真空触发开关TVS的导通过程

来源:真空技术网(www.chvacuum.com)大连理工大学电气工程与应用电子技术系 作者:周正阳

        图7 是真空电弧图像采集系统,在可拆式真空灭弧室中利用CCD高速摄影获取电弧燃烧过程。因为TVS 样品中金属屏蔽罩的保护作用,客观上阻碍了对样品起弧燃弧过程的直接观察。利用可拆式真空灭弧室触头可更换的特点,换上TVS 相同样品的触头和触发针,再把触发脉冲引到触发针上,来再现TVS 样品中的电弧过程。图8 是获得的燃弧过程。

        触发小孔击穿瞬间,触发针上发射的电子和少量气体等离子体先到达阴极,此时触发电流还非常的小,如图8a。这少量等离子体在触发极和阴极间形成通路瞬间,续流的加入使得触发电流得到进一步发展,由于是正脉冲触发,在阴极表面产生一些阴极斑点,同时产生更多的等离子体扩散进入主间隙,如图8b。然后,主间隙通过辉光放电而开始导通,此时主间隙可以利用续流过程中已经建立的阴极斑点,起弧相对更容易,如图8c,这也正是选择正极性接线方式的原因。辉光放电电流迅速发展,最后转变成金属蒸气电弧,如图8d。此时,大量的阴极斑点在阴极触头表面随机的高速运动,随着电弧的燃烧,一些阴极斑点消失,而新的阴极斑点又产生。这些阴极斑点虽小,但电流密度非常的高,成为一个个金属蒸气的喷口。这些阴极斑点在起弧过程中过于密集不利于观察,由于燃弧过程中的电磁力和内部离子相互碰撞产生的气体压力等综合作用之下而被驱散,在燃弧快要结束时,阴极斑点非常的清楚,如图8i-l。

        在电弧的起始阶段,主间隙真空空间很快地被扩散的等离子体充满,这里有离子化的金属蒸气和氢气。等离子体扩散到电极表面附近的空间后,电流较小时,阳极表面吸收等离子体的电子电流,而在一些大电流区域,将出现阳极斑点,这些斑点在阳极的形成位置很不稳定,如图8e- f。如果电流很大,阳极形成正离子鞘层,与等离子体连接,如图8g- h。此时,电弧的3 个部分阴极位降区域、弧柱、阳极位降区域非常的清楚。一般地,阳极不是正离子源,在阳极附近形成的电场驱逐正离子离开阳极,形成一个充满自由电子的空间,即阳极位降区域,伴有相应的电压降,当电子流向阳极时得到加速。

        在阴极,正离子撞击电极表面的电流只占全电流的10%,其余的都是由发射的电子产生。一些能量较小的离子撞击阴极,但是当它们撞击阴极斑点时,由于阴极斑点面积很小,所产生的能量密度非常的大,所以阴极斑点是维持电弧的关键。而在阳极,所有的电流通过电子撞击电极而产生。大量的电子经阳极鞘层加速后轰击阳极,平均电子温度能量和电子热形成了一股很大的能量输入。当电流密度很大时,一些阳极附近区域通常是边缘,热传导不是很理想的地方,会积累足够的热以致产生金属蒸气。金属蒸气立即被高能量的电子流离子化。离子中和了发射金属蒸气的阳极区域附近的空间电荷,导致阳极压降的急剧下降。低的电压降引起更多的电流流入阳极的这些区域。金属蒸气密度的增加,导致等离子体中的自由电力电流密度增加,同样能促使更多的电流流入阳极。阳极电流的增加使得阳极受热更大,发射出更多的金属蒸气。这一正反馈过程导致在阳极斑点的产生过程中,阳极电弧的收缩,阳极斑点产生强烈的燃烧过程,最终导致阳极的破坏性融化。阳极电弧的收缩就是发展到了集聚型电弧,决定了所能承载的最大电流,除非采取一些方法来分散或者迫使阳极斑点快速运动。图8e- h,说明了此次燃弧只是形成了阳极鞘层,并没有发展到集聚型电弧,属于在额定开通范围内。

        图8i- l 是电弧电流的消退过程,弧光逐渐消失,阴极剩下少量阴极斑点,继续维持电流。当电流趋于零时,阴极斑点的数量也逐渐减小直到只剩下最后一个斑点。最后当这个斑点也消失了,电流就突然降到零,产生截流。截流后看主间隙电压恢复速度与主间隙介质强度恢复速度的比较,如果前者快于后者,主间隙有可能产生电弧重燃,如果后者快于前者,TVS 就被关断。

          试验结果表明,TVS 样品在开通过程中起弧可靠性高,燃弧过程稳定,在小电流过零时能够产生有效的截流。

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