真空触发开关(TVS)的基本结构

真空应用 周正阳 大连理工大学电气工程与应用电子技术系

  真空开关是电力系统中的新型开关电器,其特点是利用真空作为主触头间的绝缘和灭弧介质,真空极为优异的绝缘强度和息弧能力给真空开关带来了很多优势。真空触发开关( triggered vacuum switch ,TVS) ,作为真空开关的一个分支,是在真空间隙和触发火花隙技术的基础上发展起来的。它具有结构紧凑、介质恢复迅速、操作无噪声、工作可靠性高、环境适应性强等优点,因而在大功率脉冲技术方面得到了广泛应用 。

  TVS 的研究始于上世纪六十年代,美国通用电气公司的J . M. Lafferty 等,对TVS ,特别是涂敷氢化物作触发材料的TVS 做了大量的研究。七十年代,关于绝缘介质和半导体涂层作为触发材料的TVS ,印度一些学者做了大量的试验。后来,TVS在大功率脉冲技术、高电压大电流快速关合以及电磁发射等领域中的应用,进一步促进了TVS 的发展。TVS 的最高工作电压可达100kV ,最大工作电流可达200kA ,最高重复频率在1kHz 以上,最长使用寿命达108 次。

  TVS 的开通过程本质上是电弧燃烧的过程,而起弧的不稳定性直接影响TVS 的成功开通,阻碍了TVS 的进一步推广和使用。本文利用数字存储和高速摄影技术,记录了TVS 起弧过程中的电气特性和图像特性,对TVS 应用中的关键问题———起弧的稳定性做了相关的分析。

  TVS 的基本结构如图1 所示,它主要包括一个绝缘外壳(陶瓷或玻璃材料) 、一个金属屏蔽罩、一对相距为d 的主电极和一个触发极,管内真空度一般维持在1.33 ×10-4 Pa 左右。绝缘外壳保证内部空度,同时起绝缘和支撑作用;金属屏蔽罩可以调整TVS 内部的电场分布,并且防止燃弧时金属蒸气沉积在绝缘壳体的内表面,导致壳体内表面的绝缘强度降低;主电极传导大电流,其结构设计对TVS 的性能有重要的影响;触发极连接外来触发源,产生初始等离子体。触发极和主电极之间没有任何填充剂,TVS 样品视为场击穿型。

TVS的基本结构 

图1  TVS的基本结构

TVS样品的结构参数 

表1  TVS 样品的结构参数

  TVS 的工作过程通常包括两个阶段,即触发阶段和主间隙导通阶段。触发阶段为主间隙提供初始等离子体。作为场击穿型TVS ,初始等离子体由触发针的尖端放电产生,经扩散进入主间隙。在主间隙电场的作用下,带电粒子逐步发展,最后建立起金属蒸气电弧,主间隙完全导通。当主间隙放电电流过零时,开关截流断开。

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