一种含优先击穿间隙的多级自击穿气体火花开关研制方法技术

本发明专利技术涉及一种含优先击穿间隙的多级自击穿气体火花开关研制方法；解决多级开关设计过程中需要耗费的大量迭代试验和时间成本的问题；首先构建单放电间隙自击穿概率函数，其次进行多级自击穿气体火花开关的结构设计，最后基于单放电间隙自击穿概率函数对多级自击穿气体火花开关的结构设计进行修正，直到满足设计需求，完成多级自击穿气体火花开关的制备；本发明专利技术建立了一种含优先击穿间隙的多级自击穿气体火花开关研制方法和计算模型，解决了多级开关无设计模型的问题，节省了开关设计的大量时间和试验成本。大量时间和试验成本。大量时间和试验成本。

【技术实现步骤摘要】
一种含优先击穿间隙的多级自击穿气体火花开关研制方法


[0001]本专利技术涉及气体火花开关的研制方法，具体涉及一种含优先击穿间隙的多级自击穿气体火花开关研制方法。

技术介绍

[0002]脉冲功率装置将能量在时间尺度上压缩，获得短时的高功率输出，大量应用于高能粒子加速器，核聚变等大型装置中。开关决定脉冲功率装置的输出，是脉冲功率装置的核心部件，其中气体开关因其较高的通流能力、耐受电压，和较好的绝缘恢复能力，广泛应用于电压等级高于百千伏，电流在数千安以上的大型脉冲功率装置中，抖动、输出波形质量、寿命是气体开关的关键指标，直接影响脉冲功率装置的输出指标及稳定性。
[0003]按照应用背景的不同，开关的抖动可划分为击穿延时抖动和击穿电压抖动；在LTD或Marx型脉冲功率装置中，需要多路并联的气体开关同步触发，从触发信号到开关导通之间的时间抖动(触发延时相对标准偏差)是关键技术指标；对某些仅需要一个气体主开关的应用场景如Tesla型脉冲功率装置，击穿电压抖动(击穿电压相对标准偏差)则是关键技术指标，无论在何种应用中，抖动都会影响脉冲功率装置输出特性、决定脉冲功率装置成败。
[0004]为实现低抖动，一种方式为触发式气体开关，触发源可为光、电、辐射等。但此类开关需要引入外触发信号，导致结构复杂，体积庞大，造价昂贵，无法适应轻小型、长寿命的研制需求，另一种是自击穿式气体开关，无需引入外触发结构，系统结构简单，可靠性高，是最理想的开关形式。
[0005]按照电极的结构又可将自击穿式气体开关划分为单级开关和多级开关，单级开关只包含一个由阴极和阳极两个电极构成的放电间隙，多级开关由多个电极盘和绝缘介质以串联的形式层叠形成多个串联的放电间隙。多级开关场强分布更均匀，导通电感小，更易绝缘恢复，因而具有更好的导通、重频工作特性，广泛应用于高功率重频运行的气体开关领域。
[0006]相比触发开关，自击穿式气体开关的抖动较大，且抖动完全由放电间隙的电极结构与气体介质决定，限制了其应用。试验研究表明，场增强因子高的不均匀场放电间隙抖动较小，但其放电间距较大、导通电感较大不适于多级开关；而一般多级开关的放电间隙常用场分布更均匀、放电间距更小、导通电感较小的准均匀间隙，但其自击穿抖动较大。因此，利用抖动较低的不均匀场放电间隙作为优先击穿间隙与多个准均匀间隙(过压击穿间隙)配合构成的多级气体开关兼顾了低抖动和多级开关良好的导通、重频特性，具有极强的应用潜力。
[0007]设计一种含优先击穿间隙的多级自击穿气体火花开关，需要掌握各间隙的击穿特性，以使其工作在期望的工作模式，但是此类开关缺少设计模型，需通过不断改变各间隙的设计参数并以实际测试结果进行多轮迭代设计，不断逼近预定的配合模式，以实现开关的设计参数。该过程往往耗费大量试验、时间成本，且不能从理论上给出开关多间隙配合的工作指标极限。

