三间隙激光触发真空开关触发特性研究_宋心哲.pdf

2023 年7 月 电 工 技 术 学 报 Vol.38 No.14 第 38 卷第 14 期 TRANSACTIONS OF CHINA ELECTROTECHNICAL SOCIETY Jul.2023 DOI:10.19595/ki.1000-6753.tces.220949 三间隙激光触发真空开关触发特性研究 宋心哲1 廖敏夫1 卢 刚1 马 汇1 韩小涛2（1.大连理工大学电气工程学院 大连 116024 2.国家脉冲强磁场科学中心（华中科技大学）武汉 430074）摘要 激光触发真空开关在脉冲功率系统中有较好的应用前景，该文设计一种多级激光触发真空开关，由一个激光触发间隙与两个对称的冰壶形电极串联而成，并基于可拆卸真空腔体搭建了激光触发多级真空开关的实验平台。实验研究了不同激光能量、不同工作电压、不同分压比条件下，开关的触发时延特性。实验结果表明，多级开关的触发时延不仅与外部的激光能量以及触发电压有关，也与 3 个间隙之间的分压比有关。随着激光能量和工作电压的增大，开关的导通时延和抖动随之减小。在相同的外部条件下，通过 3 个间隙之间合适的工作参数配合，可以获得更加优化的时延特性。当激光能量为 30 mJ，工作电压为 30 kV 时，分压比为 411 的三间隙激光触发多级真空开关触发时延低至(1673.7)ns。关键词：激光触发真空开关 多间隙串联 分压比 冰壶不锈钢电极 触发特性 中图分类号：TM56 0 引言 激光触发真空开关（Laser Triggered Vacuum Switch,LTVS）是一种以真空为绝缘介质，将脉冲激光技术与真空开关技术相结合的新型脉冲功率闭合开关1。相较于激光触发气体开关，在相同条件下激光触发真空开关能够获得相近甚至更优的时延特性，同时避免气体开关的一系列技术难题。随着脉冲功率技术应用领域不断扩展和系统容量的增长，LTVS 有潜力成为满足更大功率场合的开关器件2。为提升 LTVS 性能，已有学者在探究其更佳的工作条件方面已做出了大量工作。例如，L.M.Harley等设计研制了电极间距为 5 mm，耐压水平为30 kV，通流能力为 15 kA 的 LTVS，开关触发时延达到(703)ns3。为降低真空开关电感，东京大学 M.Watanabe 等设计了多放电通道 LTVS，采用铝电极时开关导通时延可控制在 18 ns 以内（激光波长为1 064 nm，脉宽为 47 ns，激光能量为 165 mJ）4-5。赵岩、廖敏夫等研究了 LTVS 触发稳定性及时延特性，认为 LTVS 的导通是热过程与等离子体扩散过程共同作用的结果，并对降低 LTVS 时延做出了详细的研究6-7。然而受限于真空间隙击穿电压与其电极间距间的饱和作用，现有的真空触发开关电极间距较小且耐压较低，难以满足更高电压等级的脉冲功率装置实际需求。目前，大功率高性能开关器件的研发水平成为限制脉冲功率技术进一步发展的关键问题之一8-9，单间隙 LTVS 在耐压方面难以满足大功率场合的发展要求10。俄罗斯强流电子学所 A.Kim 等研制了堆栈式六间隙气体开关，在 0.05 Hz 频率下成功开关 3.7 万次11；美国 Sandia 实验室 J.R.Woodworth等研制了电感更低的三间隙气体开关12；在多级开关电极材料方面，国内学者亦做出了一些研究13-17。在此之前，大连理工大学研究发现，多个真空短间隙串联时存在静态耐压增益特性，并据此开发出126 kV 多断口真空断路器18。将多个间隙串联可有效提升真空开关耐压水平，克服真空长间隙的饱和限制，为充分利用 LTVS 的性能优势研发大功率高性能的脉冲功率闭合开关，基于 300 kV 激光出发真空开关的设计与研发背景，本文设计一种将激光间隙与多个真空短间隙串联组成的激光触发多级真空 国家自然科学基金（51777025,52177131）和武汉强磁场学科交叉基金（WHMFC202130）资助项目。收稿日期 2022-05-30 改稿日期 2022-08-08 3924 电 工 技 术 学 报 2023 年 7 月 开关（Laser Triggered Multi-stage Vacuum Switch,LTMVS）。本文设计的三间隙激光触发多级真空开关是由一个激光触发间隙与两个自击穿间隙组成的。基于可拆卸真空腔体搭建了激光触发多级真空开关的实验平台，在不同激光能量、工作电压条件与分压比条件下，对三间隙激光触发开关的时延特性进行对比分析，探究影响多触发间隙串联开关时延特性的主要因素，获得高性能多间隙开关工作参数的优化设计方案。1 三间隙 LTMVS 实验平台的建立 基于可拆卸真空腔体搭建的三间隙 LTVS 结构如图 1a 所示，在激光触发间隙（Laser Triggered Vacuum Gap,LTVG）以及级联的自击穿真空间隙（Self-breaking Vacuum Gaps,SVG）两端连接两导电杆，其中，两真空短间隙分别称为上真空间隙（Upper Vacuum Gap,UVG）以及下真空间隙（Lower Vacuum Gap,LVG）。