邹贵荣，王 荣，孙法治

（1.国网辽宁省电力有限公司大连培训中心，辽宁 大连 116023；2.国网辽宁省电力有限公司，辽宁 沈阳 110006）

油介质脉冲功率开关相关理论研究探析

邹贵荣1，王 荣1，孙法治2

（1.国网辽宁省电力有限公司大连培训中心，辽宁 大连 116023；2.国网辽宁省电力有限公司，辽宁 沈阳 110006）

脉冲功率技术是一门新兴的前沿科学技术，近年来由于广泛的应用得到了迅速发展。高压脉冲功率开关技术的发展直接制约着脉冲功率技术的应用前景。油介质具有安全性强、维护费用低、平台兼容性高等诸多优点。脉冲功率开关放电是一个复杂的过程，与开关的电极形状、正负极性、极间距离、液体介质性质和电压作用时间密切相关。文中研究了油流速和油压力对开关油介质中副产物的影响及开关油介质放电特性，为脉冲功率开关的设计及相关理论提供一定的思路。

脉冲功率技术；高压脉冲开关（HPS）；油介质放电特性

脉冲功率技术是一门在较长时间内对较小的功率进行压缩，通过开关系统以极快速度（可达纳秒级）向负载释放压缩能量的电物理技术［1］。总的来说，是对输入功率的放大，通常负载上的功率大于106W［2］。它的主要特点是高电压、大电流、高功率、强脉冲。脉冲功率技术已被广泛应用于受控核聚变与等离子体物理研究、电力系统、新兴强激光、核爆实验室模拟、电磁炮等领域。脉冲开关技术是脉冲功率学科中研究的重要内容［3］，脉冲功率开关是脉冲功率装置中核心部件之一，常用的开关种类很多［4］，例如：气体开关、液体开关等。其中，油介质开关是脉冲功率技术中的一种最具代表性的开关［5］。

1 高压脉冲开关（HPS）技术

HPS的设计理念使用了加压流动的油作为开关介质。油介质和气体介质相比，具有安全性强、维护费用低、平台兼容性高等优点。开关可以在机载试验平台上使用，选用poly－α烯烃或者PAO作绝缘油，与机身的兼容性很高［6］。大部分液体具有相对不可压缩性，因此绝缘油在高压下操作很安全。当开关放电时，紧邻电弧通道的油分子被汽化或灼烧，由于气体比液体击穿场强低，因此蒸汽和气孔可导致油介质劣化，同时开关脉冲重复频率提高也会受到油介质中阳极和阴极间气体产物清除率的限制。

1.1 油流速对气体副产物的影响

油流速越高越有利于清除放电区域的气体副产物，但随着油流速逐渐增大，会出现以下2个问题。首先，油泵的功率损耗会迅速增大；其次，根据伯努利原理，油泵的出口压力和出口流速成反比关系，当油流速增加到一定程度时，泵出口压力会下降到油的汽化压力，此时将产生对油介质的绝缘强度恢复不利的空穴。

1.2 油压力对气体副产物的影响

使用加压油可减小放电过程中产生的气体副产物的绝对体积，同时也可提高油介质的恢复速率。假设试验中蒸汽压力为常数，相同的油流速和油温下，操作压力的升高增加了气泡消失的可能性。由于阻尼振荡运动以及油吸收率的升高，气泡消失率上升。式（1）是描述气泡在环境压力下瓦解的持续时间。

式中：τ是气泡瓦解的时间（s）；ri是气泡的初始半径（m）；ρ是流体密度（kg／m3）；P是液体静压力（Pa）。该过程是一个周期性过程，气泡振荡周期可为任意气泡的振荡周期。从式（1）中可明显看出，振荡周期和压力的平方根成反比。压力增加，振荡周期减小，在粘性流体（如油）中，气泡消失更快。

初始气泡半径ri对决定相对持续时间很重要，利用一个已知的吸收能量来估计初始气泡半径。可确定1个方程用来描述球形气泡外边界上的力，就是外部压力乘以外表面积，如式（2）。式（2）中F是球形气泡外边界上受到的外力（N），P是球形气泡受到的外部压强（Pa）。形成气泡所做的功为反作用力乘以位移，对于球形气泡如式（3），式（3）中气泡被油压压缩时，气泡外围力所做的功可以很好地预测初始值［7］。

