专利名称：高能脉冲气体开关的石墨电极设计方法
技术领域：
本发明属于高电压电工电器技术和脉冲功率技术领域，涉及一种高能脉冲气体开
关的石墨电极设计方法。
背景技术：
脉冲功率技术是指将较长时间内存储起来的具有较高密度的能量，进行快速压縮、转换或直接以很短的时间释放能量给负载的电物理技术。开关器件在脉冲功率系统中占有特殊的地位，这是因为开关器件的参数和特性对脉冲的上升时间、幅值等产生最直接、最敏感的影响。对脉冲功率装置而言，说它的性能由使用的开关的特性决定完全不过分。将储能传输给负载的能力的任何进展，都是以成功地设计和研制各种各样的脉冲大电流开关为前提的。 在强激光装置、强磁场装置、高功率微波、高能等离子体等脉冲功率技术的应用场合，对开关的要求主要是能耐受高电压、强电流、击穿时延短而分散性小、电感和电阻小、电极烧蚀少，单次触发导通的转移电荷量大、可靠性高。例如，美国NIF(Naitional IgnitionFacility)装置所使用的两电极气体开关，就要求工作于2. 0MJ的初级能源模块中，能耐受24kV直流电压而不发生自击穿，能通过500kA的大电流，单次触发导通的转移电荷量达到150Cb (库仑)，电极烧蚀率为100 g/Cb (微克每库仑)，可靠导通次数在1500次以上无需维护和更换，价格低廉。 气体开关具有响应快、损耗小、承受电压高、传导电流大、稳定性高、电感低、工作电压调节方便、结构简单坚固、造价低等优点，因此比较适合应用在高能脉冲功率技术领域。常见的气体火花开关包括三电极场畸变火花开关、两电极气体火花开关等。高压大电流领域的气体开关导通会在其气体间隙中产生强烈的电弧，电弧温度随着开关内气压、电场强度、通过的电流大小等参数的变化可以达到几千甚至几万摄氏度。高能脉冲开关一般不会采用带触发极的三电极结构，因为在通过大电流时，触发极烧蚀会非常严重，需要经常维护，开关的可靠使用寿命很短。 过去国内大量使用传统金属材料，例如铜、铜钨合金制作高能脉冲开关的电极。事实上石墨已经成为当前应用越来越广泛的电极材料。石墨相对于铜等金属材料的优势主要有以下几点 (1)石墨的机械加工速度快。通常情况下，使用数控设备加工石墨材料能比加工同样的铜材快2至5倍。 (2)石墨重量轻，其密度为1. 7 1. 9克每立方厘米，只有铜的1/5。 (3)石墨只有气、固两相，其升华温度为365(TC，热膨胀系数仅有铜的1/30 ;而铜
的软化点在IOO(TC左右，容易因受热发生变形；铜和铜钨合金材料由于存在液相，容易发
生电极烧蚀喷溅，液化冷却后会在电极表面形成凹坑或突起，破坏电极表面场强均匀性。 因此，采用纯石墨电极的气体开关是应用于高能脉冲功率技术领域的一个新型器
件，本发明所涉及的内容即为此型开关的电极设计方法。
发明内容
本发明的目的是针对强激光装置、强磁场装置、高功率微波、高能等离子体等需要
脉冲功率技术的工程应用场合，提出一种高能脉冲气体开关的石墨电极设计方法，该方法可以根据特定的工程技术要求(包括能量等级、工作电压、单次转移电荷量大小、可靠导通次数)，设计满足该要求的气体开关重要参数(包括电极半径、高度等机械尺寸、气体间隙距离、气压调整策略等)。 本发明提供的一种高能脉冲气体开关的石墨电极设计方法，其特征在于，该方法包括下述步骤 第1步根据工程技术要求，确定预期使用寿命N次，自击穿电压Ub，工作温度tt:，单次转移电荷量Q; 第2步选择平均粒径小于等于3、肖氏硬度大于等于70的石墨材料，并获取该石墨材料的密度P和电极烧蚀率Sm两个参数； 第3步初步设定石墨电极的半径R，一对石墨电极构成的初始气体间隙距离d。，以及电极初始有效高度h。； 第4步利用(公式I)计算在预期使用寿命N内气体间隙距离d，利用(公式II)计算在预期使用寿命N内石墨电极有效高度H;利用(公式III)计算在预期使用寿命N内气体开关内部维持自击穿电压Ub基本不变需要设置的内部充气气压P，
d = d。+2XAh (公式I) 第5步判断下述三个条件是否全部满足，如果是，转入第7步，否则，进入第6步； 条件1 :气体间隙距离(d-d。)/d。大于等于50% ; 条件2 :H > 0 ; 条件3 :P大于1个标准大气压； 气体间隙距离(d-d。) /d。大于等于50% 第6步对于第5步中不满足的条件按下述要求进行处理，然后转入第4步条件1不满足，增大R、d。和h。中的至少一个；条件2不满足，增大电极初始有效高度h。；条件3不满足，增大石墨电极的半径R和增大初始气体间隙距离d。中的至少一个；