激光器的激光经空间光路照射至靶材，使间隙导通。真空腔体真空度维持在 2105 Pa 以下，LTVG 采用纵磁杯状电极，表面材料为 CuCr50，电极间距为 5 mm，如图 1b 所示；击穿间隙采用双对称冰壶形电极，电极材质为不锈钢，电极间距设为 0.5 mm，如图 1c 所示。LTVG触发材料是配比为 11 的 Ti 与 KCl 粉末制成的复合材料，经充分研磨后填充到阴极中心为 5 mm 的 （b）触发电极（a）三间隙多级开关结构（c）不锈钢冰壶电极 图 1 三间隙 LTVS 实验平台和电极 Fig.1 Test prototype and electrodes of triple-gap LTVS 通孔内，经过足够的压力下压制成型，材料表面激光焦斑面积为 1.1 mm2。实验设置触发材料的表面稍低于电极表面，从而减弱因电弧的烧蚀而对开关的性能造成的影响。Nd:YAG 固体激光器对所输出的脉冲激光进行全反、聚焦，激光经镜片分光、传输后进入真空腔体内部，垂直作用在阴极中心的靶材上，其输出的脉冲激光波长为 1 064 nm，经空间光路传输后激光束到达 LTVG 触发材料表面。三间隙 LTVS 实验电路如图 2 所示。在回路中，C0为 8.9 F 脉冲电容器，RL为 11.85 无感电阻，由 C0、RL组成 RC 电路产生脉冲电压，Ld为回路等值杂散电感（电感值约为5.4 H）。分别在 LTVG、UVG 和 LVG 并联三组高压电阻 R1、R2、R3强制分压，改变各组电阻阻值调整间隙的静态分压比。采用高精度高压探头，即 Pt1、Pt2和 Pt3测量开关电压；脉冲激光信号由光电探测器测量，Tektronix DPO3034 示波器记录实验波形。图 2 三间隙激光触发多级开关实验原理 Fig.2 Triple-gap LTVS test circuit schematic 2 三间隙 LTMVS 导通过程分析 LTMVS 在导通过程中，当激光触发脉冲聚焦到激光触发间隙中的靶材上时，靶材气化产生大量金属蒸气，在强电场作用下形成初始离子体并形成放电通道，由此激光触发间隙闭合。而在自击穿间隙内部形成过电压波使得自击穿间隙在过电压作用下击穿。自击穿间隙上的过电压倍数逐级增加，整个击穿过程是非线性的。在此之后，LTMVS 稳定导通。在三间隙 LTVS 的触发过程中，激光在照射LTVG 的靶材后，会产生大量的初始等离子体，在材料爆炸冲击和间隙电场加速作用下扩散至真空间隙，并与电极碰撞形成初始放电通道使间隙触发。在激光能量为 20 mJ，工作电压为 20 kV，分压比为411 时，三间隙 LTMVS 开关导通波形如图 3 和图 4 所示。第 38 卷第 14 期 宋心哲等 三间隙激光触发真空开关触发特性研究 3925 图 3 三间隙激光触发多级开关导通波形 Fig.3 Closing process waveforms of triple-gap LTVS 图 4 三间隙激光触发开关自击穿间隙导通波形 Fig.4 Breakdown waveforms of triple-gap LTVS 图 3 中，三间隙 LTVS 的工作电压为 20 kV，激光出发能量为 20 mJ。受杂散电容影响，3 个间隙的分压比与设定值之间略有偏差；LTVG 上的电压为 14 kV，UVG 与 LVG 上的电压分别为 3 kV 与2.5 kV。图 3 中，Utri为脉冲激光信号，激光作用 23 ns后 LTVG 被触发，触发间隙 ULTVG开始下降。由于此时开关并未导通，ULTVG以冲击电压形式叠加至级联间隙，USVG快速上升。当 ULTVG下降至零后，级联间隙仍未击穿，ULTMVS开始与 USVG同步上升。在激光作用 201 ns 后，在直流叠加冲击电压下级联间隙被击穿，开关电压开始快速下降使之导通。由于级联间隙等效回路中两间隙杂散参数不同，LVG的电压上升率略低于 UVG，UVG 在激光作用后击穿，即冲击电压作用 160 ns 后 UVG 被击穿，叠加的冲击电压幅值约为 8 kV。UVG 击穿后电极表面发射的电子在其内部快速形成较强的放电通道，使UUVG急剧下降。UVG 电压随后便以更为陡峭的形式叠加到 LVG，使其在 UVG 击穿的 15 ns 后被击穿。LVG 击穿后串联的各间隙均已形成初始放电通道使开关被触发；随后各间隙放电通道逐渐发展稳定，三间隙 LTVS 导通。由以上对三间隙 LTVS 触发导通过程的分析表明，激光触发多级真空开关的触发性能由激光触发间隙的触发时延和串联各间隙的级联击穿时延共同决定。多级开关与单间隙 LTVG 的触发过程相比，级联各间隙的触发过程会更加复杂，各间隙的互相作用也会影响开关性能。由于真空间隙击穿在其 50%击穿电压附近随机分布，且满足 Weibull 分布。在多个真空间隙串联时，存在相对明显的击穿弱点的间隙可在较低电压下发生击穿，从而导致级联间隙的击穿顺序并不稳定。故而 UVG 与 LVG 都有首先被击穿的可能。在激光能量为 20 mJ，工作电压为 20 kV，分压比为 311 时，图 5 为 LTMVS 级联间隙的击穿波形，其中图 5a 中为 UVG 首先被击穿，而图 5b 则是 LVG 先被击穿。