因许多损耗的功无法预测，故式（3）在很多情况下并不实用。因此，介绍另一种被广泛接受的方法，用来预测电弧通道中能量的吸收，对于生成1个气泡所需能量进行合理预测。该方法由J.C. Martin给出，开关的能量耗散方程如式（4）所示［8］。式（4）中，V是击穿充电电压（kV）。能量在电弧通道中耗散，形成1个气泡时，气泡外围力所做的功W（J），由于电弧通道阻抗衰减，电弧通道随时间常数τr呈指数下降，τr由式（5）给出，式（5）中Z为电源阻抗（Ω），Eb为击穿时场强（MV／cm）。当4.8 Ω脉冲发生器在250 kV、1.2 MV／cm下发生击穿，阻抗为电弧通道吸收的能量约为7.6 J。

放电形成气泡的尺寸可由式（3）预估得来。气泡半径和压力有关，故选择一些极端条件来预估。大气压（101 kPa）下，气泡半径为2.62 cm；高压（10 MPa）下，半径为5.66 mm。2种情况下，都预测出气泡半径比电极间隙大几倍。电极导致的边界约束使得气泡形状几何失真。电极表面滑动接触及Rayleigh流体所致的不稳定导致气泡在前1个振荡周期收缩，单个气泡承受击穿过程。最终，压力液体中的气泡会被液体吸收，液体保持饱和。

给液体增压的另一个好处是增加油吸收气体的能力，如图1［9］所示，气体吸收容量是关于油压的函数。当压力达到油的临界压力（一般为2±1 MPa），油可以吸收大量气体，几乎是油体积的2倍。因此，可以吸收的气体总量取决于所用油的体积。当压力变低，油变成过饱和状态时，会释放气体到大气中。

图1 与油气体吸收量有关的油压函数

1.3 固态副产物对开关设计的影响

开关在放电过程中也会产生固态副产物，如由于油的不完全燃烧产生碳，或由于电弧作用从2个电极上脱落的金属粒子，金属粒子被油介质湍流逐出电极间加电的区域，因此该区域应谨慎设计，以免粒子截留。

2 油介质的放电特性

2.1 脉冲宽度和电极材料的影响

液体电介质的击穿电场强度一般随电压脉冲上升时间的减小而显著增大，且与电压脉冲宽度有关，同时遵从为常数的关系［10］。电压脉冲宽度越窄，液体电介质的击穿电场强度越高。例如在水中，当电压脉冲宽度为20 ns时，击穿电场强度是2.2 MV／cm；而当脉冲宽度为5 ns时，击穿电场强度增高至7 MV／cm。电极面积的大小对液体电介质的击穿电场强度也有影响，随着电极面积增大，击穿电场强度将下降。电极材料，特别是阴极材料对液体电介质的击穿电压及其稳定性也有明显的影响［11］。

随着电压脉冲宽度的增大，液体电介质如n－乙烷、n－葵烷等的击穿电场强度将迅速下降。而且液体电介质都有一个临界电压脉冲宽度，约为3 μs。当电压脉冲宽度大于临界值时，击穿电场强度几乎与脉冲宽度无关；而当电压脉冲宽度小于临界值时，随电压脉冲宽度减小，击穿电场强度将迅速上升。水作为液体电介质并没有明显的临界电压脉冲宽度，而且随着电压脉冲宽度的增大，水的击穿电场强度将减小。

2.2 油的压力和温度的影响

油的压力和温度对其击穿电场强度有较大影响，随着压力的增加，击穿电场强度也增加，不论是变压器油或其他液体都符合这一规律。而且当电压脉冲的宽度在较大范围变化时（如从0.5～10 μs）或更短的脉冲宽度，也有这种变化趋势。

2.3 液体纯度的影响

液体纯度对其击穿电场强度也有较大影响。液体中存在的微粒或纤维可使其击穿电场强度下降，特别是当这些微粒或纤维附着在正极性电极表现更为明显。若电压脉冲宽度较大，液体电介质的纯净度对之影响将更大。用固体电介质（如玻璃）覆盖电极表面，可使液体的击穿电场强度增大。

