Abstract ：

空气火花间隙应用于电力系统和高压断路器合成试验回路中作为过电压保护器件或放电开关使用时，需要在较低的工作系数下可靠触发形成导通。然而，常规的气体开关触发技术对于百千伏电压等级以上的长空气火花间隙在低工作系数下的触发，存在明显的不足。相比之下，毛细管等离子体因具有高速、高温、高压、高密度特性，可用于高电压等级、长间隙距离的空气火花间隙在低工作系数下的放电触发。基于此，本文通过实验和仿真对适用于空气火花间隙触发的两间隙毛细管管内放电特性和管外等离子体喷射特性进行研究，为引入毛细管等离子体触发空气火花间隙放电提供理论依据，并最终完成基于毛细管等离子体喷射的空气火花间隙触发击穿特性研究。 两间隙毛细管通过引入中间触发电极将毛细管通道分为触发通道和主通道，由触发通道的弱毛细管放电完成整个毛细管通道主放电的触发，避免了金属起爆丝的使用，实现了其在较低放电电压下的多次重复放电使用。 通过对百焦耳量级放电能量下的两间隙毛细管管内放电特性研究，得到：两间隙毛细管放电时延和抖动主要由主放电时延和抖动所构成，由弱毛细管放电阶段所产生等离子体在管内的加速、喷射发展过程所决定，随弱毛细管放电电流值的增加而减小；主放电电流幅值随C1充电电压、C1电容量、放电电阻R阻值的增加而升高；两间隙毛细管放电电弧通道阻抗随时间呈现“U型”分布，且在放电电流上升阶段的弧道电阻要高于电流下降阶段时；电容器C1储能中约70%以上的能量释放于两间隙毛细管主放电阶段；相比POM和PTFE，UPE两间隙毛细管放电时延和抖动最小，表面碳化程度最轻，放电稳定性和可靠性表现最佳；随放电次数增加，两间隙毛细管放电时延和抖动逐渐增加，电弧通道能量沉积密度逐渐减小，放电烧蚀质量逐渐减小，管内放电烧蚀特性呈现逐渐劣化的趋势。 两间隙毛细管管外等离子体喷射发展过程的仿真和实验研究表明：依据等离子体射流状态参数结构分布和喷射发展趋势的不同，毛细管等离子体射流喷射发展过程可分为欠膨胀喷射阶段和阻滞喷射阶段，等离子体射流喷射长度的快速增长发生在欠膨胀喷射阶段，在阻滞喷射阶段等离子体射流喷射长度增长缓慢，且随空气对等离子体喷射阻滞时间的增加，喷射发展过程的随机性逐渐增强。改变毛细管管内放电能量脉宽可以对欠膨胀阶段毛细管等离子体射流的喷射发展过程进行有效调控，欠膨胀阶段等离子体射流喷射长度随放电能量脉宽升高而逐渐增加。 对两间隙毛细管管外等离子体喷射特性的影响因素开展实验研究，得到：使用扩张式喷管可以有效改善毛细管等离子体的喷射特性；UPE两间隙毛细管等离子体喷射时延和抖动最小，在欠膨胀喷射阶段具有更快的喷射发展速度，PTFE因为具有更大的平均分子质量而使得PTFE毛细管等离子体在阻滞喷射阶段的喷射特性得到了明显改善。随放电次数增加，两间隙毛细管等离子体喷射时延和抖动逐渐增加，毛细管放电等离子体出口密度、温度和压强相应逐渐降低，500次放电后，等离子体射流欠膨胀阶段喷射长度减短了13.1%，总喷射长度减短了10.1%，通过阶段性地升高电容器C1充电电压，可实现两间隙毛细管等离子体喷射特性的一致性调控。 基于以上研究，对基于毛细管等离子体喷射的空气火花间隙触发击穿特性开展实验研究，得到空气火花间隙触发击穿取决于毛细管等离子体喷射发展对间隙内电场分布的强烈畸变，发现空气火花间隙的短时延、低抖动放电是通过毛细管等离子体在欠膨胀阶段的喷射触发形成的。随空气火花间隙距离与等离子体射流欠膨胀喷射长度比值的增加，空气火花间隙放电时延抖动逐渐升高。当空气火花间隙放电发生在毛细管等离子体欠膨胀喷射阶段时，放电时延抖动不大于5μs，当空气火花间隙放电发生在阻滞喷射阶段时，因阻滞喷射阶段等离子体喷射发展过程逐渐增强的随机性，放电时延和抖动开始大幅增加。增加间隙工作系数可以有效减小空气火花间隙的放电时延和抖动，且间隙触发击穿特性受间隙距离变化的影响随间隙工作系数的升高而逐渐减小。双边对喷毛细管等离子体触发空气火花间隙时，相比单边喷射触发方式，等离子体在间隙内的喷射速度和喷射长度等效地提高了一倍，等离子体射流对间隙内电场畸变程度更强，空气火花间隙放电时延和抖动可得到大幅削减。采用双边对喷触发方式，间隙工作系数为30%时测得14cm间距空气火花间隙放电时延为190.3μs，时延抖动为3.6μs，满足应用于高压断路器合成试验的要求，在实际运行中可通过减小间隙工作系数进一步提高断路器试验的安全性和可靠性。

