三电极开关系统自击穿特性微观分析

詹艳艳，刘晓明，吴 楠

(1.沈阳工业大学 电气工程学院，沈阳 110870；2.天津工业大学 天津市电工电能新技术重点实验室，天津 300387； 3.沈阳理工大学 自动化与电气工程学院，沈阳 110159)

应用于Marx发生器[1-3]中的气体火花开关以其优越的性能被国内外学者广泛关注。在气体开关中，三电极开关与两电极开关相比具有工作可控性好、闭合时间短、抖动和延时小等优点。目前，针对三电极开关系统的研究主要集中在电路特性参数计算、动态和静态特性实验研究及电极烧蚀等方面[4-8]。Reddy等通过PIC方法模拟了0.1MPa氩气环境下两电极火花间隙开关的放电过程[9]。Thoma等基于二维和三维PIC-MC方法模拟了美国Sandia国家实验室的触发三电极气体开关放电过程，以实现相关脉冲功率系统开关设计[10]。徐翱等基于PIC-DSMC方法模拟了气体火花开关等离子体通道演化过程[11]。基于上述分析，为得到不同介质自击穿特性，本文对三电极开关在真空与SF6介质中自击穿过程中的微观过程进行模拟与分析。

1 三电极开关系统结构与计算模型

1.1 系统结构

三电极开关实物和模型如图1所示。开关上下主电极和中间触发极材质为不锈钢304，主电极与触发电极用尼龙螺丝固定，其间通过聚四氟乙烯垫片调节电极间距。

图1 三电极开关实物图和模型图

1.2 计算模型

1.2.1 流体动力学模型

在流体动力学模型中引入重粒子多组分扩散输运方程、电子连续性方程、电子平均能量方程和泊松方程进行求解。其中电子输运方程为

(1)

(2)

式中：ne为电子密度；Γe为电子通量；Re为电子速率；u为中性流体速度矢量；μe为电子迁移率；E为电场强度；De为电子扩散系数。

为描述放电中电子能量产生与损失机制，电子能量方程表述为

(3)

(4)

式中：nε为电子能量密度；Γε为电子平均能量通量；Rε为非弹性碰撞能量损失或增加；με为电子能量迁移率；Dε为电子能量扩散系数；下标ε表示电子能量。

(5)

1.2.2 粒子化学反应模型

在弱电离等离子体中，放电是由外加电场驱动的，输入功率更多的传递给了电子，而较重的离子只有通过和中性气体分子碰撞才能有效地交换能量。本质是基本粒子之间的弹性碰撞、激发、电离、重物质反应等，以及这些粒子与电极表面相互碰撞作用的结果。真空介质中和SF6介质中粒子主要化学反应如表1和表2所示。

表1 真空介质主要化学反应

表2 SF6介质主要化学反应

1.2.3 边界条件

边界条件的设定：在边界处假设电子及电子能量的法向分量为0，即：

n·Γe=0，n·Γε=0

(6)

电子在随机的几条平均自由路径中与壁垒碰撞产生二次发射，得到如下边界条件：

电子通量边界条件：

(7)

电子能量通量边界条件：

(8)

表面反应边界条件：

-n·jk=MwRk+MwckZkμk(E·n)[Zkμk(E·n)>0]

(9)

式中：n为法向单位矢量；υe,th为电子热力学速度；γp为二次发射系数；εp为二次电子的平均能量；jk为扩散通量向量；Mw为平均分子量；Rk为速率表达式；ck为摩尔浓度；Zk为电荷数。

1.3 仿真条件分析

由于三电极开关系统具有对称特性，所以仿真模型只取上极板与触发极间进行分析，如图2所示。其中仿真具体参数为：两极板直径122mm；上极板凸台直径90mm；极板间距5mm；仿真介质为真空；绝对压强为2torr；极板间电压为1kV。其他介质中击穿过程与真空类似。

图2 开关仿真物理模型

2 开关系统自击穿过程微观分析

三电极开关系统仿真分析，初始电子由场致发射提供。在外加电场作用下由阴极表面产生初始电子。击穿过程则是由于初始电子在电场作用下向阳极运动，这其中会与其他粒子发生碰撞、电离、激发、复合等过程导致间隙击穿而形成等离子通道。

图3为电子密度分布随时间发展过程。

图3a在t=0.5ns时，开关上极板边缘处最先出现由场致发射产生的初始电子。这是由于边缘处电场畸变严重，电场强度较大，相比其他区域更易产生初始电子。这部分电子运动速度较快，与其他中性粒子碰撞、电离产生更多二次电子和离子，其中也有部分电子直接轰击电极板表面使电极表面激发出新的电子。进程发展如图3b所示，在t=10ns时，电极间电子数密度达1020m-3量级，逐渐增多的电子在电场的作用下依旧向阳极运动并形成一定规模的电子云。此时可认为等离子体通道[11]已初步形成。图3c中，当t=100ns时，电子数密度达到最大值为1023m-3量级。而后当时间再次增加时电子数密度开始下降，说明此时等离子体通道最终形成完毕，极间放电已经发生。