2.4 经验公式

在实际的工程结构中，电极形状和所用电介质多种多样，而电压作用时间（含脉冲前沿）又不尽相同，另外电极面积有大有小，电场极性有正有负，因此不可能用1个或几个公式概括所有情况。脉冲功率系统的绝缘问题一直是工程设计的棘手问题，只能依靠试验和借鉴经验公式。均匀电场中油和水常使用J.C.MARTIN公式，即式（6）：

式中：te是亚微秒高电压脉冲作用的有效时间，定义为从0.63Eb～Eb的时间；K是与介质和电压极性有关的常数；A是电极面积（m2）。当式（6）采用国际单位制时，K值如表1所示。

式（6）给出均匀电场中液体电介质电场强度应遵从的关系，适用于亚微秒范围。对于微秒充电脉冲和0.1 m2以内面积的电极，水的击穿场强约为15 MV／m，油击穿的场强为25 MV／m。对于更短持续时间（7～30 ns）的脉冲，J.P.VanDe⁃vender和T.H.Martin认为击穿场强Eb几乎是式（6）的2倍，其值可用式（7）确定。

表1 不同介质的K＋和K－值

式中：d是不对称电极间的距离（m）。

无论是指令触发开关还是过电压自击穿开关，在导通之前均处于强电场状态。当电压一定时，影响开关动作的因素包括电极形状、正负极性、极间距离、液体介质性质和电压作用时间。综上所述，可以确认开关放电是一个相当复杂的过程［12］。

3 结束语

虽然脉冲功率技术研究在我国还处于起步阶段，但由于其巨大的应用前景，发展非常迅速。脉冲功率开关是脉冲功率技术核心部件之一，围绕着开关的设计和制造必将展开深入地研究。基于此，本文为脉冲功率开关的设计提供了理论思路。

［1］曾正中.实用脉冲功率技术引论［M］.西安：陕西科学技术出版社，2003.

［2］刘宝生.采用缓冲层结构的脉冲功率开关RSD研究［D］.武汉：华中科技大学，2006.

［3］韩 旻，邹晓兵，张贵新.脉冲功率技术基础［M］.北京：清华大学出版社，2010.

［4］王 莹.脉冲功率技术综述［J］.电气技术，2009，10（4）：5－8.

［5］吴兴林，鲁旭臣，李 爽，等.72.5 kV真空环保型HGIS的可行性研究［J］.东北电力技术，2014，35（10）：47－48.

［6］Khodorkovsky J，＆B Khsusid，＆A Acrivos，et al.Compre⁃hensive Electrical Evaluation of Polyalphaolefin（PAO）Dielec⁃tric Coolant［R］.Beltran INC Brooklyn NY，1997.

［7］Dakiyleigh H，＆T Sakugawa，＆T Namihira，et a1.Industrial Applications of Pulsed Power Technology［J］.IEEE Trans on Di⁃electrics and Electrical Insulation，2007，14（5）：1 051－1 064.

［8］Martin T H，＆J F Seamen，＆D O Jobe.Energy Losses in Swit⁃ches［R］.Sandia National Labs，Albuquerque，NM（United States），1993.

Theoretical Research on Pulse Power Switching of Oil Medium

ZOU Gui⁃rong1，WANG Rong1，SUN Fa⁃zhi2
（1.State Grid Liaoning Electric Power Co.，Ltd.，Dalian Training Center，Dalian，Liaoning 116023，China；2.State Grid Liaoning Electric Power Co.，Ltd.，Shengyang，Liaoning 110006，China）

Pulse power technology is a new science technology with wide application which has developed rapidly in recent years.The development of high voltage pulse power switch technology directly restricts the application prospect of pulse power technology.Oil me⁃dium has a higher security，low maintenance，platform compatibility and many other advantage.Pulse power switch discharge is a complicated process which go together with switch electrode shape，positive and negative polarity，electrode distance，liquid medium nature and voltage time.The effect of oil flow rate and pressure on the secondary product in the oil medium and discharge characteris⁃tics are studied in this paper.It gives some resolutions for the design of pulse power switch and related theories.

Pulse power technology；HPS；Discharge property of oil medium

TN78；TM564

A

1004－7913（2015）12－0005－03