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

相較于傳統(tǒng)的利用沿面擊穿或場(chǎng)畸變方式產(chǎn)生初始等離子體的電觸發(fā)真空開關(guān)，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(jiǎn)化開關(guān)及觸發(fā)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的同時(shí)可大幅提升其工作可靠性，更具有導(dǎo)通時(shí)延短、觸發(fā)精度高、使用壽命長(zhǎng)等諸多優(yōu)勢(shì)。

自1973年前蘇聯(lián)A. A. Makarevich等利用激光觸發(fā)導(dǎo)通真空短間隙以來，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)LTVS的性能提升及推廣應(yīng)用進(jìn)行大量工作。

• 美國(guó)Sandia實(shí)驗(yàn)室的P. J. Brannon等對(duì)比了數(shù)千種觸發(fā)材料LTVS的導(dǎo)通時(shí)延特性，認(rèn)為Ti與KCl的混合粉末更適合用于LTVS。
• 日本的A. Sugawara等對(duì)比了不同電極材料對(duì)LTVS的導(dǎo)通性能的影響。
• 華中科技大學(xué)何正浩等針對(duì)多棒極型激光觸發(fā)真空開關(guān)導(dǎo)通性能及觸發(fā)機(jī)制進(jìn)行研究，其研制的多棒極型LTVS耐壓為26kV，導(dǎo)通時(shí)延低至17ns。
• 大連理工大學(xué)廖敏夫等比較了不同觸發(fā)材料激光觸發(fā)真空開關(guān)的壽命劣化特性，認(rèn)為L(zhǎng)TVS可靠性的降低主要是由于電弧對(duì)觸發(fā)材料燒蝕作用。

此前關(guān)于LTVS的研究大多關(guān)注其導(dǎo)通性能提升和使用壽命優(yōu)化，針對(duì)其開斷能力的研究相對(duì)較少。結(jié)合LTVS的工作過程，激光熱燒蝕觸發(fā)材料導(dǎo)通真空間隙后，高溫真空電弧對(duì)觸發(fā)材料亦存在強(qiáng)烈熱作用，燃弧及弧后階段觸發(fā)材料釋放的帶電粒子會(huì)在一定程度上影響間隙介質(zhì)強(qiáng)度恢復(fù)，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(hù)等領(lǐng)域?qū)τ|發(fā)開關(guān)重復(fù)工作能力需求，本文統(tǒng)計(jì)不同條件下LTVS的完全開斷時(shí)間，研究其重頻開斷特性。

LTVS的開斷性能主要取決于電弧對(duì)觸發(fā)材料的熱作用。與電弧特性有關(guān)的電流頻率、電流幅值及工作電壓等電路參數(shù)和電極結(jié)構(gòu)、觸發(fā)材料種類等結(jié)構(gòu)參數(shù)均會(huì)影響LTVS的開斷特性。本文基于可拆卸真空腔體搭建實(shí)驗(yàn)電路，改變電流頻率、電流峰值、工作電壓、電極結(jié)構(gòu)和觸發(fā)材料種類等因素，對(duì)比不同電路參數(shù)和觸發(fā)材料下LTVS的完全開斷時(shí)間差異，討論電弧參數(shù)對(duì)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(shè)計(jì)提供參考和建議。

圖1 LTVS重頻開斷實(shí)驗(yàn)電路

結(jié)論

本文通過改變影響電弧特性的電路參數(shù)和內(nèi)部結(jié)構(gòu)參數(shù)，研究不同電弧參數(shù)對(duì)LTVS重頻開斷特性的影響，得到以下結(jié)論：

• 1）LTVS完全開斷振蕩電流所需時(shí)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(huì)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(shí)間；但開斷高頻電流時(shí)，縱磁電極難以形成有效的磁場(chǎng)以調(diào)控電弧運(yùn)動(dòng)，對(duì)LTVS開斷能力的提升效果有限。
• 3）電流過零時(shí)電弧高溫對(duì)不同觸發(fā)材料熱作用效果不同，影響LTVS的完全開斷時(shí)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(nèi)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(dǎo)能力雖有利于開關(guān)的導(dǎo)通性能提升，但不利于LTVS快速開斷高頻電流。