CN114295973A - 一种高功率气体开关预处理及老炼方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种高功率气体开关预处理及老炼方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：S1)清洗开关部件；S2)组装清洗干净的开关部件；S3)开关老炼；S4)检验开关是否老炼合格，若老炼不合格，则重复步骤S1)～S3)，直至老炼合格。本发明通过对气体开关部件清洗，开关安装及老炼，提高了气体开关的工作电压、电流稳定性，减小了开关触发延迟时间抖动，确保开关稳定、可靠工作。
Description
技术领域
本发明属于高功率气体开关技术领域，具体涉及一种高功率气体开关预处理及老炼方法。
背景技术
脉冲功率技术是一种通过对能量进行变换和转换，对其进行时间和空间上的压缩，获取极高功率脉冲，驱动负载产生高功率密度、高能量密度等离子体、激光、X光、电磁力，从而创建高功率密度、高能量密度X光、力学等加载环境。脉冲功率技术广泛应用于激光聚变、离子束、微波功率源、雷达发射机等领域，是近数十年来新兴的多学科交叉技术研究领域。
高功率气体开关是多种类型脉冲功率装置的核心部件之一，也是脉冲功率技术研究领域的重要研究方向之一。高功率气体开关的预处理和老练是其研制工作中的核心工艺技术之一，对其性能具有重要影响。气体开关老炼通常采用高压大电流，电流控制在10kA以下进行老炼，该方法存在以下问题：1)微小毛刺不能很好去除；2)老炼电流过大，造成大量次生毛刺和飞溅融化的金属液滴，金属液滴固化后产生新的金属突起。从而导致气体开关耐压性能难以稳定，自击穿电压偏差大，自击穿电压均值偏低，开关触发延迟时间及抖动大。
发明内容
本发明提供了一种高功率气体开关预处理及老炼方法，该方法主要由开关部件清洗、开关组装和开关老炼三部分组成。本发明通过对气体开关部件清洗，开关安装及老炼，提高了气体开关的工作电压、电流稳定性，减小了开关触发延迟时间抖动，确保开关稳定、可靠工作。具体采用如下技术方案：
一种高功率气体开关预处理及老炼方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：
S1)清洗开关部件；
S2)组装清洗干净的开关部件；
S3)开关老炼
S4)检验开关是否老炼合格，若老炼不合格，则重复步骤S1)～S3)，直至老炼合格。
进一步，对于自击穿气体开关，所述步骤S3)具体包括如下步骤：
S3.1)开关低压小电流自击穿
设定低压小电流自击穿的具体条件为：在气体开关内充入惰性气体，老炼电压为开关工作电压的1/20～1/10；老炼电流在20A～50A之间；采用电容值为220pF电容器；
老炼200～500发；
S3.2)开关高压小电流自击穿
设定高压小电流自击穿的具体条件为：在气体开关内充入氮气或氮气与六氟化硫的混合气体，老炼电压为开关工作电压的1/2～2/3；老炼电流在50A～100A之间；采用电容值为10pF电容器；
老炼200～500发，或多次老炼直至自击穿电压相对偏差小于平均击穿电压3％；
S3.3)开关低压大电流自击穿
设定低压大电流自击穿具体条件为：老炼电压为开关工作电压的1/20～1/10，老炼电流为工作电流的1/10～1/5；采用电容值为470pF电容器；
老炼20～30发；进一步，针对有触发电极气体开关，步骤S3)具体包括：
S3.1)开关低压小电流自击穿；
设定开关低压小电流自击穿的条件具体为：在气体开关内充入惰性气体，老炼电压为开关工作电压的1/20～1/10；老炼电流在20A～50A之间；采用电容值为220pF电容器；
老炼200～500发；
S3.2)开关高压小电流自击穿
