华中科技大学 电气与电子工程学院，武汉 430074
气体开关电弧的热侵蚀作用是电极损耗的主要成因。石墨电极在电弧作用下发生蒸发并在多次放电后有明显的质量损耗，改变了开关内的气体环境和电极间距，导致开关动作可靠性降低。为研究石墨电极在脉冲电弧冲击下的侵蚀特征，基于开关电弧瞬态扩散特征和石墨材料参数，在弧根区域建立了电弧-电极能量耦合模型，得到了等离子体-固体区域的传热特性。考虑石墨电极的相变特征，计算瞬态热作用下石墨电极的加热范围以及临界相变点，研究瞬态电弧热冲击作用下的石墨电极相变机制。研究结果表明，电弧-电极界面热流主要集中在电弧接触面中心，电弧沉积的能量密度最高可达109 W/m2，石墨在电流上升初期基本处于加热状态，在能量积聚作用下，石墨转变为升华状态，传热强度随半径急剧衰减，蒸发区域略小于电弧半径。通过实验记录了5种开关工况下石墨电极烧蚀形貌和质量损失情况，结果表明，电极质量损失与电弧沉积在电极表面的能量线性相关，近似为0.015 mg/J。研究了电弧关键参数对电极质量损失速率的影响，为延缓电极损耗提供数据支撑。
脉冲放电 气体开关 石墨电极 开关电弧 电极烧蚀 pulse discharge spark-gap switch graphite electrode switching arc electrode erosion 强激光与粒子束
2022, 34(7): 075003
强激光与粒子束
2020, 32(10): 105001
强激光与粒子束
2020, 32(3): 035002
1 华中科技大学 强电磁工程与新技术国家重点实验室, 武汉 430074
2 广西机电职业技术学院 电气工程系, 南宁 530007
采用板-板电极,在放电间隙距离为2 mm、放电电流峰值为22 kA条件下,对黄铜、钨铜电极的烧蚀特性进行了对比研究。利用高精度天平测量放电过程中的电极质量损失,分别获取了阴极、阳极及总的平均烧蚀速率。通过放电后电极表面微观形貌、微观元素组成的分析及液体中金属离子的含量分析,对水中脉冲放电金属电极的烧蚀机理进行了探讨。结果表明,水中脉冲放电时,钨铜电极的抗烧蚀性能明显高于黄铜电极。黄铜电极的主要烧蚀是以中心的大量孔洞及其边缘的波纹结构为表现形式的液体金属的溅射; 钨铜电极的突出物及较平整的表面暗示了气相侵蚀的作用。以电弧的焦耳热效应为催化剂,钨铜与水的电化学反应更为强烈,因此电化学腐蚀是水中放电电极烧蚀的形式之一。
脉冲放电 电极烧蚀 烧蚀速率 形貌特征 烧蚀机理 电化学反应 pulse current electrode erosion erosion rate morphology characteristic erosion mechanism electrochemical reaction 强激光与粒子束
2016, 28(4): 045007
1 华中科技大学 强电磁工程与新技术国家重点实验室, 武汉 430074
2 广西机电职业技术学院 电气工程系, 南宁 530007
针对水中、空气中脉冲放电条件下金属电极烧蚀速率及烧蚀机理差异，对脉冲大电流作用下水中、空气中钨铜电极的烧蚀特性进行了对比研究。在保证放电电流波形一致性的前提下，通过采用高精度天平测量并获取了水中、空气中钨铜电极的阴、阳极烧蚀速率及总烧蚀速率，并对电极表面进行了二次电子观察和背散射电子观察分析。结果表明，大脉冲电流作用下，水中钨铜电极烧蚀较空气中更为严重，钨铜电极的烧蚀主要是金属蒸发引起的汽相侵蚀。由于水介质较空气具有不可压缩性，水中放电电弧集中，电极表面电弧斑点处电流密度和电流作用时间较空气中更为严重，同时由于水中脉冲放电时发生的高温物理化学反应，是造成水中电极烧蚀要高于空气中的根本原因。
脉冲电流 电极烧蚀 烧蚀率 电荷转移量 形貌分析 pulse current electrode erosion erosion rate transferred charge morphology analysis 强激光与粒子束
2015, 27(11): 115003
中国工程物理研究院 流体物理研究所, 脉冲功率科学与技术重点实验室, 四川 绵阳 621900
针对直线变压器驱动源(LTD)对开关的长寿命需求, 基于前期研制的200 kV低抖动多间隙气体开关电极几何参数以及开关通流水平, 详细开展了不同电极材料(钼、黄铜、铜钨合金、高密度石墨、304和321不锈钢 )的烧蚀性能实验。实验结果表明, 在单次电荷转移量15.4 mC, 脉冲电流20 kA条件下, 体积烧蚀速率从大到小依次为: 石墨、黄铜、铜钨合金、钼、不锈钢。电极烧蚀微观形貌分析表明, 不锈钢是用于LTD开关相对较好的电极材料。根据不锈钢电极的体积烧蚀速率, 可知理论上LTD开关的运行寿命可以超过1×106次, 但前提是开关外壳需保持足够的绝缘强度。
