场畸变开关绝缘结构设计与电场数值模拟

詹艳艳,刘晓明,王艳梅,王海生

(1.沈阳理工大学 自动化与电气工程学院,沈阳 110159;2.沈阳工业大学 电气工程学院,沈阳 110870;3.天津工业大学 电气工程与自动化学院,天津 300387;4.沈阳理工大学 信息科学与工程学院,沈阳 110159)

场畸变开关绝缘结构设计与电场数值模拟

詹艳艳1,2,刘晓明3,王艳梅4,王海生1

(1.沈阳理工大学 自动化与电气工程学院,沈阳 110159;2.沈阳工业大学 电气工程学院,沈阳 110870;3.天津工业大学 电气工程与自动化学院,天津 300387;4.沈阳理工大学 信息科学与工程学院,沈阳 110159)

针对重复频率、紧凑型Marx发生器设计一种小间隙场畸变三电极气体开关。最高工作电压60kV,开关主电极间隙5mm,以SF6气体作为绝缘介质。对三电极开关实际工作情况进行电场数值模拟,结果表明,主放电电极边缘椭圆倒角结构可有效增强电场均匀度,增加使用寿命。对开关绝缘支撑设计伞裙结构,仿真结果表明,绝缘支撑可增加主电极电场强度同时降低电极边缘电场强度,保证开关安全可靠稳定工作。

脉冲功率;三电极开关;绝缘;数值模拟

高功率脉冲系统[1]一般包括以下几个部分:初级能源、中间储能系统、开关系统和负载。有些脉冲功率系统还包括脉冲形成系统。其中初级储能系统多使用Marx发生器[2-3],而开关元件则根据系统的要求和放置的位置不同而有所区别。用在Marx发生器中的开关,工作电压在几十到几百千伏,单个开关的放电电流一般小于百千安培、放电时间为微秒量级。由于Marx发生器需要多个开关并联工作还要求其同步性好且导通时间分散性小,因此在两极气体开关的基础上增加一个触发极,用以控制气体开关同步击穿,形成三电极气体开关。

目前国内外学者对三电极气体开关的研究工作主要集中在开关材料、结构及其耐烧蚀性等方面[4-8],触发极多采用针尖状[9],此种方式触发速度较快,但触发寿命被严重限制,进而影响整个开关寿命。本文针对重复频率Marx发生器对开关的要求设计一种电场分布较均匀的三电极气体开关,为增加整体开关寿命,触发极也采用圆板型。绝缘支撑设计为伞裙结构可保证开关安全可靠运行,同时给出开关的物性参数并对其电场进行仿真分析。

1 三电极气体开关物理设计

三电极气体开关设计基本指标:最高工作电压60kV,脉冲峰值电流大于60kA,寿命大于106次。由于对开关寿命要求较高,除需选用抗烧蚀能力强的材料外还必须防止电弧集中于电极的某一点,应使开关电极表面电场分布均匀以增加电极寿命。

1.1 电极形状的选择

常用的气体开关形状有球型、圆柱型、半球头型、平球头型等。在相同气压下,开关内电场分布越均匀击穿电压越高,同时可以增加开关的使用寿命。因此选择电场均匀度最好的平球头型。

触发极的设计是根据场畸变原理,在触发时刻,电场畸变程度越高开关导通时间越小,因此多数触发电极设计为针尖状。但对于三电极气体开关,触发电极烧蚀会改变内部电场结构,影响触发性能,降低使用寿命。由于设计要求优先考虑使用寿命,本设计选择为平板型结构。同时为保证电场的均匀性,对主电极上下极板做椭圆倒角(椭圆长轴6mm,短轴为4mm)。整个三电极气体开关结构示意图如图1所示。

图1 三电极开关电极结构示意图

1.2 电极间距确定

通过提高绝缘气体气压,在一定范围内可以提升击穿电压,但气压过高会导致三电极开关自击穿电压分散性大,使开关可靠性降低,同时对整个封闭腔体气密性要求高,实现难度大。为在较小极间距情况下保证一定工作电压选择绝缘强度较高的SF6气体作为绝缘介质[10]。

对均匀电场分布的气体开关内充入干燥空气或氮气时,击穿电压与气压和间隙乘积的近似关系[11]如下:

(1)

式中:Ub为击穿电压,kV;p为气体压强,0.1MPa;d为电极间距,cm。在均匀电场中,以SF6为绝缘介质间隙的击穿场强约为同等条件下空气间隙的三倍[12]。根据公式(1)计算得到在1～4个大气压下、电极间距为4～6mm时,开关理论击穿电压值与欠压比结果,如表1所示。

表1 不同间距不同气压时开关自击穿电压理论值

由于气体开关自击穿电压具有一定分散性,为保证其不会在小于工作电压时自击穿必须留有一定域度。根据表1可知,2个气压下开关间隙在5mm左右较合适。

1.3 绝缘支撑设计

可靠的绝缘设计是三电极气体开关稳定工作的前提。工程实践研究表明,气体开关失效很大程度上是由于开关绝缘表面发生沿面放电。

绝缘介质表面电场具有切向分量和法向分量,当法向分量较大时,介质表面各处的电场强度差异较大,沿面放电电压很低,易由局部的沿面放电形成沿面闪络,闪络放电通道温度较高,足以损毁绝缘表面,造成开关失效。

