气体介质对多间隙气体开关电晕均压与自击穿特性的影响
【摘要】 快脉冲直线变压器型驱动源（FLTD）是近年来快速发展的新型脉冲功率源技术，多采用多间隙气体开关作为开关器件。电晕均压措施有利于提升开关击穿性能，但不同气体中电晕放电有显著区别。本文首先研究了空气中针电极对单间隙电晕放电特性的影响，确定了电晕针电极的尺寸，之后研究了N2，CO2，SF6/N2混合气体、C4F7N/N2混合气体中的电晕放电特性，研究了电晕均压6间隙气体开关击穿电压及其稳定性随气体种类和气压的变化规律。实验结果表明，N2中电晕电流较大且不稳定，空气中电晕电流比N2中低，且电晕放电较为稳定，微量强电负性气体加入会极大降低电晕放电电流。当采用空气和N2作绝缘介质时，气体开关击穿电压随气压升高线性增加，但存在低值击穿，微量强电负性气体混合N2可显著提升击穿电压的稳定性。1%SF6/99%N2混合气体在0.18 MPa时，击穿电压约为197.33 kV，标准偏差占击穿电压比例为1.50%，1% C4F7N /99%N2混合气体在0.15 MPa时，击穿电压约为190.42 kV，标准偏差为0.55%。这表明，微量环保替代气体C4F7N与N2的混合气体对于提升多间隙气体开关击穿电压稳定性有显著作用。 关键词: 电晕均压; 多间隙开关; 电晕特性; 自击穿特性 中图分类号: TM85 文献标志码: A doi: 10.11884/HPLPB202032.0358Effect of gas medium on corona discharge for voltage balance andself-breakdown characteristics in multi-gaps gas switchLiu Xianfei， Tang Zhao， Liu Xuandong（SchoolofElectricalEngineering,Xi`anJiaotongUniversity,Xi`an710049,China）Abstract: The fast linear transformer drive (FLTD) is a new type of pulse power source developing rapidly inrecent years. It usually adopts multi-gap gas switch (MGS) as its primary switch. The corona discharge for voltagebalance was proposed to improve the switch breakdown performance. However, great difference of corona dischargein different gases may exist and affect the performance of MGSs. In this paper, the effects of needle electrode in air onsingle-gap corona discharge characteristics are studied. The size of corona needle electrode is determined. Then, thecorona discharge characteristics in N2, CO2, SF6/N2 and C4F7N/N2 are studied. The breakdown voltage of the 6-gapgas switch and its stability with the gas type and pressure are studied. The experimental results show that the coronacurrent is high in N2. The corona current in air is lower and the corona discharge is stable in air. The addition ofelectric negative gas will greatly reduce the corona current. When air and N2 are used as the switch gas, the breakdownvoltage of the switch increases linearly with the increase of gas pressure, but there is a low breakdown voltagesometimes. When electric negative gas is mixed with N2, the breakdown voltage is significantly higher. When thepressure of 1%SF6/99%N2 