油介質脈沖功率開關相關理論研究探析

鄒貴榮，王 榮，孫法治

（1.國網遼寧省電力有限公司大連培訓中心，遼寧 大連 116023；2.國網遼寧省電力有限公司，遼寧 沈陽 110006）

油介質脈沖功率開關相關理論研究探析

鄒貴榮1，王 榮1，孫法治2

（1.國網遼寧省電力有限公司大連培訓中心，遼寧 大連 116023；2.國網遼寧省電力有限公司，遼寧 沈陽 110006）

脈沖功率技術是一門新興的前沿科學技術，近年來由于廣泛的應用得到了迅速發展。高壓脈沖功率開關技術的發展直接制約著脈沖功率技術的應用前景。油介質具有安全性強、維護費用低、平臺兼容性高等諸多優點。脈沖功率開關放電是一個復雜的過程，與開關的電極形狀、正負極性、極間距離、液體介質性質和電壓作用時間密切相關。文中研究了油流速和油壓力對開關油介質中副產物的影響及開關油介質放電特性，為脈沖功率開關的設計及相關理論提供一定的思路。

脈沖功率技術；高壓脈沖開關（HPS）；油介質放電特性

脈沖功率技術是一門在較長時間內對較小的功率進行壓縮，通過開關系統以極快速度（可達納秒級）向負載釋放壓縮能量的電物理技術［1］?？偟膩碚f，是對輸入功率的放大，通常負載上的功率大于106W［2］。它的主要特點是高電壓、大電流、高功率、強脈沖。脈沖功率技術已被廣泛應用于受控核聚變與等離子體物理研究、電力系統、新興強激光、核爆實驗室模擬、電磁炮等領域。脈沖開關技術是脈沖功率學科中研究的重要內容［3］，脈沖功率開關是脈沖功率裝置中核心部件之一，常用的開關種類很多［4］，例如：氣體開關、液體開關等。其中，油介質開關是脈沖功率技術中的一種最具代表性的開關［5］。

1 高壓脈沖開關（HPS）技術

HPS的設計理念使用了加壓流動的油作為開關介質。油介質和氣體介質相比，具有安全性強、維護費用低、平臺兼容性高等優點。開關可以在機載試驗平臺上使用，選用poly－α烯烴或者PAO作絕緣油，與機身的兼容性很高［6］。大部分液體具有相對不可壓縮性，因此絕緣油在高壓下操作很安全。當開關放電時，緊鄰電弧通道的油分子被汽化或灼燒，由于氣體比液體擊穿場強低，因此蒸汽和氣孔可導致油介質劣化，同時開關脈沖重復頻率提高也會受到油介質中陽極和陰極間氣體產物清除率的限制。

1.1 油流速對氣體副產物的影響

油流速越高越有利于清除放電區域的氣體副產物，但隨著油流速逐漸增大，會出現以下2個問題。首先，油泵的功率損耗會迅速增大；其次，根據伯努利原理，油泵的出口壓力和出口流速成反比關系，當油流速增加到一定程度時，泵出口壓力會下降到油的汽化壓力，此時將產生對油介質的絕緣強度恢復不利的空穴。

1.2 油壓力對氣體副產物的影響

使用加壓油可減小放電過程中產生的氣體副產物的絕對體積，同時也可提高油介質的恢復速率。假設試驗中蒸汽壓力為常數，相同的油流速和油溫下，操作壓力的升高增加了氣泡消失的可能性。由于阻尼振蕩運動以及油吸收率的升高，氣泡消失率上升。式（1）是描述氣泡在環境壓力下瓦解的持續時間。

式中：τ是氣泡瓦解的時間（s）；ri是氣泡的初始半徑（m）；ρ是流體密度（kg／m3）；P是液體靜壓力（Pa）。該過程是一個周期性過程，氣泡振蕩周期可為任意氣泡的振蕩周期。從式（1）中可明顯看出，振蕩周期和壓力的平方根成反比。壓力增加，振蕩周期減小，在粘性流體（如油）中，氣泡消失更快。

初始氣泡半徑ri對決定相對持續時間很重要，利用一個已知的吸收能量來估計初始氣泡半徑?？纱_定1個方程用來描述球形氣泡外邊界上的力，就是外部壓力乘以外表面積，如式（2）。式（2）中F是球形氣泡外邊界上受到的外力（N），P是球形氣泡受到的外部壓強（Pa）。形成氣泡所做的功為反作用力乘以位移，對于球形氣泡如式（3），式（3）中氣泡被油壓壓縮時，氣泡外圍力所做的功可以很好地預測初始值［7］。

