激光觸發(fā)真空開關(guān)（Laser Triggered Vacuum Switch,LTVS）是一種新型脈沖功率閉合開關(guān)。其通過真空開關(guān)與脈沖激光技術(shù)發(fā)展而來，利用脈沖激光照射并燒蝕觸發(fā)材料，產(chǎn)生大量初始等離子體，使真空間隙快速閉合[1-5]。因其具有觸發(fā)時(shí)延短、導(dǎo)通波形抖動(dòng)低、通流容量大、使用壽命長等優(yōu)勢(shì)，LTVS在脈沖激光器、電磁發(fā)射系統(tǒng)、直流斷路器、直線變壓驅(qū)動(dòng)裝置等大電流快速關(guān)合領(lǐng)域已展現(xiàn)出極佳的發(fā)展前景[6-9]。
自1973年MakarevichAA等[10]采用脈沖激光觸發(fā)真空間隙，證明LTVS具有優(yōu)良的通流能力以來，學(xué)界針對(duì)LTVS的性能提升及觸發(fā)機(jī)理開展了大量研究。1988年美國Sandia實(shí)驗(yàn)室的BrannonPJ等[11]研究發(fā)現(xiàn)以Ti和KCl混合物作為靶材，LTVS的觸發(fā)時(shí)延低于100ns，且認(rèn)為激光對(duì)靶材料的熱效應(yīng)是間隙內(nèi)初始等離子體產(chǎn)生的原因，電弧的穩(wěn)定燃燒則依賴間隙內(nèi)的離子再生。大連理工大學(xué)趙巖等[12]對(duì)LTVS時(shí)延特性進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)激光能量的增加和激光波長的減小會(huì)縮短LTVS的觸發(fā)時(shí)延，增加間隙距離則會(huì)一定程度上延長LTVS的觸發(fā)延時(shí)。2015年起，華中科技大學(xué)何正浩等[13-14]研究了多棒型LTVS的導(dǎo)通過程，認(rèn)為初始等離子體的擴(kuò)散主要依賴速度更快的自由電子遷移，使開關(guān)獲得更短的延遲時(shí)間且觸發(fā)穩(wěn)定性更高。大連理工大學(xué)趙通等[15]發(fā)現(xiàn)，LTVS開斷高頻電流的能力受到電弧對(duì)觸發(fā)材料燒蝕作用的影響。
由上述分析可見，此前關(guān)于LTVS的研究主要針對(duì)其時(shí)延特性、高頻開斷能力等性能的提升，而LTVS放電時(shí)間隙內(nèi)真空電弧的發(fā)展、擴(kuò)散過程對(duì)其時(shí)延特性、通流容量、高頻開斷能力和使用壽命等諸多關(guān)鍵參數(shù)影響顯著，先前研究并沒有提到。對(duì)于真空電弧發(fā)展擴(kuò)散的研究則主要關(guān)注工頻條件下真空斷路器內(nèi)電弧的發(fā)展。針對(duì)脈沖真空電弧擴(kuò)散過程及影響因素的研究相對(duì)較少。如西安交通大學(xué)王立軍等[16]發(fā)現(xiàn)，隨著電流幅值和間隙距離的增加，工頻真空電弧的弧柱收縮被增強(qiáng)，影響真空斷路器的電流開斷能力。與斷路器內(nèi)因觸點(diǎn)分離而被引燃的工頻真空電弧不同，LTVS的放電依賴激光與觸發(fā)材料的相互作用，且放電時(shí)間通常在微秒或納秒量級(jí)，通流時(shí)間短，電弧燃燒過程易受熔沸點(diǎn)較低的觸發(fā)材料影響。
