面会被电弧加热而升温,若有足够多的能量沉积到电极材料中,会使电极材料温度不断升高直至熔点或沸点,熔化或蒸发的电极材料会脱离电极表面,这个过程被称为电极烧蚀。电极烧蚀包括电极加热过程和电极去除过程。从能量角度来看,阳极上获得的能量主要是由电子轰击所传递,阴极上所获得的能量主要由正离子轰击传递。只要放电时间足够,正离子加速,通常阴极上的烧蚀比阳极严重。无论是阳极还是阴极,Donaldson等人认为电极材料的烧蚀体积都可分为2部分式中:假设电极材料的导热系数为λ,密度为ρ,比热容为c,在电弧的热作用下,基于热力学的电极温度T的分布方程式中:a=λ/(ρc)为导温系数;J为电弧功率密度;x为阴极斑点半径;t为导热时间。式(2)的解为式中erfc是互补误差函数。石墨材料与传统金属材料在电弧电流作用下都遵循式(2)的基本规律,烧蚀实质上是温度T升高到电极材料发生物相变化的过程。石墨的烧蚀斑点温度升高之后,只会发生固相至气相的转化(纯石墨升华温度为3650℃),而黄铜、低碳钢、钨铜合金等金属材料烧蚀则首先要发生固相至液相(熔融)相变的过程,即便钨的熔点也只有3410℃,因此从物相变化的温度条件来看,石墨具有比大多数金属材料更好的耐高温性能。另一方面,由于电弧电流形成的洛仑兹力,金属电极熔融物质会形成溅射或抛出,然后又在电极表面冷凝后形成小坑和突起,Watson的液滴溅射模型对此已有分析建立如图2所示电极性能测试电路,电极间距为0.8cm,置于空气中。电容器充电压至15kV,由Marx发生器触发,通过调整放电回路RLC电气参数产生一个峰值电流为40kA、脉宽约320µs的临界阻尼放电电流波形。分别对某型纯石墨电极样品和W80型钨铜合金电极样品以10min一次的频率连续放电100次,然后使用Nikon的Eclipseme-600P显微镜观察阴极表面状态。图3给出了2种阴极表面放大1000倍的局部显微照片,可见石墨阴极表面较钨铜电极表面烧蚀均匀,钨铜阴极表面会出现颗粒状突起(照片中亮点处)。这是因为,石墨烧蚀过程中大部分升华的气态物质极易和空气中的氧发生反应形成不可能冷凝的CO4样品的制作和交叉化烧蚀速率(erosionrate)用于定量描述在一定能量的放电条件下电极烧蚀的体积或质量的大小。早期对烧蚀速率的研究多集中于传统金属电极及其工作环境近年来在特种高能脉冲放电开关的研究过程中,Donaldson、Hagler和Kristiansen等人对石墨的烧蚀速率进行了大量试验研究转移电荷量的理论表达式为Q=∫i(t)dt,i(t)为通过气体开关的脉冲电流时间函数。对于电容性储能且放电回路参数满足临界阻尼的电路来说,Q=CU,U为电容充电电压。如果用储能等级W表示Q,则有Q=2W/U。石墨材料的烧蚀速率可以实测。石墨的密度相差不大,通常都在1.8g/cm设计如图4所示的电极结构代替图2中的测试电极,选取电极端面直径为3.6cm,极间间隙距离为0.8cm。改变图2中电容器的容量或充电电压,则可以产生不同的Q值。对某厂3种不同标号的石墨型材G1、G2、G3各制作10个电极样品,每个样品在每个Q(Q=26.4,35.2,44.0,52.8C)值下放电n(n=100)次;然后依图4中A-A′线切割阴、阳电极(目的是避免金属夹具与石墨间的电接触熔焊误差),并用精度为0.01g的天平测量2个切割体的共同质量石墨G1、G2、G3的部分出厂物理属性如表1所示。实测得到的烧蚀速率分别为δ5气体间隙的变化由前面的分析可建立石墨型气体开关的电极寿命模型。气体开关的电极几何模型如图5所示。由于气体间隙间是等电场,因此可以认为电极发生放电的有效面积是一个等效半径为r的圆,电极放电后发生烧蚀的区域面积为S=πr石墨电极每使用一次所损失的质量∆m可以表示为石墨材料的密度用ρ表示,由于石墨烧蚀只有气相和固相的转化,结合式(1),有式中∆V为每次导通放电后石墨电极的烧蚀体积。对于设计成等电场面的石墨电极来说,多次导通后(导通放电次数为N),起弧点在整个电极表面是服从均匀分布的,因此电极表面各点烧蚀的质量损失也服从均匀分布,电极表面因烧蚀造成的高度变化也可认为是均匀的,用∆h表示,则有结合式(6)得∆h意味着两电极开关的气体间隙将变大。