技术实现思路

[0008]本专利技术的目的是解决多级开关设计过程中需要耗费的大量迭代试验和时间成本的问题，而提供了一种含优先击穿间隙的多级自击穿气体火花开关研制方法。
[0009]本专利技术所采用的技术方案是：
[0010]一种含优先击穿间隙的多级自击穿气体火花开关研制方法，其特殊之处在于：多级自击穿气体火花开关的基本构型为1+n型，1代表一级优先击穿间隙G
t
，n代表n级等概率击穿的过电压击穿间隙G
s
，n≥1；
[0011]具体按照以下步骤实施：
[0012]步骤1：获得单放电间隙自击穿概率函数；
[0013]1.1获得各单放电间隙实际的自击穿电压样本空间R，其中R包括V1、V2......V
o
，o≥1000，其中，o为独立放电次数，V
o
为第o次放电时，放电间隙的实际击穿电压；
[0014]1.2基于自击穿电压样本空间R，获得放电间隙的击穿电压系数为v
j
时，阴极表面的最大场强Q，并通过极大似然方法拟合得到单放电间隙自击穿概率函数f(Q)；
[0015]步骤2：进行多级自击穿气体火花开关的结构设计；
[0016]2.1确定级数n，1≤n＜10；
[0017]2.2电压分配设计
[0018]通过改变绝缘介质的截面积S和/或厚度d改变各放电间隙的电压值，使得基于f(Q)计算的优先击穿间隙G
t
优先导通，剩余过电压击穿间隙G
s
不导通；
[0019]随后使得剩余过电压击穿间隙G
s
同时导通或者逐个导通；
[0020]2.3电场强度分配设计
[0021]通过改变电极间距Y以改变电场强度；
[0022]步骤3：对电场强度进行修正；
[0023]步骤4：根据S、d以及Y制备多级自击穿气体火花开关。
[0024]进一步地，步骤1.2具体为：
[0025]1.2.1基于自击穿电压样本空间R，获得放电间隙的击穿电压系数v
j
，击穿电压系数v
j
的计算公式如下所示：
[0026][0027]其中；V
j
为单放电间隙的实际击穿电压，V
min
≤V
j
≤V
max
，其中V
min
为样本空间R内的最小值，V
max
为样本空间R内的最大值，V
mean
为样本空间R的平均值；
[0028]则击穿电压系数v
j
对应的阴极表面的最大场强为Q＝v
j
×
E；其中，E为v
j
＝1时，放电间隙阴极表面的最大场强；
[0029]1.2.2通过极大似然方法拟合得到单放电间隙自击穿概率函数f(Q)＝f(v
j
×
E)；
[0030]函数f(Q)＝f(v
j
×
E)的数学形式是正态分布函数或威布尔分布函数,其具体公式如下所示：
[0031][0032]或
[0033]其中，Q＝v
j
×
E，μ,σ为正态分布函数系数；a,b为威布尔分布函数系数；
[0034]将求得的自击穿电压样本空间R内所有击穿电压对应的的击穿电压系数代入似然函数L内；求解似然函数L的极大值，获得a,b或μ,σ的取值后，代入上式正态分布函数或威布尔分布函数，得到单放电间隙自击穿概率函数f(Q)＝f(v
j
×
E)，其中，似然函数L的具体公式如下：
[0035][0036]式中，v1为第1次放电时，放电间隙的实际击穿电压V1对应的击穿电压系数数，v
o
为第o次放电时，放电间隙的实际击穿电压V
o
对应的击穿电压系数，
[0037]进一步地，步骤2.1中，n的确定原则如下：
[0038]原则1：降低多级开关自击穿抖动；
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种含优先击穿间隙的多级自击穿气体火花开关研制方法，其特征在于：多级自击穿气体火花开关的基本构型为1+n型，1代表一级优先击穿间隙G
t
，n代表n级等概率击穿的过电压击穿间隙G
s
，n≥1；具体按照以下步骤实施：步骤1：获得单放电间隙自击穿概率函数；1.1获得各单放电间隙实际的自击穿电压样本空间R，其中R包括V1、V2......V
o