（a）级联间隙中 UVG 先击穿 （b）级联间隙中 LVG 先击穿 图 5 三间隙 LTVS 级联间隙的不同击穿波形 Fig.5 Different breakdown waveforms of cascade gaps in triple-gap LTVS 3926 电 工 技 术 学 报 2023 年 7 月 受开关结构布置的影响，UVG 上的电压略高于LVG。在相同电压下，级联的真空间隙中 UVG 的电压上升率稍高于 LVG。在图 5a 中，UVG 击穿后，其等效参数发生改变，导致两间隙的分压产生较为明显的差别，而 LVG 会在陡峭的冲击电压下快速导通，且叠加上升沿冲击电压越陡，导通所需的时间较短。首个自击穿间隙的击穿过程相较于下一个间隙击穿所需的时间相对较长，在级联间隙击穿过程中所占时间比重最大，如图 4 和图 5 中其击穿时延占级联击穿总时延的比例较大。由此可推测，在 SVG中首个真空短间隙被击穿后，剩余间隙会在更加陡峭的叠加上升沿冲击电压下，在相对较短时间内快速击穿。结合上述对三间隙 LTVS 触发过程和 SVG击穿过程的分析可知，在三间隙 LTVS 击穿过程中，首个自击穿间隙的击穿时延在整个开关的击穿时延中所占比重较大。本文三间隙 LTVS 的触发时延定义为脉冲激光信号开始上升至间隙工作电压开始下降的时间差。由上述分析可以得到，激光触发多级真空开关的触发时延可近似等效为各间隙击穿分别在其叠加的最陡冲击电压作用下发生击穿过程的总和。本文定义每组实验所得时延为 tdi，每组实验重复 10 次，取10 次重复实验的平均值为三间隙 LTVS 的击穿时延td，方均差为三间隙 LTVS 的击穿时延抖动 tj，参数的数学表达式分别为 d1dniittn=（1）()2dd1jniitttn=（2）式中，n 为重复实验次数。3 三间隙 LTVS 时延特性的实验分析 3.1 不同激光能量下三间隙 LTVS 的触发时延特性 在工作电压为 25 kV 时，不同分压比设置下，三间隙 LTVS 的触发时延特性随激光能量的变化如图 6 所示。由图 6 中不同分压比对应的不同曲线可以分析得到，在不同分压比下，激光能量的增大对于开关导通时延的影响是不完全一致的。其中分压比为411 时，激光能量的变化对于开关导通时延的影 图 6 不同激光能量下三间隙 LTVS 的触发时延 Fig.6 Trigger delay time of triple-gap LTVS under different laser energy 响最为显著。由此可得，随着主间隙分压比的增大，在相同工作电压下，LTVG 的导通时延随激光能量的增大而减小，且能够为真空短间隙提供陡峭的击穿电压上升沿，从而使开关击穿时延的变化更为明显。在激光能量为 30 mJ 时，分压比为 411 的开关触发时延可达到 200 ns。随着激光能量的增大，LTVG 内激光与靶材的作用强度增大，从而产生了更多初始等离子体，极大地增强了激光间隙内初始放电通道的强度，从而使LTVG 的击穿时延减小。而随着 LTVG 导通速率的增大，电荷更为快速地转移至自击穿间隙，使施加在 SVG 上电压上升沿变得更加陡峭，从而缩短了其导通时间，故而增大激光能量可减小三间隙激光触发多级真空开关的导通时延。而间隙间的不同分压关系能够改变静态工作电压，从而使不同分压比下的导通特性有所不同。因此，增大三间隙 LTVS 的激光能量能够使开关触发时延降低，性能得到改善。3.2 不同工作电压下三间隙 LTVS 的导通时延特性 激光能量为 30 mJ 时，在不同分压比设置下，三间隙 LTVS 的触发导通时延特性随工作电压的变化如图 7 所示。随着工作电压的增大，不同分压比下的 LTMVS的导通时延随之减小。在工作电压为 15 kV 时，分压比为 211 的 LTMVS 的平均时延最短，而随着工作电压一直增大到 30 kV，其时延下降程度最少，这说明触发间隙分压比较高的开关在增大工作电压时触发时延减小的幅度相对更大。由此可得，使三间隙较高分压比可以使触发间隙的绝缘性能得到充分利用，从而提升开关的耐压水平，对开关的实际应用以及性能改善有指导性意义。随着电压的升高，第 38 卷第 14 期 宋心哲等 三间隙激光触发真空开关触发特性研究 3927 图 7 不同工作电压下三间隙 LTVS 的触发时延 Fig.7 Trigger delay time of triple-gap LTVS under different operating voltage 不同分压比的开关触发时延的差异逐渐缩小。在激光能量为 30 mJ，分压比为 411 时，开关的触发时延可控制在 167 ns，时延抖动低至 4 ns。在充足的激光能量下，工作电压的提高可增大各间隙电压，使触发间隙电场强度增大，加快初始等离子体在间隙的运动速度，并使初始放电通道得到增强，从而加速触发间隙和自击穿间隙的导通；激光触发间隙电压的增大也可使在导通过程中叠加至自击穿间隙的电压上升沿更加陡峭，在自击穿间隙内能够快速建立放电通道，从而更加有利于自击穿间隙的快速导通。