假设一个初始状态的、全新的石墨型气体开关的设计气体间隙距离为d气体间隙d的变大将导致开关直流耐压静态特性发生明显变化。能源模块这类大型脉冲功率装置中开关元件的欠压比(工作电压与自击穿电压比值)一般要求在50%,高于50%将导致运行过程中开关的自闪概率增大,低于50%则可能导致开关可靠触发导通概率降低。随着气体间隙d的增大,气体开关的内部气压要作出相应调整以保证欠压比稳定。巴申定律的基本表达形式为U式中:P为气压,kPa;由式(9)和(10),石墨型气体开关的自击穿电压函数可写成:气体开关的dχ值应处于巴申曲线右侧区域,当dχ不是很大(10式中:U由式(11)和(12)可得方程式(13)即为石墨型气体开关的电极寿命函数,简记为对于特定标号的石墨型材、设计好的石墨型气体开关和特定工作参数的能源模块等高能脉冲放电装置,d此时,理论上已知气体开关的导通触发次数,即式(15)可变形为一个一元二次方程,解这个方程就可计算出要保证石墨型气体开关静态特性不变开关内部应该设定的气体压力值。考虑到气体开关内部气压不可能低于101.3kPa(即不能为负压),N次导通后,当气体间隙变大到只有负压才能保证50%欠压比设定值的时候,电极寿命即到终点。由以上分析,给出以导通触发次数计量的石墨型气体开关电极使用寿命判据的数学表达式:式中P对于不同储能等级的装置,每次导通放电的转移电荷量Q也有所不同,式(16)可变为6气体开关内部击穿试验为验证对石墨电极寿命的分析,本文研制了一种结构如图1所示的石墨型气体开关,并应用于1.2MJ储能能源模块进行实测。该型开关涉及电极寿命函数式(14)的主要参数如表2所示。主试验的试验回路如图6所示。主电容器组由80台55µF电容器并联而成,总电容量为4400µF,试验时充电至23.5kV实现1.2MJ储能;阻尼电感共40只,每只电感为73µH,电阻为124mΩ;泄能单元等效电阻为2.67kΩ;负载为2组并联电阻,每组为0.1Ω。Marx发生器产生一个峰值为100kV、上升时间约30ns触发脉冲来导通石墨型气体开关。磁开关本质上是一个饱和电抗器,其主要作用是利用其磁芯的B-H曲线实现在Marx的触发脉冲触发导通气体开关这段时间内呈现高阻开断状态,防止Marx发生器的触发高压破坏后续器件。测量其中一组负载电流的电流传感器为Pearson公司的Model4427及10倍衰减探头。实测得到的主回路脉冲电流波形如图7所示,总电流峰值约为15.6×1000×10×2=312(kA),脉宽略大于500µs。此时,气体开关的单次转移电荷量为103.4C。在此试验参数条件下,以约20min一次的频率连续进行了1500次试验。试验过程中开关每触发导通一定次数,就进行直流耐压静态试验。检测内容包括两方面:1)利用直流静态耐压间接检测气体开关间隙的变化,即测试气体开关不充高压气(即内压为101.3kPa)时的自击穿电压值,检测仪器为ZGF-120kV/2mA型直流高压发生器。按照正态分布,每个导通次数下对应记录20个测量值,计算该导通次数下的自击穿电压的均值和方差。2)将开关内充高压空气,缓慢调整气压,检测气体开关维持50%欠压比,即U图8给出了检测内容1)中各导通次数下气体开关不充高压气时的自击穿电压均值结果。其中,理论计算值的计算依据为寿命模型原型方程式(13),P=101.3kPa;实际测量的自击穿电压均值散点相应的方差都在4%以内。可以看出,实测值和理论计算值拟合得较好。该图气体间隙静态耐压水平的线性变化在电气性能上反映出本文研制气体开关的气体间隙距离增加是线性的,这也证明了高转移电荷量放电时石墨烧蚀速率与转移电荷量呈线性关系的论述。图9给出了气体开关维持50%欠压比所需充气的开关内部气压的理论和实测值。实线是理论计算,可见,实际测量出各导通次数对应U图8、9的结果表明,本文对石墨电极烧蚀速率的分析和由此建立的电极寿命模型是可以指导实际开关研制和寿命预测的,符合大型脉冲功率装置能源模块的工程应用实际。7石墨电极寿命分析方法1)本文分析比较了石墨电极与传统金属电极在烧蚀特性方面的差异;利用25C以上高转移电荷量放电时,石墨烧蚀损耗与转移电荷量呈线性关系的规律,认为可以用烧蚀速