基于以上分析,本设计选择12个聚四氟乙烯绝缘支撑与整个电极紧配合,减小电极间接触电阻和电感。同时在绝缘支撑表面设计伞裙结构(半径比支撑柱主体大0.5mm,两两间隔0.5mm,伞裙宽度为0.5mm)以增加爬电距离,提高沿面闪络电压,防止绝缘击穿。

1.4 三电极开关整体结构

由于三电极开关放置于紧凑型Marx发生器中,对三电极气体火花开关的物性参数有其特殊的要求,经计算具体参数如下:上下极板中心电极直径均为80mm、高度为5mm;中间触发极板直径142mm、厚8mm;两极板中心电极与触发电极极间距从2.8～5.3mm气隙可调,材料为不锈钢304。开关模型剖面如图2所示。

图2 三电极气体开关模型剖面图

2 基于有限元法的电场计算与分析

2.1 物理数学模型

由静电场基本方程可得出在各向同性、线性介质中电位φ满足泊松方程Δ2φ=-ρ/ε,当场域中无空间电荷时满足拉普拉斯方程Δ2φ=0,其中:Δ为拉普拉斯算子;ρ为自由电荷密度;ε为介电常数。

在不同介质分界面上,场量满足边界条件

(2)

(3)

式中,Ω为φ的定义域;Γ为定义域的闭合边界。则整个计算场域内变分问题方程即可表示为

(4)

令F(φ)对φ的导数等于零,就可得到线性代数方程组:

Kφ=0

(5)

上式中,系数矩阵K又称为刚度矩阵,利用边界条件,可求出每个节点的电位。由电位即可求电场强度等物理量。三电极气体开关物理模型如图3所示。

图3 三电极气体开关物理模型

2.2 电场分布

二维和三维电场计算边界条件设置:两个大气压下,主电极电压分别加载为±84.93kV,触发极与实验密封腔外部接地。取SF6气体介电常数1.0024,绝缘支撑材料为聚四氟乙烯,介电常数为2.55。

在三电极开关正负极板加载电压为±84.93kV,触发极接地时,密封腔内电位分布如图4所示。

图4 电位分布

重复频率Marx发生器用三电极气体开关对寿命要求较高,开关导通时,击穿通常会发生在电极表面曲率半径小的区域,反复击穿后该区域烧蚀将会严重影响开关寿命。因此针对开关主电极边缘圆倒角和椭圆倒角两种情况进行电场分析,结果如图5所示。

图5 三电极开关电场分布(无绝缘)

主电极边缘为圆倒角时最大电场强度值为2×107V/m,椭圆倒角时最大电场强度值为1.86×107V/m,在相同电极尺寸下,最大电场强度小的电场分布越均匀,显然主电极边缘采用椭圆倒角时击穿区域更大,开关寿命越长。

对三电极开关实际工作情况有绝缘支撑时进行电场仿真,结果如图6所示。

图6 三电极气体开关电场分布(有绝缘)

有绝缘支撑时,主电极最大电场强度值为1.95×107V/m,比无绝缘支撑时电场强度略大。有绝缘支撑时电极边缘电场强度为1.3×107V/m,无绝缘支撑时电极边缘电场强度为1.39×107V/m。有绝缘支撑时边缘电场强度略小于无绝缘支持时电场强度值,可进一步防止此区域发生击穿。

由绝缘支撑表面电场分布可知,伞裙内部最大电场强度值为0.853×107V/m。聚四氟乙烯击穿场强为100kV/mm,远远大于伞裙内部电场强度值,可保证绝缘不会被击穿。

3 结论

设计一种应用于可重复频率、紧凑型Marx发生器的场畸变三电极开关,给出具体结构尺寸。针对开关工作情况进行静电场仿真分析。结果表明,主电极边缘椭圆倒角时电场分布更均匀,可增加开关使用寿命。

对绝缘支撑的电场仿真分析表明,开关在有绝缘支撑时可增加主电极内部电场强度,减小电极边缘电场强度,有利于保证击穿在主电极内部区域发生。同时针对主电极加载电压为±84.93kV时,聚四氟乙烯绝缘强度足以保证其不会被击穿,符合设计要求。

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(责任编辑：马金发)

DesignoftheThree-electrodeGasSwitchInsulationStructureandElectricalFieldNumericalSimulation

ZHAN Yanyan1,2,LIU Xiaoming3,WANG Yanmei1,WANG Haisheng1

(1.Shenyang Ligong University,Shenyang 110159,China;2.College of Equipment Engineering,Shenyang University of Technology,Shenyang 110159,China;3.School of Electrical Engineering and Automation,Tianjin Polytechnic University,Tianjin 300387,China)

A small gap three-electrode gas switch used in repetition frequency for compact Marx generator was designed.The Maximum operating voltage of this switch is 60kV.The main electrode gap is 5mm.And the switch uses the pure SF6as insulating medium.The electric field of the three-electrode gas switch in the actual working conditions is simulated.The results show that the main discharge electrode edges chamfered oval structure can effectively enhance the uniformity of the electric field,increase the service life.The insulating support surface is designed for the switch.The simulation results show that the insulating support can increase the electric field strength of primary electrode while reducing the electric field strength of the electrode edge,and ensure safe,reliable and stable operation of the switch.Keywordspulsed power;three-electrode gas switch;insulation;numerical simulation

2016-12-05

国家自然科学基金资助项目(51377106)；沈阳理工大学重点学科开放基金

詹艳艳(1981—)，女，讲师，研究方向：高电压与绝缘技术、脉冲功率技术。

1003-1251(2017)04-0007-04

TM854

A