在激光能量较高时，开关的触发时延受工作电压的影响减弱，使得此时不同分压比的开关触发时延差距相对较小。因此，增大三间隙 LTVS 的工作电压能够有效降低开关触发时延，提高开关性能。4 结论 本文搭建了由一个激光触发间隙与两个自击穿间隙串联的三间隙激光触发多级真空开关，并且通过改变不同工作参数，得到了三间隙 LTMVS 的基本时延特性规律。通过研究，本文主要得出如下结论：1）三间隙 LTVS 的导通触发时延由各间隙导通时延共同决定，并主要受其首个自击穿间隙的时延影响，剩余自击穿间隙可在更为陡峭的冲击电压下迅速导通。2）三间隙 LTVS 各间隙的分压比对开关工作时延有较为明显的影响，分压比的改变会使触发过程中叠加的冲击电压上升率改变进而使开关导通速率产生差异。在激光能量和工作电压较高时，触发间隙拥有较高分压比的开关触发性能相对较好。3）三间隙 LTVS 的触发时延，随着激光能量和工作电压的增大而逐渐降低，即 LTMVS 在较高的激光能量以及工作电压下能够获得更优的触发性能。三间隙激光触发真空开关的触发导通特性可通过增大激光能量、工作电压和改变分压比等方法改善，其中在激光能量为 30 mJ，工作电压为 30 kV，分压比为 411 时，三间隙 LTMVS 的导通时延可控制在(1673)ns。本文的实验研究，可以为更高电压领域下高性能激光触发多级真空开关的研究奠定基础。参考文献 1 Bulygin V S,Sullivan D L,Gahl J M,et al.Laser-triggered vacuum switchJ.Sov.Phys.Tech.Phys.,1975,20(4):561-565.2 樊文芳,何正浩,王英,等.一种激光触发真空开关的触发特性研究J.中国电机工程学报,2015,35(20):5360-5366.Fan Wenfang,He Zhenghao,Wang Ying,et al.Experiment research on the trigger characteristics of a laser-triggered vacuum switchJ.Proceedings of the CSEE,2015,35(20):5360-5366.3 Harley L M,Barnes G A.Low-jitter,high-voltage,infrared,laser-triggered,vacuum switchC/Eighth IEEE International Conference on Pulsed Power,San Diego,CA,USA,2002:900-903.4 Fukushi I,Watanabe M,Hotta E,et al.Characteristics of laser-triggered vacuum switchC/19th Inter-national Symposium on Discharges and Electrical Insulation in Vacuum,Xian,China,2002:511-514.5 Watanabe M,Maehara J,Fukushi I,et al.Behaviour of ablated plasma in laser-triggered vacuum switchC/IEEE International Conference on Plasma Science,Las Vegas,NV,USA,2001:1425-1428.6 赵通,廖敏夫,陈占清,等.不同极性激光触发真空开关触发机制研究 J.电工技术学报,2020,35(15):3341-3347.Zhao Tong,Liao Minfu,Chen Zhanqing,et al.Research on the triggering mechanism of laser triggered vacuum switch with different polaritiesJ.Transactions of China Electrotechnical Society,2020,35(15):3341-3347.7 赵岩,廖敏夫,段雄英,等.激光触发真空开关触发稳定性及时延特性 J.电工技术学报,2017,3928 电 工 技 术 学 报 2023 年 7 月 32(13):178-184.Zhao Yan,Liao Minfu,Duan Xiongying,et al.Laser triggered stability and time delay characteristics of laser triggered vacuum switchJ.Transactions of China Electrotechnical Society,2017,32(13):178-184.8 江伟华.高重复频率脉冲功率技术及其应用:(7)主要技术问题和未来发展趋势J.