第7步采用得到的石墨电极的参数d、H、R设计石墨电极。 本发明提出，只要已知脉冲储能放电装置工程设计要求中开关导通的单次转移电荷量、工作电压、工作室温、可靠导通次数，以及石墨电极所选石墨材料的密度和烧蚀率，就可以按照本发明给出的设计步骤确定气体开关电极的关键参数。 使用本发明提出的设计方法，可以有科学依据地针对不同大功率高能脉冲放电装置设计和制造相应的两电极石墨型气体开关，也可以用于计算检验某型石墨电极气体开关是否适合工作于某个特定的脉冲储能放电装置，从而避免了研制气体开关过程中的盲目
4性，也避免了建立相同参数的试验平台长时间测试的传统工程方法，节省大量的人力、财力和物力。
图l是本发明所涉及的气体开关石墨电极的截面图；图中，1是石墨电极，2是电极安装夹具，3是电极座，d是气体间隙距离，H是电极有效高度，R是石墨电极半径，d、H、 R是电极设计中需要解决的关键参数。
具体实施例方式
下面结合图对本发明作进一步说明。 本发明提出，石墨材料用于制作高能脉冲气体开关电极需要注意以下两点 (1)选用高密度高硬度且各向同性超细颗粒石墨材料。对于需要通过数百kA级峰
值电流的电极用石墨，其平均粒径应该不高于3，肖氏硬度应不低于70。
(2)石墨比铜要脆，因此石墨电极形状的设计应尽量避免锐角边缘，否则在大电流
造成的巨大冲击电动力作用下容易造成石墨崩角。对于不可避免的锐角边缘，应该加强电
极的紧固并考虑减震措施。 本发明提出，高能脉冲开关的上、下石墨彼此相对的面要满足等电场面的设计，以保证上、下石墨电极共同构成的气体间隙在外施直流高压后电场强度处处相等。这是因为，两电极气体开关通常采用指令性触发导通模式工作。触发指令是由一个高压脉冲装置，例如脉冲变压器、Marx发生器、点火线圈等，产生一个上升时间较短、峰值电压很高的脉冲波。两电极气体开关的上、下石墨电极共同构成一个气体间隙。外施直流高压后，气体间隙可等效为一个平行板均匀电场，电场强度处处相等。这样，当触发指令产生的触发脉冲施加到气体开关间隙上后，只要这个气体间隙的某个地方出现一个有效电子，就可使间隙触发击穿。而放电点的位置随着有效电子出现点的位置变化，随机均匀分布在整个电极表面，这种表面形状的电极寿命和触发特性是最好的。否则，开关导通时的电弧起弧点就会集中于电极表面的某些地方，多次导通之后，将严重烧蚀电极局部，不利于延长电极使用寿命。具体实施可以采用罗戈夫斯基(Rogowski)电极或布鲁斯(Bruse)电极，如加工条件和精度限制，也可以采用倒圆角电极。 在石墨电极等电场面设计的基础上，本发明提出的电极设计方法还基于以下两个经试验证明的事实(事实1)石墨烧蚀过程主要是固相向气相的转化，即升华；(事实2)单次转移电荷量大于25Cb的高转移电荷量放电时，石墨电极烧蚀点的质量损耗(即烧蚀速率Erosion rate)与且只与转移电荷量呈线性增减关系。 本发明提出，设计气体开关石墨电极需要确定的关键参数包括电极半径R(或直径)、气体间隙距离d(或电极端面间距)、电极有效高度H、开关内部充气气压设置。
本发明还提出，要确定上述关键参数，需要已知脉冲储能放电装置工程设计要求中开关导通的单次转移电荷量、工作电压、工作室温、可靠导通次数，以及石墨电极所选石墨材料的密度和烧蚀率，就可以按照接下来要推导的设计理论有步骤地计算确定图1中所示的气体开关石墨电极的关键参数气体间隙距离d，电极有效高度H，石墨电极半径R。
以下是本发明的设计理论阐述。
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—般来说，电极的烧蚀是电极表面和表面下层的能量集中释放而引起电极材料熔化和汽化的结果，理论上，电极材料的烧蚀体积可分为两部分，由下式给出
ve = kmvm+kvvv (公式1) 其中vm为电极的熔化体积，vv为电极的汽化体积，km和kv分别为熔化和汽化因子。