mixed gas is 0.18 MPa, the breakdown voltage is about 197.33 kV and the ratio of thestandard deviation to the breakdown voltage is 1.50%.When 1% C4F7N/99%N2 mixed gas is 0.15 MPa. Thebreakdown voltage is about 190.42 kV, and the standard deviation is 0.55%. This indicates that the mixed gas ofC4F7N and N2 has a significant effect on improving the breakdown voltage stability of multi-gap gas switch.Key words: corona discharge for voltage balance; multi-gap gas switch; corona characteristics; self-breakdown characteristics * 收稿日期:2019-09-16; 修订日期:2019-12-20基金项目:国家自然科学基金青年基金项目（51207127）作者简介:刘现飞（1997-），男，硕士研究生，从事脉冲功率技术的研究;liuxianfei2015@stu.xjtu.edu.cn。025012-1强 激 光 与 粒 子 束脉冲功率技术经过几十年的发展，如今在医学、环保、工业、材料等众多领域都有着十分广泛的应用[1]。快直线变压器型驱动源技术（FLTD）是近年来得到快速发展的一种新型脉冲功率结构，多种FLTD模块结构或者概念模型也被陆续提出[2-4]，相关技术发展也越来越成熟[5-6]。而制约FLTD发展的一个很重要的因素就是其内部所需的数量庞大的开关。开关的性能直接决定了FLTD的性能。而FLTD为了要实现电压的叠加输出，需要其内部的所有开关相互独立工作，严格按照固定时序导通，因此要求各个开关必须非常可靠，在其工作电压下要有很低的自击穿概率。多间隙开关凭借其结构简单、传导脉冲电流大、工作电压高、击穿电压相对比较稳定等特点，在FLTD中有着非常广泛的应用[7-8]，但是传统的多间隙串联开关各个间隙之间主要是靠绝缘子的表面电阻进行电压的分配，容易造成电压不均。俄罗斯托木斯克强流电子学研究所（HCEI）提出了在多间隙开关中利用针电极电晕放电产生的电晕电流来进行强制均压的方式[9]，使串联间隙的电压均匀分布，降低击穿电压的分散性[10]，改善开关性能。国内外的一些学者对电晕均压气体开关技术进行了研究，A. Kim等学者[10]研究发现电晕针的加入并未使单间隙击穿电压发生明显降低，西北核技术研究所姜晓峰等学者[11]实验发现在干燥空气工作介质0.1 MPa到0.25 MPa间的各个工作点下，开关击穿电压分散性较之无均压措施的开关明显降低，开关在0.4 MPa，±100 kV的工作条件下，自击穿的概率在1×10-4以下。这表明电晕均压是一种有效的均压方式，但是仍需通过进一步研究确定电晕针尺寸最优配置，同时能否通过气体介质的合理选择，进一步提升电晕均压特性和自击穿特性，还有待进一步研究。因此本文针对上述问题，通过空气中针电极对电晕放电特性和单间隙击穿电压的影响，确定电晕针电极的尺寸，进而研究不同气体介质对电晕放电特性，以及6间隙气体开关击穿电压及其稳定性的影响规律。1 电晕均压多间隙开关结构及实验电路多间隙开关结构如图1所示，由2个高压电极、5个中间电极、电晕针、绝缘外壳及气嘴组成，高压电极端盖用于连接外部电路，中间电极通过平头螺钉固定在绝缘筒壁的V型槽内，电极厚度为2 cm。开关共有6个间隙，长度均为5 mm。除正高压电极外，其余每个电极均安装有电晕针，针尖指向正高压电极，针安装处到电极下表面的距离为9 mm。开关中间电极为触发电极。开关的气嘴安装在绝缘外壳的侧面。开关绝缘子由有机玻璃制成，电极端盖和中间电极由不锈钢制成。 单间隙电晕特性实验电路如图2所示，100 kV直流电源通过1.5 MΩ的充电电阻连接到40 nF电容器C，再通过100 MΩ的保护电阻连接到开关间隙。开关两端电压由电阻分压器测量，分压比为30 312∶1，线性度良好。电晕电流由微安表测量，在其两端并联气体放电管（GDT）以保护微安表。多间隙开关自击穿特性实验电路如图3所示，多间隙开关的正负高压电极分别连接到正负充电的40 nF电容C，由±120 kV直流高压电源经20 MΩ电阻充电，负载电阻RL为水溶液电阻。开关两端电压由电阻分压器测量，分压器分压比为8 330:1。Fig. 1 Structure of multi-gap gas switch with coronaneedles for voltage balance图 1 电晕均压多间隙开关结构图 Fig. 2 Test circuit of single gap coronadischarge characteristics图 2 单间隙电晕特性实验电路Fig. 