强激光与粒子束,2015,27(1):16-20.Jiang Weihua.Repetition rate pulsed power tech-nology and its applications:()major challenges and future trendsJ.High Power Laser and Particle Beams,2015,27(1):16-20.9 Savage M E,Austin K N,Hutsel B T,et al.Pulsed power performance of the Z machine:ten years after the upgradeC/2017 IEEE 21st International Con-ference on Pulsed Power(PPC),Brighton,UK,2018:1-6.10 廖敏夫,董华庆,陈占清,等.不同电极激光触发真空开关高频开断能力研究J.高电压技术,2020,46(7):2578-2585.Liao Minfu,Dong Huaqing,Chen Zhanqing,et al.Research on high-frequency interruption capacity of LTVS with different electrodesJ.High Voltage Engineering,2020,46(7):2578-2585.11 Kim A,Frolov S,Alexeenko V,et al.Prefire probability of the switch type Fast LTDC/2009 IEEE Pulsed Power Conference,Washington,DC,USA,2010:565-570.12 Woodworth J R,Fowler W E,Stoltzfus B S,et al.Compact 810 kA linear transformer driver cavityJ.Physical Review Special Topics-Accelerators and Beams,2011,14(4):040401.13 张颖,王景芹,康慧玲,等.金属掺杂 AgSnO2触头材料的仿真与实验J.电工技术学报,2021,36(8):1587-1595.Zhang Ying,Wang Jingqin,Kang Huiling,et al.Simulation and experiment of metal-doped AgSnO2 contact materialJ.Transactions of China Electro-technical Society,2021,36(8):1587-1595.14 南江,刘诚威,夏平安.聚四氟乙烯/纳米碳化硅改性复合材料的制备及其介电特性J.电工技术学报,2021,36(增刊 1):1-7.Nan Jiang,Liu Chengwei,Xia 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obtain similar or even better delay characteristics under the same conditions while avoiding a series of technical problems of gas switches.As the application areas of pulsed power technology continue to expand and system capacity grows,LTVS has the potential to become a switching device for high power applications.In this paper,a multi-gap laser-triggered vacuum switch is designed,including a laser-triggered gap and two symmetrical curling stainless steel electrodes in series.Based on the detachable vacuum chamber,a laser-triggered multi-gap vacuum switch test platform was built,and triggering characteristics of the multi-gap switch were experimentally studied under different laser energies,different operating voltages,and different voltage split ratios.The delay characteristics of the three-gap laser trigger switch are compared and analyzed,the main