当km = 1且kv = 0时为电极材料完全通过液化方式烧蚀的极端情况；当km = 0且kv = 1
时为电极材料完全通过汽化方式烧蚀(纯气相侵蚀)的极端情况。(公式l)同样适合于对烧蚀质量的相关分析中。 由于上、下两石墨电极构成的气体间隙为处处电场强度相等的等电场面，因此可以认为电极发生放电的有效面积是一个等效半径为R的圆，电极放电后会发生烧蚀的区域面积是 S = Ji R2 (公式2) 由于(事实2)，石墨电极烧蚀点的质量损耗与且只与转移电荷量呈线性增减关系，假设气体开关每导通一次通过的转移电荷量为Q(单位Cb)，每库仑转移电荷造成的石墨电极烧蚀率是Sm(单位g/Cb)，那么石墨电极每使用一次所损失的质量Am可以表示成 Am=SmXQ (Q > 25Cb)(公式3) 石墨材料的密度用P表示，这个值通常在1. 7g/cm3 1. 9g/cm3之间，不同标号的石墨材料密度略有不同。由于(事实l)石墨烧蚀主要是固相至气相的转化，结合(公式l)，有 Av =—=——^ (公式4) 其中Av是每次导通放电后石墨电极的烧蚀体积。 对于设计成等电场面的石墨电极来说，放电点的位置是均匀分布在整个电极表面的，多次导通后(假设导通放电次数N)，烧蚀点也是均匀分布在整个电极表面的，因此电极表面各处烧蚀的质量损失也是均匀的，电极表面因烧蚀造成的高度变化也应该是均匀的，这个高度变化用Ah表示，此时有以下等式成立
SXAh = NXAv (公式5) 将(公式4)代入(公式5)，可得 <formula>formula see original document page 6</formula>(公式6) 进一步的，将(公式2)代入式(公式6)，可得 <formula>formula see original document page 6</formula>(公式7) 显然的，Ah增加意味着两电极开关的气体间隙距离将变大，假设一个初始状态
的、全新的石墨型气体开关的设计气体间隙距离是d。，石墨电极的有效高度用H表示，初始
值是h。，使用这个开关N次后，气体间隙距离将变成 d = d。+2 X A h (公式8) 而石墨电极的有效高度将变成 H = h。_ A h (公式9)
气体间隙距离的变大将导致开关直流耐压静态特性发生明显变化，而气体开关工作状况下的直流耐压静态特性是事先设定的设计值。因此，必须对气体开关的内部充气气压作出相应调整，以维持气体开关工作状况下的直流耐压静态特性不变。令Ub是反映气体间隙直流耐压静态特性的自击穿电压，d是气体间隙距离，x是气体的相对密度，本发明使用下述可定量计算公式反映Ub和cU之间的关系
K =+万。# (公式10) 其中A。和B。是常数，Ub单位为kV， d的单位为cm。石墨电极气体开关内部是充干燥空气的，此时x可表示成 7 = ^77 (公式11) 其中，P是气压(kPa) ， t是摄氏温度。将(公式7)、(公式8)和(公式11)代入(公式IO)，可以得到
2xWx^附xg) 2.89P 「 2xWx^附xg) 2.89P
t/ H--;- X--1" & X J t/ H--;- X- f/A = A
， " ；riTx/ j+ f " 、" ；riT x/ j 273+ f
(公式12)[ooee](公式12)可以简记为 F(d。， Sm， R， P ， Q， N， P， t， Ub) = 0 (公式13)(公式13)表明，在参数d。， Sm， R， p ， Q， N， P， t， Ub中，任何一个参数未知，都可以根据其余已知参数计算出未知参数。至此完成本发明的理论推导。 当气体开关的dx值不是很大(不超过1()SpaXcm量级)时，(公式12)中可以取A0 = 24. 5， B0 = 6. 4。 由以上分析，可给出本发明涉及的高能脉冲气体开关纯石墨电极的设计步骤
步骤(1)根据工程技术要求，确定预期使用寿命N(次)，自击穿电压Ub，工作温度tCC)，单次转移电荷量Q; 步骤(2)选择石墨材料(要求石墨材料的平均粒径小于等于3，肖氏硬度大于等于70)，获取该石墨材料的密度P和电极烧蚀率Sm两个参数； 步骤(3)初步确定石墨电极的半径R， 一对石墨电极构成的初始气体间隙距离d。，以及电极初始有效高度h。； 步骤(4)由(公式8)计算在预期使用寿命N内气体间隙距离d，本发明建议气体开关使用N次后，气体间隙距离d增大不超过d。的50X为宜，否则回到(步骤3)增大石墨电极的半径R或者增大初始气体间隙距离d。； 步骤(5)由(公式9)计算在预期使用寿命N内石墨电极有效高度H，气体开关使用N次后，石墨电极有效高度应满足HX)，否则回到(步骤3)增大电极初始有效高度h。；