设定高压小电流自击穿具体条件为：在气体开关内充入氮气或氮气与六氟化硫的混合气体，老炼电压为开关工作电压的1/2～2/3；老炼电流在50A～100A之间；采用电容值为10pF电容器；
老炼200～500发，或多次老炼直至自击穿电压相对偏差小于平均击穿电压3％；
S3.3)开关高压小电流触发试验，以去除触发针或触发盘小毛刺
设定高压小电流触发试验具体为：在气体开关内充入氮气或氮气与六氟化硫的混合气体，触发脉冲电压幅值为工作电压的110％～150％，触发电压脉冲前沿小于100ns，脉冲宽度为100～200ns，针型触发电极结构开关采用负极性脉冲电压触发，盘型触发电极结构开关采用正极性脉冲电压触发，主电极、触发电极工作电流均控制在50A～100A之间，采用电容值为10pF电容器；
触发200发；
S3.4)开关低压大电流自击穿，以去除粗大毛刺：
设定低压大电流自击穿具体条件为：老炼电压为开关工作电压的1/20～1/10，老炼电流为工作电流的1/10～1/5，采用电容值为470pF电容器；
老炼20～30发；
S3.5)绘制开关耐压曲线
以开关气体气压为横坐标，开关自击穿电压为纵坐标，绘制开关耐压曲线。
步骤S3.6)高压大电流触发试验。对于触发电极气体开关，检验是否老炼合格具体在高压大电流触发试验条件下进行检验，以实现去除触发针或触发盘粗大毛刺。
进一步，步骤S3.6)具体包括如下步骤：
S3.6.1)设定高压大电流触发试验条件，具体为：
根据开关耐压曲线纵坐标选择触发试验点的电压；
根据开关耐压曲线获取对应横坐标的开关气压，调整实际工作电压使欠压比至预设范围；
使老炼开关工作电流小于10kA，触发电压幅值为开关实际工作电压的110％～150％，触发电压脉冲前沿小于100ns，脉冲宽度控制在100～200ns；
采用电容值为470pF电容器；
S3.6.2)在不同欠压比下，分别进行触发试验，确定开关延迟时间和开关抖动；
进一步，步骤S4)具体为：检验开关延迟时间和开关抖动是否小于指标值(即预设延迟时间、预设开关抖动、或实际使用指标要求)；若否，则重复执行步骤(1)～步骤(3)，直至开关延迟时间和开关抖动小于指标值，即老炼合格。
进一步，步骤S3.6.2)中，所述欠压比取值范围在0.7～0.75之间。
进一步，所述步骤1)具体为：
S1.1)开关的金属部件清洗：首先采用航空煤油清洗，再用纯度99％以上工业酒精清洗；
S1.2)开关的非金属部件清洗：首先用洗涤剂稀释清洗，再用大量清水冲洗，最后用去离子水清洗；
S1.3)擦拭及干燥：部件清洗干净后使用绸布或无纺布擦拭，部件擦拭干净后，置于干燥箱内干燥或在洁净的环境中自然晾干；在装配时对电极和绝缘壳体使用热风枪吹干。
进一步，步骤S1.3)中，绝缘材料吹干时气流温度不宜超过100℃。
附图说明
图1为本发明高功率气体开关预处理及老炼方法流程示意图；
图2为实施例1高功率气体开关预处理及老炼方法流程示意图；
图3为实施例2高功率气体开关预处理及老炼方法流程示意图。
具体实施方式
实施例1
如图1、图2所示，本实施例针对自击穿气体开关进行预处理及老炼，具体包括如下步骤：
S1)清洗开关部件；
S2)组装清洗干净的开关部件；
S3)开关老炼；
S4)检验开关是否老炼合格，若老炼不合格，即对不符合参数要求及自击穿电压偏差大的开关，重复步骤S1)～S4)，直至老炼合格。
其中，各步骤具体如下：
S1)开关部件清洗
S1.1)开关的金属部件清洗：首先采用航空煤油清洗，再用纯度99％以上工业酒精(无水乙醇，以下简称酒精)清洗。由于航空煤油渗透性好，对油性物质溶解性好，主要用于溶解、清洗残留在金属部件上的油性物质，进而冲洗、去除与油性物质一起粘附在金属部件表面的金属及其它物质碎屑。航空煤油清洗后，溶解在航空煤油中的油性物质在航空煤油挥发后容易残留痕迹和杂质，因此在需继续使用酒精对金属部件进行清洗以去除材料表面杂质，同时溶解未溶于航空煤油的附着物。