3 Test circuit of multi-gap gas switchself-breakdown characteristics图 3 多间隙开关自击穿特性实验电路025012-2middleelectrodetriggerelectrodecoronaneedleDC40nF+−μAgasgapGDTR1R2MGS40nF40nFresistancedividerRL20MΩ刘现飞等: 气体介质对多间隙气体开关电晕均压与自击穿特性的影响2 电晕均压单间隙电晕特性2.1 针尺寸对电晕特性的影响选取电晕针长度为4，6，8，10，12 mm，电晕针长度为4~8 mm时，电晕针未突出上电极表面，长度增加至10，12 mm时，电晕针将突出上电极表面。选取电晕针的直径为0.7，0.9，1.3 mm，三种直径针对应针尖曲率半径为29，74，217 μm。一个大气压自然空气中不同针尺寸单间隙电晕特性如图4所示，在同一直径下，随针长度增加，电场不均匀程度增加，电晕起始电压降低，电晕电流增大，曲线陡度变大，说明随针长度增加，电晕电流对电压变化更加敏感，在高电压下将会使得电晕均压电流过大。针长度过小时，电晕起始电压高，电晕电流小，也会影响均压效果，所以电晕针长度为6~8 mm较合适。 Fig. 4 Corona discharge characteristics of single gap under different needle size图 4 不同针尺寸下单间隙电晕特性在同一针长度下，随着针直径即针尖曲率半径的增大，其电晕起始电压有略微升高，但差别较小。在针直径为0.7 mm时，间隙电压确定不变情况下，电晕电流存在小幅波动，存在不稳定的情况。同时考虑到随着放电进行，针尖会出现因烧蚀而产生的钝化[11]，所以最终针直径选取0.9 mm，即使针尖发生钝化，曲率半径变大，由于0.9 mm直径与1.3 mm直径电晕针单间隙电晕特性差别较小，此时开关仍可具有均压效果。综上，针电极长度6~8 mm，直径0.9 mm时，具有较为稳定的电晕放电特性，可应用于电晕开关。本文采用长度为6 mm，直径为0.9 mm的电晕针。2.2 气体介质对电晕特性的影响N2作为一种常见的绝缘工作介质气体，也常应用于气体开关中[12]。SF6电气强度高，常被作为绝缘气体应用于各种电力设备中[13]，但SF6 全球变暖潜能值（GWP）很高，有显著的重温室效应[14]，因此常与N2混合使用，同样具有很好的绝缘效果。C4F7N作为一种可能的环保替代气体，其GWP值约为SF6的十分之一，而绝缘强度大约为SF6的两倍，最近几年获得了广泛的关注和研究[15]。干燥空气和CO2两种介质下不同气压单间隙电晕特性如图5所示，电晕电流较低，随气压升高，电晕起始电压升高，电晕电流上升趋势减缓，曲线整体右移。随间隙间电压升高，针尖作为负极首先发生电子崩，产生正负带电粒子，负带电粒子即电子以很快速度移向正电极，正离子则缓慢移向针尖，聚集在针尖附近的正离子增强了尖端附近电场，使得电晕开始发展，而气体介质中二氧化碳及氧气等分子电子亲和能较大，易吸附电子，形成负空间离 Fig. 5 Corona discharge characteristics of single gap under different pressure in air and CO2图 5 空气和CO2中不同气压下单间隙电晕特性025012-34681012140204060801000204060801004mm6mm8mm10mm12mm4mm6mm8mm10mm12mm4mm6mm8mm10mm12mmU/kVU/kVI/μAI/μA020406080100I/μA468101214U/kV468101214101520253035051015202530350.10MPa0.15MPa0.20MPa0.25MPa0.30MPa0.35MPaU/kVU/kVI/μA05101520253035I/μA812162024280.10MPa0.15MPa0.20MPa0.25MPa0.30MPa0.35MPa强 激 光 与 粒 子 束子，同样聚集在针尖附近，削弱电晕层电场，使得空气和CO2介质中电晕发展稳定，电晕电流较小。随气压升高，间隙中电负性分子浓度增大，更易吸附电子形成负空间离子，电晕更加稳定。CO2作为纯电负性气体，用于工作介质时电晕电流低于空气介质。N2介质下单间隙电晕特性如图6所示，电晕起始电压低于空气介质下，电晕电流较大。高气压下氮气中电晕同样存在不稳定现象，即固定间隙电压下，电晕电流存在波动，这不利于电晕均压。N2分子中含有氮氮三键，化学性质十分稳定，电子亲和能几乎为0，很难吸引电子，电晕发展较快。 Fig. 6 Corona discharge characteristics of single gap under different pressure in N2图 6 N2中不同气压下单间隙电晕特性SF6/N2，C4F7N/N2混合气体介质下实验结果如图7所示，混合气体中SF6及C4F7N的体积分数为5%。