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1、吉瓦百千安级冲击放电电弧的冲击波超压作用分析在许多先进的脉冲功率工程应用中,开关是其中重要的组成器件之一,它通常限制着整个系统的通流等级。两电极气体开关具有优异的电气性能和热稳定性是多种高能脉冲功率应用开关的合适选择之一。系统运行一段时间后,需要维护或更换开关,在复杂的电路中既费时又昂贵。以往人们重点关注的都是开关电极在大电流电弧作用下热力学的烧蚀问题,但对放电电弧引起的开关内生电弧作用力及其传递过程缺乏研究。对于吉瓦-百千安级放电应用场景来说,冲击放电电弧会产生巨大的冲击力,可能会直接造成开关的裂解,或者在长期、重复地放电工作后引起开关结构的疲劳损坏。缺乏对电弧的力学分析将会使单一结构开关的
2、通流能力受到限制,不能满足更大能量转移的要求。本文研究大电流冲击放电电弧的冲击波超压作用。以吉瓦-百千安级气体开关为例,基于等离子通道热力学平衡和冲击波物理理论,分析大电流冲击放电电弧诱导的电弧冲击波的产生过程。研究讨论了由爆炸波理论和电弧通道能量平衡方程求解电弧通道膨胀过程中产生冲击波的能量转化特点,给出电弧通道能量不再转化为冲击波的分界点。参照电容储能型脉冲泵浦电源中流过气体开关的冲击放电电弧电流参数,搭建仿真电路模拟电流峰值、上升率等不同参数的放电电流,计算比较不同电流波形的冲击放电电弧产生的冲击波超压发展曲线。分析计算表明,冲击放电电弧膨胀过程中产生的冲击波超压与电弧电流上升率(di/dt)密切相关,冲击波超压会经历先缓慢衰减、后迅速衰减的过程。针对如何改善吉瓦-百千安级气体开关中大电流冲击放电电弧对开关电极的力学作用问; 分析了电弧题,本文计算了大电流冲击放电电弧诱导的冲击波对电极的作用力对电极的电磁力；以及利用COMSOL物理场仿真软件对电弧局部热平衡条件下的温度进行仿真计算,求解电弧周边受热气体对电极的热膨胀压力。理论分析与仿真计算表明,气体开关中电弧通道膨胀引起的冲击波超压是开关电极受力的最主要成分。通过调节气体开关的电极间距以及充气气压,能够减少电弧冲击波作用于电极表面的超压。本文的研究可以为更强通流能力的开关研制提供理论依据。