步骤(6)由(公式12)计算在预期使用寿命N内气体开关内部维持自击穿电压Ub基本不变需要设置的内部充气气压，气体开关使用N次后，维持自击穿电压Ub基本不变的气压应该是正压，在101.3kPa(即l个标准大气压)以上，否则回到(步骤3)增大石墨电极的半径R或者增大初始气体间隙距离d。。
步骤(7)完成后，即完成了石墨电极的关键参数设计。
上述步骤(4) 、 (5)和(6)顺序可以互换。
接下来给出一个高能脉冲气体开关的石墨电极设计实例 某大型激光装置的初级能源模块工程技术要求为，使用总电容量4400 F的储能电容器组，工作时充电至23. 5kV电压，石墨电极气体开关要求能通过峰值320kA，脉宽500 s的临界阻尼脉冲电流波，直流静态击穿电压为工作电压两倍即47kV，现场工作条件温度为2(TC，气体开关可靠使用寿命要求能达到工况下导通1500次以上无故障。
(步骤1)从上述工程技术要求，由本发明提出的设计方法，在参数d。， S m， R， p ，Q， N， P， t， Ub中，预期使用寿命在N > 1500次，自击穿电压Ub = 47kV， t = 2(TC，且可计算出开关的单次转移电荷量，即 Q = C U = 4400 ii FX 23. 5kV = 103. 4Cb(步骤2)设计石墨电极必先选用石墨电极型材，假设选用某石墨材料，密度P=1.77g/cm3(石墨材料的密度通常在1.7g/cm3 1.9g/cm3之间)，电极烧蚀率Sm =1. 5X 10—4g/Cb(厂家提供或者试验测定)，了解这两个参数对电极设计十分重要，且所选石墨材料的电极烧蚀率Sm应越低越好。(步骤3)接下来确定电极的机械尺寸R，初始气体间隙距离d。，以及电极初始有效高度h。，可以设石墨电极半径R = 3. Ocm，初始气体间隙距离d。 = 0. 4cm，电极初始有效高度h。 = 2. 6cm。(步骤4)利用计算机进行数值计算，依步骤3所设机械尺寸参数和(公式8)，气体开关使用1500次后，气体间隙距离d " 1. 3cm，达到了 d。 = 0. 4cm的3倍，超出了本发明建议的50%限制，因此回到(步骤3)，增大石墨电极半径R或者初始气体间隙距离d。，修改后的尺寸R = 5. Ocm， d。 = 0. 8cm，再次按(公式8)计算可得气体开关使用1500次后，气体间隙距离d " 1. 13cm，增加了 0. 33cm，即40%，满足本发明建议的50%限制。[OOSS](步骤5)完成步骤4后，依修改后的R = 5. 0cm， d。 = 0. 8cm，按(公式9)进行数值计算，可得气体开关使用1500次后，石墨电极有效高度H从初始值2. 6cm变为2. 4cm，满足本发明提出的HX)条件。(步骤6)完成步骤5后，依修改后的R = 5. Ocm， d。 = 0. 8cm，取A。 = 24. 5， B。=6.4，按(公式12)解方程进行计算机数值计算，可得气体开关使用1500次后，维持自击穿电压Ub = 47kV基本不变的气压大约是1. 4个标准大气压，满足本发明提出的大于1个标准大气压的要求，至此完成设计。 因此，要设计前述某大型激光装置的初级能源模块的工程技术要求，选择密度P=1. 77g/cm3，电极烧蚀率Sm = 1.5X10—V/Cb的石墨材料，所设计气体开关的尺寸可以是石墨电极半径R = 5. Ocm，初始气体间隙距离d。 = 0. 8cm，电极初始有效高度h。 = 2. 6cm。
本发明提出的高能脉冲气体开关的纯石墨电极设计方法，可以在已知工程技术要求的情况下，把握关键参数要求，科学地、方便地依步骤设计相应的石墨电极。
以上所述为本发明的较佳实施例而已，但本发明不应该局限于该实施例和附图所公开的内容。所以凡是不脱离本发明所公开的精神下完成的等效或修改，都落入本发明保护的范围。
权利要求