為探明LTVS脈沖放電時(shí)間隙內(nèi)真空電弧的擴(kuò)散過程及觸發(fā)材料對(duì)開關(guān)性能的影響機(jī)制，本文基于可拆真空腔體搭建實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，結(jié)合電弧圖像拍攝、燃弧數(shù)值模擬，研究了觸發(fā)材料對(duì)真空電弧發(fā)展擴(kuò)散過程，以及對(duì)開關(guān)觸發(fā)時(shí)延、電流開斷能力等關(guān)鍵特性的影響，根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果給出參數(shù)優(yōu)化建議。
1、實(shí)驗(yàn)平臺(tái)搭建
1.1LTVS放電試驗(yàn)平臺(tái)
LTVS放電的實(shí)驗(yàn)電路如圖1所示，由激光觸發(fā)系統(tǒng)、RC放電電路和基于可拆真空腔體的LTVS樣機(jī)組成。
激光觸發(fā)系統(tǒng)采用Nd:YAG激光器產(chǎn)生波長1064nm，脈寬10ns的脈沖激光。激光束通過全反鏡、分光鏡和聚焦鏡片后，聚焦在觸發(fā)材料表面，材料表面光斑面積1.1mm2。激光信號(hào)由光電探頭檢測(cè)。RC放電電路中，脈沖電容C0為8.9μF，電路電阻RL為11.85Ω，電橋測(cè)得電路的雜散電感Ld為4.8μH。
LTVS的電壓由高壓探頭(TeKP6015A)測(cè)量。脈沖電流探頭Ct由TeKCT-4和TCP202A組成。高速相機(jī)的采樣幀率最大為100000fps，曝光時(shí)間可據(jù)試驗(yàn)要求調(diào)整。觸發(fā)控制器分別控制激光頭和高速攝像機(jī)的動(dòng)作。
LTVS腔體內(nèi)真空度由抽氣系統(tǒng)維持在2×10-5Pa以下。設(shè)置LTVS為正極性工作方式。腔體內(nèi)電極為縱磁杯狀電極，表面材料為CuCr50合金，電極直徑為58mm。電極間距設(shè)為8mm。根據(jù)前人研究，觸發(fā)材料選用目前常用的Ti與KCl的混合物，1：1混合后壓制成錐狀結(jié)構(gòu)，填充于陰極中心的5mm凹槽內(nèi)。設(shè)置錐型靶材頂部與陰極表面之間距離為1mm，以減少電弧燒蝕對(duì)材料的影響。
1.2LTVS的放電波形
工作電壓4.4kV，LTVS的放電波形如圖2所示。設(shè)置作用于觸發(fā)材料表面的激光能量為25mJ。激光作用后68ns，LTVS上的電壓開始下降，表明此時(shí)間隙內(nèi)建立了起始放電通道，LTVS被觸發(fā)。此前研究通常定義LTVS的觸發(fā)時(shí)延為激光信號(hào)開始上升到工作電壓開始下降的時(shí)間[17]。激光作用約5μs后，經(jīng)LTVS傳輸?shù)拿}沖電流達(dá)到峰值230A。隨后，電流受回路參數(shù)影響，逐漸衰減至零。
2、LTVS放電過程分析
采用高速攝像機(jī)拍攝的LTVS放電過程中真空電弧圖像如圖3所示。結(jié)合圖2可知，LTVS被觸發(fā)后，間隙內(nèi)放電光斑亮度隨著電流的上升快速增加，后隨電流的下降逐漸衰減。激光照射145μs后，電流降至100A以下，電弧弧柱開始斷裂。LTVS在360μs左右完成電流開斷，電弧熄滅。
隨后利用matlab對(duì)電弧圖像進(jìn)行分析，計(jì)算了真空電弧面積和周長隨時(shí)間的變化。計(jì)算原理如下：將電弧圖像分為若干像素點(diǎn)，用二值法將白色像素記為1，黑色像素記為0，電弧周長和面積為白色區(qū)域的周長和面積。標(biāo)定一個(gè)白色像素點(diǎn)為一個(gè)小正方形，換算后一個(gè)像素點(diǎn)面積為0.07mm2，邊長為0.2646mm，如圖4所示。計(jì)算所得面積周長曲線如圖5所示。根據(jù)電弧圖像和計(jì)算的電弧面積和周長，可將燃弧過程分為三個(gè)階段：觸發(fā)階段（圖3（a）~圖3（d））、擴(kuò)散階段（圖3（e）~圖3（h））和熄弧階段（圖3（i）~圖3（l））。