SF6/N2和C4F7N/N2介质下电晕电流低于N2介质下，电晕电流随电压上升趋势减缓。说明N2中混入少量强电负性气体SF6或C4F7N同样可以使电晕特性变稳定。 Fig. 7 Corona discharge characteristics of single gap under different pressure in SF6/N2 and C4F7N/N2图 7 SF6/N2与C4F7N/N2中不同气压下单间隙电晕特性3 电晕均压多间隙开关自击穿特性对比研究了空气、N2，CO2，SF6/N2，C4F7N/N2下多间隙开关的自击穿电压，混合气体中SF6或C4F7N的体积分数分别为1%，3%，5%。开关最高工作电压约为200 kV。对于每一种气体介质，首先调整气压使开关击穿电压达到200 kV左右，重复放电100次，以研究同一工作条件下自击穿电压的分散性，然后再逐渐降低气压选取工作点，研究不同气压下的自击穿电压。除最高气压外，其余每一个工作条件下重复放电30次。不同气体介质下自击穿电压随气压的变化规律如图8所示。可见，多间隙气体开关的自击穿电压随气压升高，基本呈线性升高趋势。空气下击穿电压略高于CO2，N2下击穿电压高于空气，而SF6，C4F7N的绝缘强度较高，分别为空气的3倍和7倍左右[16]，N2中混入少量SF6或C4F7N之后击穿电压有明显的提升。图9为两种混合气体在混合浓度分别为1%，3%，5%下的击穿电压情况，击穿电压随SF6或C4F7N的体积分数的增大而增大，所以在N2中加入少量SF6或C4F7N可以明显的提高多间隙开关的击穿电压，使其应用于耐压更高的场合。025012-44681012141618200204060800.10MPa0.15MPa0.20MPa0.25MPa0.30MPa0.35MPaU/kVU/kVI/μA020406080I/μA810121416182022242628N2,0.15MPaN2,0.20MPaN2,0.25MPaair,0.15MPaair,0.20MPaair,0.25MPa8121620242801020304050607080U/kVU/kVSF6/N2,0.15MPaN2,0.15MPaN2,0.20MPaN2,0.25MPaSF6/N2,0.20MPaSF6/N2,0.25MPaI/μAI/μA8121620242801020304050607080C4F7N/N2,0.15MPaC4F7N/N2,0.20MPaC4F7N/N2,0.25MPaN2,0.15MPaN2,0.20MPaN2,0.25MPa刘现飞等: 气体介质对多间隙气体开关电晕均压与自击穿特性的影响 对于100次放电的工作点情况，空气介质下，0.27 MPa工作点处击穿点压均值为197.62 kV，击穿电压标准差占均值为1.61%，分散性很小，N2和CO2介质下，0.2，0.3 MPa工作点处击穿电压均值为200.10，191.36 kV，标准差占均值为3.30%，2.59%，分散性相对较大。三种气体介质下均存在低电压击穿点，但是出现概率较低，空气介质与CO2介质中为3%，N2介质中为4%。 含SF6体积分数为1%，3%，5%的SF6/N2介质下0.18，0.16，0.14 MPa工作点处击穿电压均值为197.33，188.09，186.60 kV，标准差占均值为1.50%，1.25%，1.11%，分散性小于空气中的情况。含C4F7N体积分数为1%，3%，5%的C4F7N/N2介质下0.15，0.14，0.12 MPa工作点处击穿电压均值为190.42，193.74，198.40 kV，标准差占均值为0.55%，0.85%，0.67%，分散性最小。两种混合气体介质无低电压击穿点。以SF6为例进行分析，SF6作为强电负性气体，电子亲和能很高，针尖附近电晕放电产生初始电子后，初始电子在电场加速过程中易与SF6分子发生吸附反应;并且SF6气体分子体积较大，即碰撞横截面较大，碰撞反应发生几率也较高。所以开关采用SF6/N2气体介质时，初始电子在向阳极移动过程中会易发生吸附和碰撞，平均自由程较短，很难发展成为高能电子;再加上吸附反应产生的负离子SF6和SF5等会进一步削弱针尖附近电晕层电场，使得放电不易在低电压下转入电子崩阶段，电子电流不存在激增，开关稳定工作。Fig. 8 Distribution of breakdown voltage of differentpressures in different gas media图 8 不同气体介质下不同气压击穿电压的分布 Fig. 9 Distribution of breakdown voltage of different pressures in mixtures of different mixed concentration图 9 混合气体不同混合浓度下不同气压的击穿电压分布4 结论本文针对不同气体介质下单间隙电晕特性和多间隙开关击穿特性进行了研究，实验结果表明:(1)随着电晕针长度的增加，单间隙电晕起始电压降低，电晕电流增大。