Z箍缩 直线变压器驱动源 气体火花开关 电极烧蚀 Z-pinch linear transformer driver gas spark switches electrode erosion 强激光与粒子束
2014, 26(8): 085005
西北核技术研究所, 强脉冲辐射环境模拟与效应国家重点实验室, 西安 710024
在不同短路电流条件下，进行了不锈钢(1Cr18Ni9Ti)电极气体火花开关连续多次自击穿放电实验，通过测量电极质量损失、表面粗糙度和自击穿电压的变化，研究电极烧蚀特性及其对自击穿性能的影响。实验结果表明: 随着放电电流峰值和周期增大，电极材料烧损速率与电容电荷量呈线性增加，而电极表面烧蚀粗糙度与电流峰值呈线性增大，自击穿电压变化达到峰值和稳定区的放电次数减少，但稳定阶段的自击穿电压值及其相对标准偏差同时减少，五种放电电流情况下，自击穿电压概率密度分布均遵循高斯函数。
气体火花开关 电极烧蚀 自击穿电压 高斯分布 spark gas switch electrode erosion self-breakdown voltage Gaussian distribution 强激光与粒子束
2014, 26(4): 045042
中国工程物理研究院 电子工程研究所, 四川 绵阳 621900
采用Mo，WCu和W分别作为三种气体火花开关的主电极材料，进行放电条件下电极烧蚀实验，研究开关电极烧蚀率和烧蚀形貌，分析电极烧蚀特征。结果表明，Mo，WCu和W开关的主电极烧蚀率分别为3.32×10-2 C-1·m-2， 2.63×10-2 C-1·m-2和1.74×10-2 C-1·m-2，W开关主电极烧蚀率最小。实验后开关的主电极中心烧蚀严重，呈现明显裂纹和烧蚀坑。Mo主电极表面呈现明显熔融态，阴极表面形成大量裂纹(宽度达10 μm)和孔隙(孔径达10 μm)；WCu和W主电极表面形成少量圆球状W突起(粒径达20 μm及以上)。开关外壳内壁沉积了喷溅颗粒。WCu开关外壳沉积颗粒较大(粒径达10 μm)，Mo开关外壳沉积颗粒居中(粒径为2 μm)，W开关外壳沉积颗粒最小(近1 μm)。因此可优先选用具有优异抗烧蚀性能的W作为气体火花开关电极材料。
气体火花开关 电极材料 电极烧蚀 烧蚀率 微观形貌 能谱元素分析 gas spark gap electrode materials electrode erosion erosion rate micrograph EDX elemental analysis 强激光与粒子束
2014, 26(1): 015003
中国工程物理研究院 电子工程研究所, 四川 绵阳 621900
归纳了影响开关电极烧蚀量的因素，包括开关电极材料、放电条件等，分析了开关电极烧蚀特征与烧蚀后表面形貌，总结了开关电极烧蚀的主要机制——电极加热和电极材料去除机制。为了延长开关工作寿命，提出了减少开关电极烧蚀的措施，包括选用抗烧蚀性能优异的材料作为开关电极材料、采用合适的开关电极结构和优化的放电条件等。
电极烧蚀 放电条件 电极材料 抗烧蚀性能 烧蚀形貌 electrode erosion discharge condition electrode materials antierosion performance erosion morphology
1 西安交通大学 电力设备电气绝缘国家重点实验室， 西安 710049
2 西北核技术研究所， 西安 710024
设计了一种用于直线变压器驱动源的三电极场畸变气体火花开关。开关采用SF6气体绝缘，开关尺寸和电感较小，实测开关电感约为67 nH。在工作电压±80 kV、工作系数为70%时，开关触发时延为40.0 ns，抖动约2.8 ns。对比研究了钨铜合金和黄铜两种电极材料对开关静态和触发击穿特性的影响，研究结果表明：铜钨合金电极开关的自击穿电压分散性、触发时延及抖动、自放电概率和电极表面烧蚀均小于黄铜电极，更适宜作为三电极场畸变开关的电极材料。
快脉冲直线变压器驱动源 三电极场畸变 气体火花开关 触发时延 电极烧蚀 fast pulse linear transformer driver three-electrode field-distortion gas spark switch trigger delay electrode erosion