一种高能脉冲气体开关的石墨电极设计方法，其特征在于，该方法包括下述步骤第1步根据工程技术要求，确定预期使用寿命N次，自击穿电压Ub，工作温度t℃，单次转移电荷量Q；第2步选择平均粒径小于等于3、肖氏硬度大于等于70的石墨材料，并获取该石墨材料的密度ρ和电极烧蚀率δm两个参数；第3步初步设定石墨电极的半径R，一对石墨电极构成的初始气体间隙距离d0，以及电极初始有效高度h0；第4步利用(公式I)计算在预期使用寿命N内气体间隙距离d，利用(公式II)计算在预期使用寿命N内石墨电极有效高度H；利用(公式III)计算在预期使用寿命N内气体开关内部维持自击穿电压Ub基本不变需要设置的内部充气气压P，d＝d0+2×Δh(公式I)其中， <mrow><mi>Δh</mi><mo>=</mo><mfrac> <mrow><mi>N</mi><mo>×</mo><mi>δm</mi><mo>×</mo><mi>Q</mi> </mrow> <mrow><mi>π</mi><msup> <mi>R</mi> <mn>2</mn></msup><mo>×</mo><mi>ρ</mi> </mrow></mfrac> </mrow>H＝h0-Δh(公式II) <mrow><msub> <mi>U</mi> <mi>b</mi></msub><mo>=</mo><msub> <mi>A</mi> <mn>0</mn></msub><mo>×</mo><mrow> <mo>(</mo> <msub><mi>d</mi><mn>0</mn> </msub> <mo>+</mo> <mn>2</mn> <mi>Δh</mi> <mo>)</mo></mrow><mo>×</mo><mfrac> <mrow><mn>2.89</mn><mi>P</mi> </mrow> <mrow><mn>273</mn><mo>+</mo><mi>t</mi> </mrow></mfrac><mo>+</mo><msub> <mi>B</mi> <mn>0</mn></msub><mo>×</mo><msqrt> <mrow><mo>(</mo><msub> <mi>d</mi> <mn>0</mn></msub><mo>+</mo><mn>2</mn><mi>Δh</mi><mo>)</mo> </mrow> <mo>×</mo> <mfrac><mrow> <mn>2.89</mn> <mi>P</mi></mrow><mrow> <mn>273</mn> <mo>+</mo> <mi>t</mi></mrow> </mfrac></msqrt> </mrow>(公式III)第5步判断下述三个条件是否全部满足，如果是，转入第7步，否则，进入第6步；条件1气体间隙距离(d-d0)/d0大于等于50％；条件2H＞0；条件3P大于1个标准大气压；气体间隙距离(d-d0)/d0大于等于50％第6步对于第5步中不满足的条件按下述要求进行处理，然后转入第4步条件1不满足，增大R、d0和h0中的至少一个；条件2不满足，增大电极初始有效高度h0；条件3不满足，增大石墨电极的半径R和增大初始气体间隙距离d0中的至少一个；第7步采用得到的石墨电极的参数d、H、R设计石墨电极。
全文摘要
本发明公开了一种高能脉冲气体开关的石墨电极设计方法，该方法只要已知脉冲储能放电装置工程设计要求中开关导通的单次转移电荷量、工作电压、工作室温、可靠导通次数，以及石墨电极所选石墨材料的密度和烧蚀率，就可以按照本发明给出的设计步骤确定气体开关电极的关键参数。使用本发明提出的设计方法，可以有科学依据地针对不同大功率高能脉冲放电装置设计和制造相应的两电极石墨型气体开关，也可以用于计算检验某型石墨电极气体开关是否适合工作于某个特定的脉冲储能放电装置，从而避免了研制气体开关过程中的盲目性，也避免了建立相同参数的试验平台长时间测试的传统工程方法，节省大量的人力、财力和物力。
文档编号H01T1/22GK101777730SQ201010142769
公开日2010年7月14日 申请日期2010年4月9日 优先权日2010年4月9日
发明者何孟兵, 张钦, 戴玲, 李化, 李黎, 林福昌, 王燕 申请人:华中科技大学