觸發(fā)階段，激光與觸發(fā)材料相互作用釋放初始等離子體，初始等離子體不斷與觸發(fā)材料及真空電極發(fā)生碰撞，并在電離能/逸出功較低的觸發(fā)材料表面形成初始放電通道，開始傳輸電荷，如圖3（a）中材料表面放電光斑所示。隨著間隙傳輸電流的增加，在電極表面熱作用和間隙鞘層電場(chǎng)作用下，更多帶電微粒進(jìn)入真空間隙，電弧等離子體與電極表面和觸發(fā)材料的碰撞作用被加強(qiáng)，初始放電通道逐漸演變?yōu)檎婵针娀。g隙內(nèi)電弧通道的亮度、面積和周長急劇增大（如圖3（b）~圖3（d）以及圖5紅框所示）。電弧擴(kuò)散期間，真空電弧擴(kuò)散主要受觸發(fā)材料釋放微粒和間隙電磁場(chǎng)的影響。由于觸發(fā)材料的電離能/逸出功較低，觸發(fā)材料更容易在等離子體的碰撞作用下發(fā)生電離，釋放新的帶電微粒進(jìn)入間隙。因此圖3中電弧主要集中在觸發(fā)材料表面。電流達(dá)到峰值時(shí)，圖3（e）中的真空電弧的面積和周長最大，亮度也最高。隨后LTVS上的電流逐漸減小，間隙內(nèi)注入等離子體的密度也逐漸下降，碰撞電離的作用相應(yīng)降低，圖3（f）至圖3（h）中真空電弧的亮度、面積和周長逐漸減小（如圖5藍(lán)框）。隨著電流的減小，等離子體發(fā)生碰撞引起電離的概率進(jìn)一步降低，與電極表面碰撞引起電離的幾率更低，電弧的面積和周長逐漸減小（如圖5綠框）。此時(shí)，間隙內(nèi)碰撞電離主要發(fā)生在觸發(fā)材料與陰極交界面附近的電場(chǎng)不均勻區(qū)域。因此圖3（i）至圖3（l）中電弧弧柱斷裂后，電弧主要位于觸發(fā)材料與陰極凹槽的交界位置。
3、觸發(fā)材料對(duì)LTVS觸發(fā)與燃弧過程的影響
由上述分析可知，觸發(fā)材料在LTVS的放電過程中不斷向間隙釋放帶電微粒，影響放電通道的擴(kuò)散并造成其工作性能差異。
3.1觸發(fā)材料對(duì)LTVS時(shí)延特性的影響分析
LTVS的快速觸發(fā)主要依賴激光與觸發(fā)材料的相互作用，Ti與KCl的混合材料主要由Ti吸收激光能量，使KCl熔融、氣化并被電離產(chǎn)生大量初始等離子體以建立放電通道。采用高速相機(jī)拍攝得到LTVS初始等離子體的擴(kuò)散形態(tài)如圖6所示。在激光熱作用與光致級(jí)聯(lián)電離電離作用下，初始等離子體呈擴(kuò)散狀離開材料表面，激光與材料發(fā)生作用區(qū)域附近的等離子體密度最高，光斑亮度也最大[17-18]。
根據(jù)此前研究，LTVS的觸發(fā)時(shí)延受觸發(fā)材料的影響顯著。改變觸發(fā)材料種類、混合材料比例、靶材結(jié)構(gòu)、材料深度等參數(shù)都會(huì)對(duì)LTVS的觸發(fā)時(shí)延造成不同程度的影響[19]。根據(jù)圖6等離子體圖像，可描述正極性LTVS內(nèi)初始等離子體的擴(kuò)散形態(tài)如圖7所示。受間隙電場(chǎng)影響，擴(kuò)散至間隙的初始等離子體成分以質(zhì)量輕、速度快的自由電子為主，向陽極運(yùn)動(dòng)的Cl-速度較慢；Ti+和K+逸出材料表面后被電場(chǎng)減速，向陰極運(yùn)動(dòng)。因此，相較于負(fù)極性間隙，正極性LTVS可獲得更短的觸發(fā)時(shí)延。
