伪火花放电开关的研制及其在10/350μs、Crowbar冲

现代生活中，雷电对输配电、电子通信、航空航天等各行各业危害巨大，因此，各种各样的 SPD（包括开关型、限压型、混合型）引起了世界各国越来越多的关注， IEC 和国标对 SPD 的雷电流测试方法和测试设备（包括 8/20μs 雷电流测试设备、10/350μs 直击雷电流测试设备等）都作了详尽的规定[1-4]。一般来讲，8/20μs 雷电流波采用 RLC 回路形成，而对于 10/350μs 直击雷电流波形，如采用 RLC 回路，产生 100kA 的脉冲电流所需要的储能将达到上千千焦耳，为此采用了高效 Crowbar 冲击电流回路[5]。
Crowbar 冲击电流回路同时利用了电容和电感共同存储能量的方式，这样电容的容量可大大减少，电路功能的实现必须解决 Crowbar 放电开关的技术难题，如放电开关的放电时延和抖动、触发工作电压范围等等[6]。在这方面，触发型伪火花开关 PSS（pseudospark switch)具有非常优良的特性。
伪火花 TPS 是一种低气压的气体开关，它工作在巴申曲线的左支，发生在空心电极内的放电过程要经历几个阶段，且每个放电阶段的放电机理不尽相同[6,7]。触发器是伪火花开关的重要部件[8]，它不仅影响空心电极的结构设计，还影响放电开关的放电时延、抖动、放电范围和使用寿命。伪火花开关的触发方式有沿面闪络放电触发、脉冲电晕触发、脉冲辉光触发等[9-14]，沿面闪络触发方式是一种常用的触发方式，具有结构简单、放电时延和抖动小等显著优点[10]。
本文对沿面触发型伪火花开关的触发特性进行研究，在此基础上，实现了其在 Crowabr、10/350μs 冲击电流回路中的应用。
2 触发型伪火花开关的实验电路
伪火花开关的结构如图 1 所示，空心阳极和空心阴极由黄铜制作且结构参数相同，空心电极的结构参数如下：主放电电极间距 D=4mm，小孔直径 Ф=6mm，空心电极的厚度为 H=5mm，空心电极的内径为 33mm，深度为 30mm，外绝缘材料为陶瓷。
伪火花开关的沿面闪络触发装置包含触发电极、沿面闪络介质材料及触发脉冲电路。沿面闪络触发器由两种材料分别制作而成，一是相对介电常数为 42 的 AlO3 材料 C1，另一是相对介电常数为 3460 的 BaTiO3 复合材料 C2，沿面闪络材料长度为可以在 0.2~2mm、直径为 6mm 的圆柱，在圆柱沿面闪络材料的两端烧结有金属电极，通过沿面闪络材料的端电极，一端连接触发脉冲并通过绝缘材料与空心阴极绝缘，另一端直接接空心阴极或通过一电阻r接空心阴极。沿面闪络触发器的沿面闪络正对空心阴极的小孔，且端面距空心阴极内表面距离 15mm。
伪火花开关的工作环境是空气，气体压力在 1Pa 到 100Pa 之间可以调整。触发脉冲由图 2a 所示的触发脉冲形成电路产生，图中，Tr 为变压器，D 为整流管，C 为储能电容，T 为高频变压器，SCR 为可控硅，P 为光电耦合元件。其输出脉冲由高压探头（Tektronix P6015A）和示波器（TDS2022）测得，如图 2b 所示。
伪火花开关触发特性的实验电路如图 3 所示，开关电压由高压探头（Tektronix P6015A）和示波器（TDS2022）测试，同时通过开关的电流、通过于伪火花开关 PSS 串联的同轴管式分流器 Rs 测得。
图 3 中，T 是变压器，D 是整流管，R0 是充电保护电阻， C 是储能电容，R1 是阻尼电阻，L 是回路电感，PSS 是伪火花开关，Rs 是同轴管式分流器。
3 沿面闪络伪火花开关的触发特性
3.1 沿面闪络触发器的沿面闪络特性
实验研究表明：在相同气体压力和相同的触发脉冲作用下，对于高介电常数的沿面闪络触发器，沿面闪络的通道可以长一些，图 4 为两种不同介质材料的击穿电压与闪络距离之间的关系曲线（气体压力 25Pa）。当气压下降时，高介电常数材料显现良好的沿面闪络特性。
由于伪火花开关工作在较低的气压下，所以，沿面闪络材料表面的状态将严重影响触发器的闪络放电，为保证沿面闪络触发器触发特性的稳定性，触发器的沿面闪络特性应不随气压的变化而变化。
图 5 为沿面闪络通道程度为 1mm 情况下，触发器的沿面闪络击穿电压与气压之间的关系曲线。
由此得出：由高介电常数介质材料 C2 制作的沿面闪络触发器具有相对稳定的闪络击穿电压，同时沿面闪络电压较低。
图 6 是相同的触发脉冲作用下。由介质材料 C1 制作的沿面闪络触发器在不同沿面闪络通道长度下能够发生闪络击穿的最小气压。但对于介质材料 C2，沿面闪络在伪火花开关的工作气压范围之内均可以击穿，这使得我们可以设计较长的沿面闪络通道，以提高沿面闪络触发器的寿命。