因許多損耗的功無法預測，故式（3）在很多情況下并不實用。因此，介紹另一種被廣泛接受的方法，用來預測電弧通道中能量的吸收，對于生成1個氣泡所需能量進行合理預測。該方法由J.C. Martin給出，開關的能量耗散方程如式（4）所示［8］。式（4）中，V是擊穿充電電壓（kV）。能量在電弧通道中耗散，形成1個氣泡時，氣泡外圍力所做的功W（J），由于電弧通道阻抗衰減，電弧通道隨時間常數τr呈指數下降，τr由式（5）給出，式（5）中Z為電源阻抗（Ω），Eb為擊穿時場強（MV／cm）。當4.8 Ω脈沖發生器在250 kV、1.2 MV／cm下發生擊穿，阻抗為電弧通道吸收的能量約為7.6 J。

放電形成氣泡的尺寸可由式（3）預估得來。氣泡半徑和壓力有關，故選擇一些極端條件來預估。大氣壓（101 kPa）下，氣泡半徑為2.62 cm；高壓（10 MPa）下，半徑為5.66 mm。2種情況下，都預測出氣泡半徑比電極間隙大幾倍。電極導致的邊界約束使得氣泡形狀幾何失真。電極表面滑動接觸及Rayleigh流體所致的不穩定導致氣泡在前1個振蕩周期收縮，單個氣泡承受擊穿過程。最終，壓力液體中的氣泡會被液體吸收，液體保持飽和。

給液體增壓的另一個好處是增加油吸收氣體的能力，如圖1［9］所示，氣體吸收容量是關于油壓的函數。當壓力達到油的臨界壓力（一般為2±1 MPa），油可以吸收大量氣體，幾乎是油體積的2倍。因此，可以吸收的氣體總量取決于所用油的體積。當壓力變低，油變成過飽和狀態時，會釋放氣體到大氣中。

圖1 與油氣體吸收量有關的油壓函數

1.3 固態副產物對開關設計的影響

開關在放電過程中也會產生固態副產物，如由于油的不完全燃燒產生碳，或由于電弧作用從2個電極上脫落的金屬粒子，金屬粒子被油介質湍流逐出電極間加電的區域，因此該區域應謹慎設計，以免粒子截留。

2 油介質的放電特性

2.1 脈沖寬度和電極材料的影響

液體電介質的擊穿電場強度一般隨電壓脈沖上升時間的減小而顯著增大，且與電壓脈沖寬度有關，同時遵從為常數的關系［10］。電壓脈沖寬度越窄，液體電介質的擊穿電場強度越高。例如在水中，當電壓脈沖寬度為20 ns時，擊穿電場強度是2.2 MV／cm；而當脈沖寬度為5 ns時，擊穿電場強度增高至7 MV／cm。電極面積的大小對液體電介質的擊穿電場強度也有影響，隨著電極面積增大，擊穿電場強度將下降。電極材料，特別是陰極材料對液體電介質的擊穿電壓及其穩定性也有明顯的影響［11］。

隨著電壓脈沖寬度的增大，液體電介質如n－乙烷、n－葵烷等的擊穿電場強度將迅速下降。而且液體電介質都有一個臨界電壓脈沖寬度，約為3 μs。當電壓脈沖寬度大于臨界值時，擊穿電場強度幾乎與脈沖寬度無關；而當電壓脈沖寬度小于臨界值時，隨電壓脈沖寬度減小，擊穿電場強度將迅速上升。水作為液體電介質并沒有明顯的臨界電壓脈沖寬度，而且隨著電壓脈沖寬度的增大，水的擊穿電場強度將減小。

2.2 油的壓力和溫度的影響

油的壓力和溫度對其擊穿電場強度有較大影響，隨著壓力的增加，擊穿電場強度也增加，不論是變壓器油或其他液體都符合這一規律。而且當電壓脈沖的寬度在較大范圍變化時（如從0.5～10 μs）或更短的脈沖寬度，也有這種變化趨勢。

2.3 液體純度的影響

液體純度對其擊穿電場強度也有較大影響。液體中存在的微?；蚶w維可使其擊穿電場強度下降，特別是當這些微?；蚶w維附著在正極性電極表現更為明顯。若電壓脈沖寬度較大，液體電介質的純凈度對之影響將更大。用固體電介質（如玻璃）覆蓋電極表面，可使液體的擊穿電場強度增大。