此外，觸發(fā)材料種類或混合材料的比例改變時(shí)，進(jìn)入間隙的初始等離子體成分或比例被改變，導(dǎo)致開關(guān)觸發(fā)時(shí)延的變化。靶材結(jié)構(gòu)變化主要影響材料對(duì)激光能量的吸收效果，而靶材深度的變化改變了初始等離子體的擴(kuò)散距離，影響LTVS的觸發(fā)時(shí)延。當(dāng)Ti與KCl混合比例為1：1時(shí)，觸發(fā)時(shí)延在100ns以內(nèi)，雖然比高Ti含量下觸發(fā)時(shí)延要高，但其在納秒級(jí)別的時(shí)延已經(jīng)滿足實(shí)驗(yàn)要求，且開斷電流能力比較穩(wěn)定，靶材使用壽命較長。相關(guān)參數(shù)對(duì)觸發(fā)時(shí)延的影響規(guī)律此前已有詳細(xì)研究[20-21]，本文不再贅述。
3.2LTVS內(nèi)電弧發(fā)展過程仿真
電微粒，從而成為真空間隙內(nèi)主要的等離子體源之一，如圖3所示。為更深入地分析燃弧階段觸發(fā)材料對(duì)電弧擴(kuò)散的影響，本文建立了LTVS內(nèi)真空電弧的MHD模型，對(duì)等離子體的時(shí)空分布特性進(jìn)行模擬。
3.2.1仿真模型介紹
LTVS內(nèi)真空電弧仿真模型基于磁流體動(dòng)力學(xué)理論構(gòu)建。模型將真空電弧視為導(dǎo)電流體，建立的的MHD模型包括電、磁、流體等物理場(chǎng)，結(jié)合電子與離子的質(zhì)量守恒、動(dòng)量守恒、能量守恒等相關(guān)方程，對(duì)燃弧過程進(jìn)行分析。模型是高度非線性的方程組，需要用數(shù)值求解方法進(jìn)行求解，利用COMSOL多物理場(chǎng)仿真軟件對(duì)燃弧階段真空電弧等離子體的擴(kuò)散和分布特性進(jìn)行計(jì)算，有效的解決了復(fù)雜的計(jì)算過程。
公式（1）、（2）分別表示電子和離子的質(zhì)量守恒方程。其中，電子、離子質(zhì)量密度由ρe和ρi表示，ρe=neme，ρi=nimi；電子、離子的質(zhì)量分別為me和mi，電子速度為v，離子速度為u。
公式（3）、（4）分別表示電子和離子的動(dòng)量守恒方程。其中，電子、離子的體積力為Fve和Fvi，電子和離子壓力梯度為▽Pe和▽Pi，電子離子相對(duì)運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的摩擦力為fie和fei，電子離子之間的熱力為fth和fthi，粘性應(yīng)力用▽﹒[τij]e和▽﹒[τij]i表示。
公式（5）、（6）分別表示電子和離子的能量守恒方程。其中，電子等壓比熱為Cpe=5k/2me，離子等壓比熱為Cpi=5k/2mi，k代表Boltzmann常數(shù)，電子和離子的溫度為Te和Ti，電子離子的熱流密度分別為qe和qi，電子離子的粘性耗散功分別為Фe和Фi，電子與離子碰撞損失的能量為Qei，離子吸收的能量為Qie，電子與離子的熱項(xiàng)分別為Se、Si。
此外，該電弧模型基于以下假設(shè)：（1）認(rèn)為該模型滿足等離子體的準(zhǔn)電中性條件，用宏觀流體力學(xué)描述等離子體流動(dòng)。（2）認(rèn)為間隙內(nèi)等離子體處于完全電離狀態(tài)。（3）認(rèn)為陰極和觸發(fā)材料是間隙等離子體產(chǎn)生的唯一來源。（4）認(rèn)為電子和離子形態(tài)為完全氣體。
