真空觸發(fā)開(kāi)關(guān)(TVS)的基本結構
真空開(kāi)關(guān)是電力系統中的新型開(kāi)關(guān)電器,其特點(diǎn)是利用真空作為主觸頭間的絕緣和滅弧介質(zhì),真空極為優(yōu)異的絕緣強度和息弧能力給真空開(kāi)關(guān)帶來(lái)了很多優(yōu)勢。真空觸發(fā)開(kāi)關(guān)( triggered vacuum switch ,TVS) ,作為真空開(kāi)關(guān)的一個(gè)分支,是在真空間隙和觸發(fā)火花隙技術(shù)的基礎上發(fā)展起來(lái)的。它具有結構緊湊、介質(zhì)恢復迅速、操作無(wú)噪聲、工作可靠性高、環(huán)境適應性強等優(yōu)點(diǎn),因而在大功率脈沖技術(shù)方面得到了廣泛應用 。
TVS 的研究始于上世紀六十年代,美國通用電氣公司的J . M. Lafferty 等,對TVS ,特別是涂敷氫化物作觸發(fā)材料的TVS 做了大量的研究。七十年代,關(guān)于絕緣介質(zhì)和半導體涂層作為觸發(fā)材料的TVS ,印度一些學(xué)者做了大量的試驗。后來(lái),TVS在大功率脈沖技術(shù)、高電壓大電流快速關(guān)合以及電磁發(fā)射等領(lǐng)域中的應用,進(jìn)一步促進(jìn)了TVS 的發(fā)展。TVS 的最高工作電壓可達100kV ,最大工作電流可達200kA ,最高重復頻率在1kHz 以上,最長(cháng)使用壽命達108 次。
TVS 的開(kāi)通過(guò)程本質(zhì)上是電弧燃燒的過(guò)程,而起弧的不穩定性直接影響TVS 的成功開(kāi)通,阻礙了TVS 的進(jìn)一步推廣和使用。本文利用數字存儲和高速攝影技術(shù),記錄了TVS 起弧過(guò)程中的電氣特性和圖像特性,對TVS 應用中的關(guān)鍵問(wèn)題———起弧的穩定性做了相關(guān)的分析。
TVS 的基本結構如圖1 所示,它主要包括一個(gè)絕緣外殼(陶瓷或玻璃材料) 、一個(gè)金屬屏蔽罩、一對相距為d 的主電極和一個(gè)觸發(fā)極,管內真空度一般維持在1.33 ×10-4 Pa 左右。絕緣外殼保證內部空度,同時(shí)起絕緣和支撐作用;金屬屏蔽罩可以調整TVS 內部的電場(chǎng)分布,并且防止燃弧時(shí)金屬蒸氣沉積在絕緣殼體的內表面,導致殼體內表面的絕緣強度降低;主電極傳導大電流,其結構設計對TVS 的性能有重要的影響;觸發(fā)極連接外來(lái)觸發(fā)源,產(chǎn)生初始等離子體。觸發(fā)極和主電極之間沒(méi)有任何填充劑,TVS 樣品視為場(chǎng)擊穿型。
圖1 TVS的基本結構
表1 TVS 樣品的結構參數
TVS 的工作過(guò)程通常包括兩個(gè)階段,即觸發(fā)階段和主間隙導通階段。觸發(fā)階段為主間隙提供初始等離子體。作為場(chǎng)擊穿型TVS ,初始等離子體由觸發(fā)針的尖端放電產(chǎn)生,經(jīng)擴散進(jìn)入主間隙。在主間隙電場(chǎng)的作用下,帶電粒子逐步發(fā)展,最后建立起金屬蒸氣電弧,主間隙完全導通。當主間隙放電電流過(guò)零時(shí),開(kāi)關(guān)截流斷開(kāi)。
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