S1.2)开关的非金属部件清洗：先用洗涤剂稀释清洗，再用大量清水冲洗，最后用去离子水清洗。由于非金属材料一般为聚乙烯、尼龙、聚苯丙烯、聚碳酸酯等有机材料，丙酮和酒精对常用有机材料有一定的溶解性，可能造成部件损坏或性能改变，因此严禁使用丙酮和酒精等可溶解有机物的清洗剂。陶瓷材料可用酒精清洗。
S1.3)擦拭及干燥：部件清洗干净后可使用绸布或无纺布擦拭，部件擦拭干净后，可置于干燥箱内干燥或在洁净的环境中自然晾干；在装配时对电极和绝缘壳体使用热风枪吹干，其中绝缘材料吹干时气流温度不宜超过100℃。
S2)开关组装
开关组装时工艺要求如下：
1)安装工作环境应洁净无尘或低尘；
2)安装工具应使用酒精清洗干净，特别是装配开关腔内部件的安装工具必需酒精清洗干净；
3)高压气体开关安装螺钉应选用内六角螺钉，尽量避免有锐边锐角，螺钉材料应选择不锈钢或发黑处理的碳钢以防锈蚀；
4)开关内可能发生震动的部件应加弹垫；
5)对场畸变等对同轴结构的气体开关，安装时应保证电极之间的同轴度和平行度。
S3)开关老炼
针对自击穿气体开关，本实施例老炼方法包括如下步骤：
S3.1)低压小电流自击穿
低压小电流自击穿试验目的：烧蚀小毛刺。设定低压小电流自击穿的具体条件为：在气体开关内充入氩气或氦气等惰性气体(一般充入氩气)，氩气气压高低由开关老炼电压Vcu决定，老炼电压选择开关工作电压的1/20～1/10；根据老炼电压设计负载阻抗，使老炼电流在20A～50A之间；采用电容值为220pF电容器。老炼200～500发。
S3.2)高压小电流自击穿
高压小电流自击穿试验目的：在高压下烧蚀金属电极上的有机物；清除机械加工残留突起及尖锐小毛刺。设定高压小电流自击穿具体条件为：在气体开关内充入氮气或氮气与六氟化硫的混合气体，气体气压高低由开关老炼电压决定，老炼电压选择开关工作电压的1/2～2/3；根据老炼电压设计负载阻抗，使老炼电流在50A～100A之间；采用电容值为10pF电容器。老炼200～500发或多次老炼直至自击穿电压相对偏差小于平均击穿电压3％。
S3.3)低压大电流自击穿
低压大电流自击穿试验目的：去除粗大毛刺。设定低压大电流自击穿具体条件为：在气体开关内充入氩气或氩气的混合气体，气体气压高低由开关老炼电压决定，老炼电压选择开关工作电压的1/20～1/10；根据老炼电压设计负载阻抗，使老炼电流控制在工作电流的1/10～1/5；采用电容值为470pF电容器。老炼20～30发。
S4)检验开关延迟时间和开关抖动是否小于指标值(即预设延迟时间、预设开关抖动、或实际使用指标要求)；若否，则重复执行步骤(1)～步骤(3)，直至开关延迟时间和开关抖动小于指标值，即直至老炼合格。
实施例2
如图1、图3所示，本实施例针对有触发电极气体开关进行预处理及老炼，不同之处在于，该实施例步骤S3)、步骤S4)具体包括如下步骤：
S3.1)开关低压小电流自击穿；
设定开关低压小电流自击穿的条件具体为：在气体开关内充入氩气或氦气等惰性气体，老炼电压为开关工作电压的1/20～1/10；老炼电流在20A～50A之间；采用电容值为220pF电容器；
老炼200～500发；
S3.2)开关高压小电流自击穿
设定高压小电流自击穿具体条件为：在气体开关内充入氮气或氮气与六氟化硫的混合气体，老炼电压为开关工作电压的1/2～2/3；老炼电流在50A～100A之间；采用电容值为10pF电容器；
老炼200～500发，或多次老炼直至自击穿电压相对偏差小于平均击穿电压3％。
S3.3)开关高压小电流触发试验，以去除触发针或触发盘小毛刺
设定高压小电流触发试验具体为：在气体开关内充入氮气或氮气与六氟化硫的混合气体，触发脉冲电压幅值为工作电压的110％～150％，触发电压脉冲前沿小于100ns，脉冲宽度为100～200ns，为减小开关抖动，针型触发电极结构开关采用负极性脉冲电压触发，盘型触发电极结构开关采用正极性脉冲电压触发，根据工作电压设计负载阻抗，使主电极、触发电极工作电流均控制在50A～100A之间，采用电容值为10pF电容器；