3.2.2仿真設(shè)置條件
模型的網(wǎng)格剖分如圖8所示，電極材料選取CuCr50合金，電極半徑為29mm，間隙距離設(shè)為8mm，觸發(fā)材料為半徑2.5mm的圓柱狀結(jié)構(gòu)，靶材頂部比陰極表面低1mm。結(jié)合此前實(shí)驗(yàn)觸發(fā)過程分析，電弧電流峰值為230A，由于電弧電流較小，等離子體速度約為1×104m/s，電弧屬于超音速流動(dòng)。對(duì)于熱傳導(dǎo)模塊，在陰極側(cè)設(shè)置了狄利克雷邊界條件，在陽極設(shè)置了電子熱流密度，側(cè)面則為絕熱條件。在初始條件中，陰極邊界電子溫度設(shè)為1.5eV，環(huán)境溫度設(shè)為0.026eV。對(duì)于流體動(dòng)力學(xué)模塊，初始條件中陰極邊界離子速率設(shè)為1×104m/s，陰極邊界離子溫度設(shè)為0.3eV。
3.2.3仿真適用條件
本文的仿真為超音速或亞音速真空電弧燃弧階段的模型。模型中流體動(dòng)力學(xué)模塊計(jì)算對(duì)象為離子，描述的是離子質(zhì)量、動(dòng)量、能量守恒；傳熱模塊計(jì)算對(duì)象為電子，描述的是電子能量守恒。仿真模型適用于壓力范圍在10-4-10-7Pa之間的高真空環(huán)境。在這個(gè)范圍內(nèi)，氣體分子之間碰撞相對(duì)較少，電弧主要由電子、離子與電極表面的相互作用主導(dǎo)，符合模型的物理假設(shè)。當(dāng)壓力超出范圍時(shí)，氣體分子對(duì)電弧的影響逐漸增大，模型的準(zhǔn)確性會(huì)降低。模型只適用于常見的金屬電極材料，如銅、鎢及其合金，對(duì)于一些特殊的新型材料或復(fù)合材料，超出了模型的適用范圍。
3.2.4仿真結(jié)果分析
LTVS被觸發(fā)后5μs，即電流達(dá)到峰值時(shí)刻間隙內(nèi)電子和離子的溫度與密度分布如圖9所示。電流230A時(shí)，間隙內(nèi)等離子體呈擴(kuò)散形態(tài)分布，觸發(fā)材料表面區(qū)域的自由電子密度最高，達(dá)到3.96×1022m-3，溫度可達(dá)17387K，表明電弧等離子體與觸發(fā)材料的碰撞電離程度最劇烈。仿真規(guī)律與電弧圖像的分布情況相吻合。
為便于后續(xù)分析，將間隙燃弧區(qū)域劃分為5個(gè)區(qū)域，其中a為近陽極區(qū)，b為陽極中心區(qū)，c為間隙中心區(qū)，d為陰極中心區(qū)，e為近陰極區(qū)。改變仿真模型中電流幅值，得到燃弧期間不同區(qū)域的電子密度變化如圖10所示。可見間隙內(nèi)自由電子密度與電流幅值成正相關(guān)。燃弧期間由于電弧的熱燒蝕作用，熔沸點(diǎn)更低的Ti+KCl混合物相較于銅電極來說，更容易釋放粒子到間隙中，作為主要的等離子體源，有利于在間隙建立更強(qiáng)的放電通道，影響間隙的電流傳輸過程，即影響開關(guān)的放電功率。本文實(shí)驗(yàn)結(jié)果與文獻(xiàn)[22]的研究結(jié)論基本一致。
本文對(duì)真空電弧燃弧階段進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)與仿真方面的分析，但二者之間存在一定的誤差。實(shí)驗(yàn)方面，由于相機(jī)幀率為100000fps，因此在燃弧階段拍攝的電弧圖像為電弧發(fā)展10μs內(nèi)累加的結(jié)果，而仿真模型是在一定假設(shè)條件下建立的具體某一時(shí)刻的燃弧圖像。但仿真結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果電弧圖像較吻合，故可以近似認(rèn)為兩者是一個(gè)條件下的燃弧過程，可以用仿真結(jié)果對(duì)燃弧過程進(jìn)行微觀分析。