3.2 PSS 的触发工作电压范围
当气体压力为 2Pa 时，伪火花开关的最高耐压为 40kV，两种不同沿面闪络触发器的 PSSs 的最低可靠触发工作电压分别为 474V（C1）和 130V（C2，参看图 7），因此，它们的触发工作电压范围分别为 11.85%-99% 和 3.25%-99%。
3.3 PSS 的放电时延和抖动
当 PSS 的沿面闪络触发器在触发脉冲电压的作用下发生沿面击穿时，触发脉冲电压迅速跌落，由沿面闪络形成的带电粒子将使 PSS 击穿放电。如果仅考虑 PSS 自身的放电特性而忽略触发脉冲上升陡度对 PSS 导通的影响，本文定义触发脉冲跌落瞬间到开关电流上升瞬间之间的时间之差为 PSS 的放电时延 τd，如图 8。
而在相同的施加电压和触发脉冲作用下，放电时延之间的分散性定义为抖动，即：，其中，为所有放电时延的平均值。
图 9 为两种具有不同介质材料沿面闪络触发器的 PSS 触发特性，包含 PSS 的放电时延和抖动。由此得：高介电常数介质沿面闪络的 PSS(C2) 具有优良的触发特性。
4 PSS 在 10/350μs、Crowbar 冲击电流回路的应用
10/350μs 直击雷电流波通常用来对 I(B) 的过电压保护间隙进行冲击电路实验，其原理电路如图 9 所示。
图 10 中，L1 为储能电容的电感和连接导线的电感， L2 为波形形成电感，R1 为连接线的等效电阻，R 是负载电阻，C 为储能电容，G1 为主放电开关，G2 为 crowbar 放电开关，且回路参数满足：L1≤L2和R1≤R。
当主放电开关 G1 被引发放电时，电容 C 储存的电场能量通过主放电开关 G1、形成电感 L2 负载电阻 R 放电，形成 10/350μs 冲击电流波的波前，当放电电流达到峰值时，电容 C 储存的电场能量几乎全部转移为形成电感 L2 的磁场能量，储能电容两端的电压近乎为零。这时，触发 Crowbar 放电开关 G2 导通放电，利用电感中磁场能量不能突变的特点，使形成电感 L2 通过负载、Crowbar 放电开关 G2 放电，形成 10/350μs 冲击电流波的波尾。
由图 9 可推得：
              0≤t≤π/(2ω)          (1)
      t≥π/(2ω)            (2)
其中，。
当放电电流达到最大值时，作用在 Crowbar 放电开关 G2 上的电压仅为电感 L1 上的电压降，由于这时 di(t)/dt=0，这就要求 Crowbar 放电开关 G2 必须能够向在施加电压几乎为零的情形下触发导通；从另一方面讲，Crowbar 放电开关 G2 的耐压又必须高于回路的充电电压，否则，当主放电开关导通瞬间，放电电流则直接经过主放电开关 G1、Crowbar 放电开关 G2 旁路，导致截断失效。
主放电开关 G1 和 crowbar 放电开关 G2 之间放电时刻的配合对 10/350 直击雷电流波形质量影响很大，必须精确配合才能得到符合 IEC 和国标要求的冲击电流波形。
总之 Crowbar 放电开关 G2 必须有高耐压且非常低的触发工作电压，同时，为了保证两放电开关触发导通时间的配合，Crowbar 放电开关 G2 还须具有短的放电时延和抖动。而本文研究的 PSS 开关正好具备这样的触发特性，因此，可以作为 Crowbar 放电回路的 Crowbar 放电开关 G2。
图 11 为图 10 Crowbar 回路在电路参数的储能电容 10μF、电感为 12μH、同轴管式分流器 Rs=0.004196Ω、负载电阻短路条件下，当充电电压为 38kV 时，Crowbar 冲击电流回路可以产生 30kA 的 10/350μs 直击雷电流波。
5 结论
采用高介电常数电介质材料制作的沿面闪络 PSS 和低介电常数电介质材料制作的沿面闪络 PSS 相比，具有优良的触发特性。在工作电压范围内，放电时延和抖动达到 35ns 和 6ns，可靠触发工作电压范围为 3.25%-99%，具备作为 Crowbar 放电开关的触发特性。将其应用到 10/350μs、 Crowbar 冲击电流回路，在电路参数储能电容 10μF、电感为 12μH、同轴管式分流器 Rs=0.004196Ω、负载电阻短路条件下，当充电电压为 38kV 时，Crowbar 冲击电流回路可以产生 30kA 的 10/350μs 直击雷电流波。可以作为过电压保护器，尤其时 I(B) 级过电压保护间隙的冲击电流试验。