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高库仑量大电流气体火花开关的工程应用研究

作　者: 李涛
导　师: 何孟兵
学　校: 华中科技大学
专　业: 脉冲功率与等离子体
关键词: 脉冲功率高库仑量大电流两电极开关磁隔离开关 Marx 发生器
分类号: TM564
类　型: 硕士论文
年　份: 2009年
下　载: 64次
引　用: 1次
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内容摘要

脉冲功率技术中最重要的是开关技术,激光聚变主放大器能源系统要求开关器件具有耐电压高、导通电流大、工作寿命长、击穿时延和分散性小等特性。本文的研究对象是高库仑量大电流气体火花开关系统。本文首先介绍了目前广泛用于激光聚变主放大器能源系统的大电流脉冲闭合开关的工作原理及国内外研究现状。根据工程应用中对高库仑量大电流开关的要求,综合比较了各种大电流开关的优缺点,结合实际,提出了两电极结构的气体火花开关。根据两电极气体火花开关的特殊结构需要,大电流气体开关系统主要由四部分组成:气体主开关、磁隔离开关、触发系统和气路控制系统,它们之间的参数配合对开关工作性能的稳定性具有重要意义。论文分别对开关系统各部分进行了详细的分析、设计介绍。减小气体开关电极的烧蚀,延长开关的寿命,提高开关的可靠性是大电流高库仑量气体开关最重要的研究内容。本文分别从电极材料的选择、电极形状的优化设计、绝缘支撑外壳材料的选择、间隙绝缘气体介质的选择等几个方面完成了开关的主体设计。两电极气体开关没有单独的触发电极,触发器必须产生很高的电压,使主开关产生过电压击穿,为了保护能源系统的其它关键元件,主放电回路中必须加磁开关隔离触发高压。本文研究了磁开关的工作原理,从磁隔离开关对磁芯材料的特殊要求入手,根据工程应用要求完成了磁开关磁芯材料的选择,结构的设计,并对所设计的磁开关特性进行了试验验证。设计了一套基于Marx 发生器的触发系统,输出电压达到120kV,上升时间小于30ns。对Marx发生器的结构布局进行了优化,减小了系统电感,陡化了输出脉冲。触发系统采用光纤控制触发,提高了系统的稳定性和安全性。简要介绍了气体控制系统的工作原理,对开关进行了基本特性试验,根据实际需要,本文设计的开关在充气0.1Mpa时的平均自击穿电压大于直流50kV。对开关进行了200次100C ,300kA高库仑量大电流寿命试验,开关系统各部分工作稳定可靠,开关电极烧蚀非常轻微。另外对开关在神光Ⅲ能源模块中的系统联调进行了初步试验。开关1500次以上的高库仑量大电流全寿命试验,多台开关系统同时工作的一致性、分散性及可靠性研究,气体开关组件与能源组件之间的电磁兼容性研究等还有待后续工作深入研究。

全文目录

摘要  4-6
Abstract  6-10
1 绪论  10-16
  1.1 脉冲大电流开关概述及国内外研究现状  10-13
  1.2 论文的主要研究内容  13-16
2 两电极气体开关的设计  16-26
  2.1 神光Ⅲ能源系统对主放电开关的技术要求  16-17
  2.2 两电极气体开关的设计要点  17-18
  2.3 开关电极材料的选择  18-20
  2.4 开关电极设计  20-21
  2.5 开关绝缘支撑外壳材料的选择  21-22
  2.6 开关间隙绝缘气体选择  22-23
  2.7 开关金属外壳结构设计和拉杆材料的选择  23-24
  2.8 本章小结  24-26
3 磁隔离开关设计  26-35
  3.1 磁隔离开关技术要求  26-27
  3.2 磁隔离开关原理概述  27-28
  3.3 磁隔离开关的设计  28-32
  3.4 磁隔离开关特性试验  32-35
4 开关触发系统设计  35-48
  4.1 两电极开关对触发系统的要求  35-36
  4.2 Marx 发生器的设计  36-43
  4.3 触发器电路分析调试  43-46
  4.4 本章小结  46-48
5 两电极气体开关的试验研究  48-61
  5.1 大电流气体开关系统概述  48-50
  5.2 开关基本特性试验  50-51
  5.3 磁隔离开关与Marx 发生器匹配试验  51-53
  5.4 开关大电流寿命试验  53-56
  5.5 开关与能源模块联调试验  56-61
6 总结  61-64
  6.1 全文工作总结  61-62
  6.2 开关系统主要风险及采取的措施  62-63
  6.3 本文的不足及后续工作  63-64
致谢  64-65
参考文献  65-70
附录1 攻读硕士学位期间发表的论文  70

高库仑量大电流气体火花开关的工程应用研究

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