触发200发；
S3.4)开关低压大电流自击穿，以去除粗大毛刺：
设定低压大电流自击穿具体条件为：老炼电压为开关工作电压的1/20～1/10，老炼电流为工作电流的1/10～1/5，采用电容值为470pF电容器；
老炼20～30发；
S3.5)绘制开关耐压曲线
以开关气体气压为横坐标，开关自击穿电压为纵坐标，绘制开关耐压曲线。
S3.6)高压大电流触发试验。对于触发电极气体开关，检验是否老炼合格具体在高压大电流触发试验条件下进行检验，以实现去除触发针或触发盘粗大毛刺。具体包括如下步骤：
S3.6.1)设定高压大电流触发试验条件，具体为：
根据开关耐压曲线纵坐标选择触发试验点的电压，触发试验点的电压为开关实际工作电压；
根据开关耐压曲线获取对应横坐标的开关气压，调整实际工作电压使欠压比至预设范围(欠压比＝开关实际工作电压/开关自击穿电压)在0.7～0.75之间；
使老炼开关工作电流小于10kA，触发电压幅值为开关实际工作电压的110％～150％，触发电压脉冲前沿小于100ns，脉冲宽度控制在100～200ns；
采用电容值为470pF电容器；
S3.6.2)在不同欠压比下，分别进行触发试验10发，确定开关延迟时间和开关抖动；确定开关延迟时间(延迟时间＝触发电压信号前沿50％至开关导通电流信号前沿50％之间的时间)和开关抖动(开关延迟时间为10次延迟时间的平均值，开关抖动为10次延迟时间的均方根)，即完成高压大电流触发试验。
S4)通过开关耐压曲线检验开关是否老炼合格，
对不符合参数要求及自击穿电压偏差大的开关重复步骤S1～S3，进行检查和重新老炼，直至老炼合格。具体为：检验开关延迟时间和开关抖动是否小于指标值(即预设延迟时间、预设开关抖动、或实际使用指标要求)；若否，则重复执行步骤(1)～步骤(3)，直至开关延迟时间和开关抖动小于指标值，即老炼合格。
有益效果：
本发明结合理论分析和实验验证，提出了一种创新的高功率气体开关预处理及老练方法，通过对气体开关清洗、组装和老炼，有效地改善了开关电极及壳体内壁材料表面形态。提高了气体开关耐压稳定性，使自击穿电压偏差控制在±5％以内，自击穿电压均值调高10％以上，且减小了开关触发延迟时间及抖动，使其更好地符合设计目标。
Claims (8)
1.一种高功率气体开关预处理及老炼方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：
S1)清洗开关部件；
S2)组装清洗干净的开关部件；
S3)开关老炼
S4)检验开关是否老炼合格，若老炼不合格，则重复步骤S1)～S3)，直至老炼合格。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，对于自击穿气体开关，所述步骤S3)具体包括如下步骤：
S3.1)开关低压小电流自击穿
设定低压小电流自击穿的具体条件为：在气体开关内充入惰性气体，老炼电压为开关工作电压的1/20～1/10；老炼电流在20A～50A之间；采用电容值为220pF电容器；
老炼200～500发；
S3.2)开关高压小电流自击穿
设定高压小电流自击穿的具体条件为：在气体开关内充入氮气或氮气与六氟化硫的混合气体，老炼电压为开关工作电压的1/2～2/3；老炼电流在50A～100A之间；采用电容值为10pF电容器；
老炼200～500发，或多次老炼直至自击穿电压相对偏差小于平均击穿电压3％；
S3.3)开关低压大电流自击穿
设定低压大电流自击穿具体条件为：老炼电压为开关工作电压的1/20～1/10，老炼电流为工作电流的1/10～1/5；采用电容值为470pF电容器；