图3 电子密度不同时间分布发展过程

3 等离子体通道影响因素仿真分析

3.1 不同介质等离子体通道特性分析

3.1.1 真空介质等离子体通道特性分析

真空状态下由于气体稀薄，单位体积内的气体分子数少，因此粒子之间相互碰撞次数相对较少，不利于等离子通道的形成。在高压系统中真空经常被用做绝缘和灭弧介质。研究等离子通道在真空中的形成过程可以清楚的了解放电微观物理机理[12]。这其中，电子密度分布的发展可以明确表面等离子通道的形成过程。

图4为不同时刻电子密度轴向分布。

图4 真空介质不同时刻电子密度轴向分布

图4中横坐标表示从触发极到上极板间的距离。上极板电压为1kV，下极板电压为0V。

由电子密度轴向分布曲线可知，电子密度随时间增加不断增大，并从阴极向阳极扩展。t0为初始时刻由场致发射产生的初始电子，数量较少近似为零。从t1至t4时间内电子密度在增大的同时其分布逐渐远离阴极。这是由于电子在向阳极运动的过程中发生碰撞电离等反应形成电子崩，崩头逐渐远离阴极，而较重的离子运动速度远低于电子，会在阴极附近形成一个较薄的正电荷区，即鞘层区。在鞘层区外电子密度达到最大值。电子在向阳极移动的过程中大部分由于吸附、复合等作用而终止其“行程”，只有少部分电子到达阳极完成其“旅程”，形成整个放电过程。而在阳极附近，电子分布有突然增加的现象，这是由于存在电荷泄漏，大量负离子在电极表面发生表面反应而释放电子恢复中性。

在等离子通道形成的过程中由于电子的碰撞电离会产生能量转移，导致电子温度[13]发生变化。因此在描述等离子通道形成的过程中通常引入电子温度分布。

图5为不同时刻轴向电子温度分布曲线。

图5 真空介质不同时刻电子温度轴向分布

从图5中可以看出电子温度变化主要集中在阴极附近，这种变化是由于电子和鞘层碰撞产生的能量转移。而远离阴极的区域电子温度较稳定，这部分是由电子与中性粒子碰撞后产生的动量转移造成的。因为真空中中性粒子较少，所以这部分区域电子温度分布较稳定。又由于外加电压并不随时间发生变化，所以当鞘层稳定后电子温度基本稳定。由图5可以看出t1至t4曲线几乎重合。

图6为真空中等离子体通道电场强度分布。

图6 真空中等离子体通道电场强度

图6所示等离子体在阳极附近和中间区域电场强度约为0，阴极附近空间电场约为106V/m。可以看出在电极边缘处电场强度最大，这是由电极形状产生的非均匀场。

3.1.2 SF6气体介质等离子体通道特性分析

SF6是强电负性气体，其分子极易吸附自由电子而形成质量较大的负离子，削弱气体中碰撞电离过程，因此其电气绝缘特性很高，也经常被用作绝缘和灭弧介质。

图7为在SF6介质中不同时刻电子密度分布。

图7 SF6介质不同时刻电子密度

图8为在SF6介质中不同时刻电子温度轴向分布。

图8 SF6介质不同时刻电子温度轴向分布

从图7、图8可以看出，与真空相比，电子密度数减少3个数量级，电子温度较高，并很难形成稳定的弧柱区。放电间隙中，不断发生的吸附反应使间隙中电子数减少，导致电子温度升高。由于电极形状并未发生改变，所以在SF6气体介质中电场分布与真空中分布相似。

3.2 不同间距时等离子体通道特性分析

以真空介质和SF6介质为例，开关系统间距分别为3mm，4mm和5mm，放电过程其等离子体通道稳定时刻电子密度和电子温度如表3和表4所示。

表3 不同间距真空等离子体通道电子密度和电子温度

表4 不同间距SF6等离子体通道电子密度和电子温度

由表3、表4可知，电子密度和电子温度均随间距增加而增加。间距增加，有效电离碰撞加强，形成大量空间电荷，增强了近阴极区电场强度，使二次发射作用增强，电子加速增加，电子密度和电子温度增加。

4 结论

(1)仿真分析气体开关的击穿过程即等离子通道的形成过程，从电子密度和电子温度分布两方面进行说明。由电子密度分布随时间发展过程和电场强度分布可知，电子密度变化总是发生在电场畸变最严重的区域。由电子密度轴向分布可知，电子密度随时间增加不断增大，并从阴极向阳极扩展。由电子温度轴向分布可知，等离子体通道形成的能量通过鞘层时逐渐增大，脱离鞘层后达到相对稳定状态。

(2)对真空和SF6介质进行对比分析。结果表明，随着电极间距增加，电子密度和电子温度也随之增大。与SF6介质相比，真空介质电子密度数较多、电子温度较低，绝缘性能不及SF6介质。

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