4、觸發(fā)材料對(duì)真空間隙電弧熄滅過程的影響分析
由于觸發(fā)材料密度相對(duì)較低，且其逸出功/電離能均低于致密的電極表面材料CuCr50。電弧熄滅階段，間隙內(nèi)密度較低的電弧等離子體仍會(huì)與觸發(fā)材料發(fā)生碰撞，電離產(chǎn)生新的帶電微粒進(jìn)入間隙，影響LTVS的電弧熄滅過程，降低LTVS的電流開斷能力。這也是觸發(fā)間隙內(nèi)電弧與真空斷路器內(nèi)電弧的主要區(qū)別之一。LTVS工作電壓3.9kV，峰值電流180A時(shí)，在熄弧階段觀察到明顯的觸發(fā)材料釋放微粒進(jìn)入間隙的過程，拍攝圖像如圖11所示。
在圖10仿真結(jié)果中，出現(xiàn)在150μs-200μs時(shí)間隙內(nèi)電子密度隨電流的減小而增大的趨勢(shì)，本文認(rèn)為這是由于觸發(fā)材料受電弧熱燒蝕影響，向間隙釋放帶電粒子，影響間隙內(nèi)電弧的熄滅過程和開關(guān)的電流開斷能力。圖10仿真結(jié)果也可說明圖11實(shí)驗(yàn)觀察到的弧后靶材微粒逸出的過程，亦可解釋文[23]中不同觸發(fā)材料LTVS高頻開斷能力出現(xiàn)差異的原因。
作為對(duì)比，本文調(diào)整觸發(fā)開關(guān)樣機(jī)的觸發(fā)方式，以Al2O3陶瓷為閃絡(luò)材料，對(duì)比沿面閃絡(luò)的電觸發(fā)真空開關(guān)在相近條件下，開斷電流時(shí)的情況。拍攝得到的電弧圖像如圖12所示。可見隨著電流的衰減，間隙內(nèi)真空電弧逐漸熄滅，Al2O3陶瓷并未受電弧燒蝕影響向間隙釋放帶電微粒，影響間隙的電流開斷能力。
由圖11與圖12結(jié)果對(duì)比分析可知，熄弧階段LTVS內(nèi)真空電弧對(duì)觸發(fā)材料熱作用釋放的帶電粒子，會(huì)在一定程度上影響間隙的電流開斷能力。因此，設(shè)計(jì)用于高頻開斷場(chǎng)合的LTVS時(shí)，應(yīng)調(diào)整開關(guān)的觸發(fā)材料種類或混合比例，以提升其電流開斷能力。
5、結(jié)論
本文結(jié)合仿真與實(shí)驗(yàn)研究，分析了觸發(fā)材料對(duì)LTVS內(nèi)電弧擴(kuò)散過程和關(guān)鍵工作參數(shù)的影響，可以得到以下結(jié)論：
與真空斷路器內(nèi)電弧擴(kuò)散不同，LTVS內(nèi)真空電弧擴(kuò)散受觸發(fā)材料的影響。激光作用于觸發(fā)材料，產(chǎn)生并快速向間隙內(nèi)輸送大量初始等離子體，加速間隙觸發(fā)；燃弧期間電弧對(duì)觸發(fā)材料的燒蝕作用會(huì)在觸發(fā)材料表面形成放電斑點(diǎn)，向間隙釋放更多帶電微粒，有利于建立有效的放電通道，提升LTVS的放電功率；觸發(fā)材料在熄弧階段受電弧熱作用向間隙釋放帶電微粒，會(huì)在一定程度上影響開關(guān)的高頻電流開斷能力。建議根據(jù)LTVS應(yīng)用需求，合理調(diào)整其觸發(fā)材料以提升其關(guān)鍵性能。
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