老炼20～30发。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，针对有触发电极气体开关，步骤S3)具体包括：
S3.1)开关低压小电流自击穿；
设定开关低压小电流自击穿的条件具体为：在气体开关内充入惰性气体，老炼电压为开关工作电压的1/20～1/10；老炼电流在20A～50A之间；采用电容值为220pF电容器；
老炼200～500发；
S3.2)开关高压小电流自击穿
设定高压小电流自击穿具体条件为：在气体开关内充入氮气或氮气与六氟化硫的混合气体，老炼电压为开关工作电压的1/2～2/3；老炼电流在50A～100A之间；采用电容值为10pF电容器；
老炼200～500发，或多次老炼直至自击穿电压相对偏差小于平均击穿电压3％；
S3.3)开关高压小电流触发试验，以去除触发针或触发盘小毛刺
设定高压小电流触发试验具体为：在气体开关内充入氮气或氮气与六氟化硫的混合气体，触发脉冲电压幅值为工作电压的110％～150％，触发电压脉冲前沿小于100ns，脉冲宽度为100～200ns，针型触发电极结构开关采用负极性脉冲电压触发，盘型触发电极结构开关采用正极性脉冲电压触发，主电极、触发电极工作电流均控制在50A～100A之间，采用电容值为10pF电容器；
触发200发；
S3.4)开关低压大电流自击穿，以去除粗大毛刺：
设定低压大电流自击穿具体条件为：老炼电压为开关工作电压的1/20～1/10，老炼电流为工作电流的1/10～1/5，采用电容值为470pF电容器；
老炼20～30发；
S3.5)绘制开关耐压曲线
以开关气体气压为横坐标，开关自击穿电压为纵坐标，绘制开关耐压曲线；
步骤S3.6)高压大电流触发试验，以去除触发针或触发盘粗大毛刺。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，步骤3.6)具体包括如下步骤：
S3.6.1)设定高压大电流触发试验条件，具体为：
根据开关耐压曲线纵坐标选择触发试验点的电压；
根据开关耐压曲线获取对应横坐标的开关气压，调整实际工作电压使欠压比至预设范围；
使老炼开关工作电流小于10kA，触发电压幅值为开关实际工作电压的110％～150％，触发电压脉冲前沿小于100ns，脉冲宽度控制在100～200ns；
采用电容值为470pF电容器；
S3.6.2)在不同欠压比下，分别进行触发试验，确定开关延迟时间和开关抖动。
5.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，步骤S4)具体为：检验开关延迟时间和开关抖动是否小于指标值；若否，则重复执行步骤(1)～步骤(3)，直至开关延迟时间和开关抖动小于指标值，即直至老炼合格。
6.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，步骤S3.6.2)中，所述欠压比取值范围在0.7～0.75之间。
7.根据权利要求1-5任意一项所述的方法，其特征在于，所述步骤1)具体为：
S1.1)开关的金属部件清洗：首先采用航空煤油清洗，再用纯度99％以上工业酒精清洗；
S1.2)开关的非金属部件清洗：首先用洗涤剂稀释清洗，再用大量清水冲洗，最后用去离子水清洗；
S1.3)擦拭及干燥：部件清洗干净后使用绸布或无纺布擦拭，部件擦拭干净后，置于干燥箱内干燥或在洁净的环境中自然晾干；在装配时对电极和绝缘壳体使用热风枪吹干。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，步骤S1.3中，绝缘材料吹干时气流温度不宜超过100℃。
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