隨著我國脈沖功率技術的快速發(fā)展及脈沖功率裝置容量的不斷增長，研制性能更優(yōu)的脈沖功率開關器件成為目前脈沖功率領域的關鍵課題之一。激光觸發(fā)真空開關（Laser Triggered Vacuum Switch, LTVS）是一種綜合了脈沖激光與觸發(fā)真空開關技術特點的新型脈沖功率開關。

相較于傳統(tǒng)的利用沿面擊穿或場畸變方式產(chǎn)生初始等離子體的電觸發(fā)真空開關，LTVS利用高能脈沖激光與觸發(fā)材料的相互作用產(chǎn)生大量初始等離子體，簡化開關及觸發(fā)系統(tǒng)結構的同時可大幅提升其工作可靠性，更具有導通時延短、觸發(fā)精度高、使用壽命長等諸多優(yōu)勢。

自1973年前蘇聯(lián)A. A. Makarevich等利用激光觸發(fā)導通真空短間隙以來，國內外學者對LTVS的性能提升及推廣應用進行大量工作。

• 美國Sandia實驗室的P. J. Brannon等對比了數(shù)千種觸發(fā)材料LTVS的導通時延特性，認為Ti與KCl的混合粉末更適合用于LTVS。
• 日本的A. Sugawara等對比了不同電極材料對LTVS的導通性能的影響。
• 華中科技大學何正浩等針對多棒極型激光觸發(fā)真空開關導通性能及觸發(fā)機制進行研究，其研制的多棒極型LTVS耐壓為26kV，導通時延低至17ns。
• 大連理工大學廖敏夫等比較了不同觸發(fā)材料激光觸發(fā)真空開關的壽命劣化特性，認為LTVS可靠性的降低主要是由于電弧對觸發(fā)材料燒蝕作用。

此前關于LTVS的研究大多關注其導通性能提升和使用壽命優(yōu)化，針對其開斷能力的研究相對較少。結合LTVS的工作過程，激光熱燒蝕觸發(fā)材料導通真空間隙后，高溫真空電弧對觸發(fā)材料亦存在強烈熱作用，燃弧及弧后階段觸發(fā)材料釋放的帶電粒子會在一定程度上影響間隙介質強度恢復，因此LTVS的重頻開斷特性受真空電弧與觸發(fā)材料共同作用。

考慮到電磁炮、電力系統(tǒng)保護等領域對觸發(fā)開關重復工作能力需求，本文統(tǒng)計不同條件下LTVS的完全開斷時間，研究其重頻開斷特性。

LTVS的開斷性能主要取決于電弧對觸發(fā)材料的熱作用。與電弧特性有關的電流頻率、電流幅值及工作電壓等電路參數(shù)和電極結構、觸發(fā)材料種類等結構參數(shù)均會影響LTVS的開斷特性。本文基于可拆卸真空腔體搭建實驗電路，改變電流頻率、電流峰值、工作電壓、電極結構和觸發(fā)材料種類等因素，對比不同電路參數(shù)和觸發(fā)材料下LTVS的完全開斷時間差異，討論電弧參數(shù)對其重頻開斷特性的影響，分析開斷過程中真空電弧與觸發(fā)材料的相互作用，為高性能LTVS產(chǎn)品的設計提供參考和建議。

圖1 LTVS重頻開斷實驗電路

結論

本文通過改變影響電弧特性的電路參數(shù)和內部結構參數(shù)，研究不同電弧參數(shù)對LTVS重頻開斷特性的影響，得到以下結論：

• 1）LTVS完全開斷振蕩電流所需時間隨電流峰值、工作電壓的增加而上升，隨電流頻率的增加而縮短；但電流頻率的增加會降低LTVS的開斷能力。
• 2）中低頻條件下，縱磁電極LTVS可獲得短于平板電極LTVS的完全開斷時間；但開斷高頻電流時，縱磁電極難以形成有效的磁場以調控電弧運動，對LTVS開斷能力的提升效果有限。
• 3）電流過零時電弧高溫對不同觸發(fā)材料熱作用效果不同，影響LTVS的完全開斷時間和開斷能力。NaCl、KCl、TiH2、Ti+KCl幾種材料中，TiH2材料的開斷性能最佳，可在2ms內開斷峰值2.6kA、頻率1.4kHz的振蕩電流；Ti+KCl材料良好的熱傳導能力雖有利于開關的導通性能提升，但不利于LTVS快速開斷高頻電流。