2.4 經驗公式

在實際的工程結構中，電極形狀和所用電介質多種多樣，而電壓作用時間（含脈沖前沿）又不盡相同，另外電極面積有大有小，電場極性有正有負，因此不可能用1個或幾個公式概括所有情況。脈沖功率系統的絕緣問題一直是工程設計的棘手問題，只能依靠試驗和借鑒經驗公式。均勻電場中油和水常使用J.C.MARTIN公式，即式（6）：

式中：te是亞微秒高電壓脈沖作用的有效時間，定義為從0.63Eb～Eb的時間；K是與介質和電壓極性有關的常數；A是電極面積（m2）。當式（6）采用國際單位制時，K值如表1所示。

式（6）給出均勻電場中液體電介質電場強度應遵從的關系，適用于亞微秒范圍。對于微秒充電脈沖和0.1 m2以內面積的電極，水的擊穿場強約為15 MV／m，油擊穿的場強為25 MV／m。對于更短持續時間（7～30 ns）的脈沖，J.P.VanDe?vender和T.H.Martin認為擊穿場強Eb幾乎是式（6）的2倍，其值可用式（7）確定。

表1 不同介質的K＋和K－值

式中：d是不對稱電極間的距離（m）。

無論是指令觸發開關還是過電壓自擊穿開關，在導通之前均處于強電場狀態。當電壓一定時，影響開關動作的因素包括電極形狀、正負極性、極間距離、液體介質性質和電壓作用時間。綜上所述，可以確認開關放電是一個相當復雜的過程［12］。

3 結束語

雖然脈沖功率技術研究在我國還處于起步階段，但由于其巨大的應用前景，發展非常迅速。脈沖功率開關是脈沖功率技術核心部件之一，圍繞著開關的設計和制造必將展開深入地研究?；诖?，本文為脈沖功率開關的設計提供了理論思路。

［1］曾正中.實用脈沖功率技術引論［M］.西安：陜西科學技術出版社，2003.

［2］劉寶生.采用緩沖層結構的脈沖功率開關RSD研究［D］.武漢：華中科技大學，2006.

［3］韓 旻，鄒曉兵，張貴新.脈沖功率技術基礎［M］.北京：清華大學出版社，2010.

［4］王 瑩.脈沖功率技術綜述［J］.電氣技術，2009，10（4）：5－8.

［5］吳興林，魯旭臣，李 爽，等.72.5 kV真空環保型HGIS的可行性研究［J］.東北電力技術，2014，35（10）：47－48.

［6］Khodorkovsky J，＆B Khsusid，＆A Acrivos，et al.Compre?hensive Electrical Evaluation of Polyalphaolefin（PAO）Dielec?tric Coolant［R］.Beltran INC Brooklyn NY，1997.

［7］Dakiyleigh H，＆T Sakugawa，＆T Namihira，et a1.Industrial Applications of Pulsed Power Technology［J］.IEEE Trans on Di?electrics and Electrical Insulation，2007，14（5）：1 051－1 064.

［8］Martin T H，＆J F Seamen，＆D O Jobe.Energy Losses in Swit?ches［R］.Sandia National Labs，Albuquerque，NM（United States），1993.

Theoretical Research on Pulse Power Switching of Oil Medium

ZOU Gui?rong1，WANG Rong1，SUN Fa?zhi2
（1.State Grid Liaoning Electric Power Co.，Ltd.，Dalian Training Center，Dalian，Liaoning 116023，China；2.State Grid Liaoning Electric Power Co.，Ltd.，Shengyang，Liaoning 110006，China）

Pulse power technology is a new science technology with wide application which has developed rapidly in recent years.The development of high voltage pulse power switch technology directly restricts the application prospect of pulse power technology.Oil me?dium has a higher security，low maintenance，platform compatibility and many other advantage.Pulse power switch discharge is a complicated process which go together with switch electrode shape，positive and negative polarity，electrode distance，liquid medium nature and voltage time.The effect of oil flow rate and pressure on the secondary product in the oil medium and discharge characteris?tics are studied in this paper.It gives some resolutions for the design of pulse power switch and related theories.

Pulse power technology；HPS；Discharge property of oil medium

TN78；TM564

A

1004－7913（2015）12－0005－03