，o≥1000，其中，o为独立放电次数，V
o
为第o次放电时，放电间隙的实际击穿电压；1.2基于自击穿电压样本空间R，获得放电间隙的击穿电压系数为v
j
时，阴极表面的最大场强Q，并通过极大似然方法拟合得到单放电间隙自击穿概率函数f(Q)；步骤2：进行多级自击穿气体火花开关的结构设计；2.1确定级数n，1≤n＜10；2.2电压分配设计通过改变绝缘介质的截面积S和/或厚度d改变各放电间隙的电压值，使得基于f(Q)计算的优先击穿间隙G
t
优先导通，剩余过电压击穿间隙G
s
不导通；随后使得剩余过电压击穿间隙G
s
同时导通或者逐个导通；2.3电场强度分配设计通过改变电极间距Y以改变电场强度；步骤3：对电场强度进行修正；步骤4：根据S、d以及Y制备多级自击穿气体火花开关。2.根据权利要求1所述的一种含优先击穿间隙的多级自击穿气体火花开关研制方法，其特征在于：步骤1.2具体为：1.2.1基于自击穿电压样本空间R，获得放电间隙的击穿电压系数v
j
，击穿电压系数v
j
的计算公式如下所示：其中；V
j
为单放电间隙的实际击穿电压，V
min
≤V
j
≤V
max
，其中V
min
为样本空间R内的最小值，V
max
为样本空间R内的最大值，V
mean
为样本空间R的平均值；则击穿电压系数v
j
对应的阴极表面的最大场强为Q＝v
j
×
E；其中，E为v
j
＝1时，放电间隙阴极表面的最大场强；1.2.2通过极大似然方法拟合得到单放电间隙自击穿概率函数f(Q)＝f(v
j
×
E)；函数f(Q)＝f(v
j
×
E)的数学形式是正态分布函数或威布尔分布函数,其具体公式如下所示：或其中，Q＝v
j
×
E，μ,σ为正态分布函数系数；a,b为威布尔分布函数系数；
将求得的自击穿电压样本空间R内所有击穿电压对应的击穿电压系数代入似然函数L内；求解似然函数L的极大值，获得a,b或μ,σ的取值后，代入上式正态分布函数或威布尔分布函数，得到单放电间隙自击穿概率函数f(Q)＝f(v
j
×
E)，其中，似然函数L的具体公式如下：式中，v1为第1次放电时，放电间隙的实际击穿电压V1对应的击穿电压系数数，v
o
为第o次放电时，放电间隙的实际击穿电压V
o
对应的击穿电压系数，3.根据权利要求2所述的一种含优先击穿间隙的多级自击穿气体火花开关研制方法，其特征在于：步骤2.1中，n的确定原则如下：原则1：降低多级开关自击穿抖动；原则2：加工、装配导致的间隙误差δ与相对间隙距离G
d
的偏差满足δ<5％G
d
；基于上述两个原则，结合兆伏级开关参数，选择1≤n＜10。4.根据权利要求3所述的一种含优先击穿间隙的多级自击穿气体火花开关研制方法，其特征在于：所述步骤2.2中，判断优先击穿间隙G
t
优先导通，剩余过电压击穿间隙G
s
不导通的方式为：优先击穿间隙G
t
通过似然函数L计算出来的累积击穿概率为1，其余任一过电压击穿间隙G
s
通过似然函数L计算出来的累积击穿概率为0。5.根据权利要求4所述的一种含优先击穿间隙的多级自击穿气体火花开关研制方法，其特征在于：所述步骤2.2中，判断剩余过电压击穿间隙G
s
同时导通或者逐个导通的方式为：优先击穿间隙G
t
导通后，电压在剩余间隙的二次分配，并计算电压重新分配后的倍压系数K1；判断倍压系数K1是否会令剩余过电压击穿间隙G
s
全部同时导通，若否，则提高K1值，使得剩余过电压击穿间隙G
s
全部同时导通；或判断倍压系数K1是否会令剩余任一过电压击穿间隙G
s
导通，若否，则提高K1值，使得任一过电压击穿间隙G
s
导通，随后，电压在剩余间隙的三次分配，计算倍压系数K2，判断是否会使剩余的任一过电压击穿间隙G
s
导通，若否，则提高K2值，使得剩余的任一过电压击穿间隙G
s
导通，依次类推，直到最后一个过电压击穿间隙G
s

【专利技术属性】
技术研发人员：苏建仓，尚蔚，高明珠，李锐，曾搏，
申请(专利权)人：西北核技术研究所，
类型：发明
国别省市：