高库仑量沿面闪络真空开关的机理研究及其应用

开关技术是电工学科"脉冲功率与放电等离子体"十二五重点优先发展领域的核心技术之一。随着强激光、电磁发射等发展的需求，高库仑量、长寿命、快放电等相互制约的技术难题已成为脉冲功率系统发展的瓶颈。本项目拟从影响沿面闪络真空开关初始载流子的形成与扩散因素开展理论与实验研究，探索开关初始等离子体的电荷收集方法，定量表征真空开关的初始等离子体密度；研究触发方式、触发器、触发技术、偏置电压对初始等离子密度和扩散速度、开关放电时延的影响规律，建立真空开关导通的数理模型，阐释真空开关导通的机理。建立基于热力学运动方程的热传导模型，研究开关电弧对电极、触发器及器壁材料的侵蚀规律，提出优化电极和触发器的结构和材料，解决沿面闪络真空开关高通流容量和使用寿命相互制约的技术难题。在理论和实验研究基础上，研制高库仑量沿面闪络真空开关试样，建立真空开关稳定性和寿命验证实验平台，形成高库仑量沿面真空开关的设计理论。

随着输配电、电子与通信、航空航天及国防领域的重大应用需求，高库仑量、长寿命等相互制约的难题已成为脉冲电源系统发展的瓶颈。本项目拟围绕触发真空开关初始载流子的形成与扩散开展理论与实验研究，解决高库仑量、高性能触发真空开关的关键技术难题。主要研究成果包括以下几方面：.1）针对Faraday 杯和Langmuir 探针测量等离子体影响真空开关电场分布的难题，提出了利用触发真空开关的其中一个主电极作为初始等离子电荷的收集极板，研究获得了初始等离子体的特征，据此提出并设计了阻容传感器的真空开关初始等离子体测量方法，解决了密封触发真空开关初始等离子体准确测量的技术难题。.2）研究了触发真空开关初始等离子体的产生与扩散受触发介质、触发脉冲电流、偏置电压和真空度的影响规律，发现由高介电常数的电介质材料组成的沿面闪络触发器可以显著增加触发真空开关初始等离子体的电荷量；得出提高触发脉冲幅值和陡度不仅可以增加初始等离子体总电荷量，而且还可有效提高初始等离子体单位时间发射电荷量和发射比率。.3）建立了触发真空开关初始等离子体的扩散模型，研究了初始等离子体的扩散速度与触发电流、电极直径以及发射角之间的关系，阐释了初始等离子体与真空开关放电时延和抖动之间的内在规律，发现提高单位时间内向真空间隙注入的初始等离子体电荷量，可以有效缩短触发真空开关的导通时延和抖动。.4）建立了基于热力学运动方程的触发真空开关的热传导模型，研究脉冲电弧对触发真空开关电极材料的侵蚀规律，形成了高库仑量、高性能的触发真空开关的设计理论。在理论与实验基础上，开发了密闭式和动态、在线可调控的高库仑量、高性能触发真空开关，彻底突破了放电开关耐压低、触发工作范围小、触发稳定性差、放电时延长和使用寿命短的技术难题，研制电压等级10-200kV、单次通流量100C、可重复使用的高库仑量触发真空开关，其技术指标达到了国内外先进水平。.5）以高库仑量、高性能触发真空开关为核心技术之一，研发的雷电流测试系统在输配电过电压防护的雷电流试验、大飞机雷电直接效应试验中获得应用，满足了国际电工委员会等标准规定的试验要求。.6）研制开发了适合大飞机的复合分量雷电直接效应测试技术和专用装备，于2015年11月23日通过了教育部组织的成果鉴定，鉴定意见为“整体达到国际领先水平”。