针电极长度6~8 mm，直径0.9 mm时，具有较为稳定的电晕放电特性，可应用于电晕开关。(2)空气介质下电晕发展较稳定;N2介质下，电晕电流变大;CO2介质下，电晕电流低于空气介质下;SF6/N2，C4F7N/N2介质下，相比N2，电晕电流大幅降低，说明在N2中混入少量的SF6或C4F7N可以使电晕特性变稳定。(3)空气、N2，SF6/N2，C4F7N/N2介质下开关击穿电压随气压升高而线性升高，CO2介质下在较高气压略有饱和趋势。空气介质下，分散性很小，但存在低电压击穿点;N2和CO2介质下，分散性相对大一些，同样存在低电压击穿点;而在SF6/N2，C4F7N/N2介质下分散性最小，并且无低电压击穿点，这表明，SF6/N2，C4F7N/N2为开关的良好气体介质，特别是环保替代气体C4F7N与N2的混合气体对于提升电晕均压多间隙气体开关击穿电压稳定性有显著的作用。参考文献:[1] 江伟华. 高重复频率脉冲功率技术及其应用: (6)代表性的应用[J]. 强激光与粒子束, 2014, 26:030201. （Jiang Weihua. High repetition rate pulse powertechnology and its application: (6) Representative application[J]. High Power Laser and Particle Beams, 2014, 26: 030201）025012-50.100.150.200.250.3080100120140160180200220240260U/kV5%C4F7N/N25%SF7N/N2N2airCO20.100.120.140.160.180.2080100120140160180200220p/MPaU/kV100120140160180200220240U/kVN25%SF6/N23%SF6/N21%SF6/N2N25%C4F7N/N23%C4F7N/N21%C4F7N/N20.100.120.140.160.180.20p/MPa强 激 光 与 粒 子 束[2][3][4][5][6][7][8][9][10][11][12][13][14][15][16] 周林, 李正宏, 王真, 等. 5 MA 100 ns重频LTD驱动器设计[J]. 强激光与粒子束, 2016, 28:050102. （Zhou Lin, Li Zhenghong, Wang Zhen, et al. 5 MA 100 nsrepeated frequency LTD driver design[J]. High Power Laser and Particle Beams, 2016, 28: 050102） 孙凤举, 姜晓峰, 魏浩, 等. 一种多级串联共用外腔体新结构LTD[J]. 强激光与粒子束, 2017, 29:025001. （Sun Fengju, Jiang Xiaofeng, Wei Hao, et al. Amulti-stage series shared external cavity new structure LTD[J]. High Power Laser and Particle Beams, 2017, 29: 025001） 孙凤举, 姜晓峰, 王志国, 等. 四级串联共用腔体MA级FLTD的设计与仿真[J]. 强激光与粒子束, 2018, 30:035001. （Sun Fengju, Jiang Xiaofeng, WangZhiguo, et al. Design and simulation of four-stage series shared cavity MA grade FLTD[J]. High Power Laser and Particle Beams, 2018, 30: 035001） Zhao Yue, Chen Lin, Zhou Liangji. 216 cables synchronization trigger for linear transformer driver[C]//2014 IEEE International Power Modulator and HighVoltage Conference. 2014: 63-66. Jiang Jinbo, He Mengbing. Design of low inductance, long life capacitor for linear transformer drivers[J]. IEEE Trans Dielectrics & Electrical Insulation, 2015,22（6）: 3555-3559. Kim A A, Kovalchuk B M, Bastrikov A N, et al. 100 ns current rise time LTD stage[C]//28th IEEE International Conference on Plasma Science and 13th IEEEInternational Pulsed Power Conference. 