Keyword ：

等离子体喷射 放电触发 空气火花间隙 两间隙毛细管 时延抖动

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Abstract ：

上世纪80年代以来基于毛细管放电的等离子体喷射装置就已受到广泛关注，毛细管放电所产生的等离子体具有高速、高温、高压、高密度等特性，特别是等离子体在毛细管中与高分子材料的消融过程，大大提高了毛细管腔体中的压力，产生等离子体高速喷射的效果，可将其应用于长空气火花间隙的引燃、电热化学发射及空间微小飞行器的推进等领域，具有十分广阔的应用前景。因此，本文针对毛细管高分子材料的消融过程和等离子体喷射特性开展研究具有重要的学术意义和应用价值。本文在国内外相关研究现状的基础上，针对传统毛细管放电装置每次放电后需更换金属起爆丝，不能重复使用的不足，研制一种三电极两间隙毛细管放电等离子体喷射装置，并相应地设计了两种放电电路：基于阻抗分压放电电路和基于脉冲预电离放电电路。实验通过测量回路全电流、主放电通道弧道电流、主放电通道弧道电压和拍摄高速摄影图像研究了喷射装置结构参数和放电电路参数对装置放电特性、产气材料消融过程及喷射特性的影响，以此对装置结构参数与放电电路参数进行优化。通过对500kV串补工程用火花间隙进行强迫触发击穿实验，对毛细管等离子体的触发性能进行了实验研究。研究结果表明：增加毛细管管径或管长，将劣化材料的消融效果，降低毛细管中压力，喷射效果变差；加装拉瓦尔喷管可明显优化喷射效果。对于基于阻抗分压放电电路，增加放电电容器容量或并联电感均可使喷射效果优化；主放电通道弧道电阻呈现分段U形分布，弧道能量沉积率较低，为30%左右，有效喷射寿命为100次左右。对于基于脉冲预电离放电电路，固定喷射装置结构参数，在磁开关满足伏秒积的前提下降低磁开关饱和电感，可有效增加放电电流幅值；主放电通道弧道电阻呈现U形分布，弧道能量沉积率为60%左右，有效喷射寿命为300次左右；毛细管射流的喷射存在淤塞现象，喷射装置具有较好地推进性能，喷射冲量达到88.7N&#8226ms。使用毛细管等离子体引燃500kV串补火花间隙具有较为优越的性能，击穿时延小于100μs。触发相位的不同对于火花间隙的击穿时延有着极大影响，需对火花间隙进行鉴相触发。

Keyword ：

毛细管放电等离子体喷射装置主放电通道喷射闪络

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Abstract ：

本发明公开了一种长空气火花间隙的引燃机构，在火花间隙其中一个电极柱上安装高能等离子体喷射装置，等离子体喷射装置包含高压电极、中压电极和低压电极，中压电极将一个闪络间隙通道分为短间隙通道和长间隙通道两部分；中压电极与低压电极之间连接一电感，作为放电回路的分压单元与储能单元使用。所述电感在放电起始阶段作为分压单元；在放电电容器能量释放完毕后，电感作为储能单元完成长间隙通道电弧的续流。所述等离子体喷射装置可以在较低放电电压下多次稳定喷射出大量的等离子体，等离子体出口喷射速度达到了数倍音速以上；具有可重复使用的优点，多次反复喷射后，性能基本不发生变化，能够使长空气火花间隙可靠引燃击穿。

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