factors affecting the delay characteristics of the multi-gap series switch are explored,and the optimization design scheme of the working parameters of the high-performance multi-gap switch is obtained.The experimental results show that the trigger delay time of the multi-gap switch is not only related to the external working conditions,but also affected by the working parameters among the three gaps.With the increase of laser energy and operating voltage,the trigger delay and jitter time of the switch decrease.Better time-delay characteristics can be obtained by matching with appropriate working parameters.The on-trigger delay of the three-gap LTVS is determined by the on-delay of each gap and is mainly affected by the delay of its first self-breakdown gap.The remaining self-breakdown gap can be quickly turned on at a steeper impulse voltage.The voltage division ratio of each gap of the three-gap LTVS has a significant impact on the working delay of the switch,and the change of the voltage division ratio will change the rate of increase of the superimposed shock voltage during the trigger process,which will make the switch on rate different.When the laser energy and operating voltage are high,the trigger gap has a higher voltage division ratio,and the switching trigger performance is relatively good.The trigger delay of the three-gap LTVS gradually decreases with the increase of laser energy and operating voltage.That is,LTVS can obtain better trigger performance at higher laser energy and working voltage.The trigger-on characteristics of the three-gap laser trigger vacuum switch can be improved by increasing the laser energy and working voltage and changing the divider voltage ratio.The on-time delay of the three-gap LTVS can be controlled at(1673)ns when the laser energy is 30 mJ,the operating voltage is 30 kV,and the partial voltage ratio is 411.This paper can lay the foundation for the study of high-performance laser-triggered multi-stage vacuum switches in higher voltage fields.Keywords：Laser-triggered vacuum switch,multi-gap in series,voltage ratio,curling stainless steel electrodes,trigger characteristics（编辑 崔文静）