2001: 1491-1494. Mazarakis M G, Fowler W E, Kim A A, et al. High current, 0.5-MA, fast, 100-ns, linear transformer driver experiments[J]. Physical Review SpecialTopics-Accelerators and Beams, 2009, 12（5）: 313-316. Laurent F. Multichannel spark-gap with multiple intervals and pulsed high power generator: GB2438530[P]. 2007-11-28. Kim A, Frolov S, Alexeenko V, et al. Prefire probability of the switch type fast LTD[C]// IEEE Pulsed Power Conference. 2009. 姜晓峰, 丛培天, 孙凤举, 等. 电晕均压多间隙串联气体开关特性实验[J]. 强激光与粒子束, 2016, 28:075009. （JIang Xiaofeng, Cong Peitian, Sun Fengju, etal. Breakdown characteristics of a multi-gap switch with corona discharge for voltage balance[J]. High Power Laser and Particle Beams, 2016, 28: 075009） Sun Hao, Tanaka Y, Wu Yi, et al. Chemically non-equilibrium model of decaying N2 arcs in a model circuit breaker[C]//IEEE International Conference onElectric Power Equipment-Switching Technology. 2016. 陈会利, 徐建源, 李璐维, 等. 不均匀电场SF6/N2混合气体击穿特性的实验研究[J]. 高压电器, 2016, 52（12）:110-115. （Chen Huili, Xu Jianyuan, Li Luwei,et al. Experimental study on breakdown characteristics of SF6/N2 mixtures in non-uniform electric field[J]. High Voltage Apparatus, 2016, 52（12）: 110-115） Guo Can, Zhang Qiaogen, You Haoyang, et al. Influence of electric field non-uniformity on breakdown characteristics in SF6/N2 gas mixtures under lightningimpulse[J]. IEEE Trans Dielectrics and Electrical Insulation, 2017, 24（4）: 2248-2258. 罗运柏, 高占阳, 高克利, 等. 环保绝缘气体七氟异丁腈(C4F7N)的制备技术现状与发展[J]. 高电压技术, 2019, 45（4）:1009-1017. （Luo Yunbai, GaoZhanyang, Gao Keli, et al. Current status and development of preparation technology of environmentally friendly insulating gas(C4F7N)[J]. High VoltageEngineering, 2019, 45（4）: 1009-1017） 周文俊, 郑宇, 高克利, 等. 环保型绝缘气体电气特性研究进展[J]. 高电压技术, 2018, 44（10）:3114-3124. （Zhou Wenjun, Zheng Yu, Gao Keli, et al.Research progress on electrical properties of environmentally friendly insulating gas[J]. High Voltage Engineering, 2018, 44（10）: 3114-3124）025012-6
