图1 气体间隙开关结构剖面
Fig.1 Gas gap switch structure profile
摘要 喷射等离子体触发型气体间隙开关响应迅速、结构简单，或将满足多端柔性直流电网用混合式高压直流断路器换流支路故障快速隔离的动作要求。但目前对于重复触发放电累积效应引起气体间隙开关触发劣化进程的分析不足，计及多因素影响的触发寿命提升方法研究尚不明晰，为此该文搭建了气体间隙开关触发寿命研究平台，试验结果表明，触发腔性能劣化是气体间隙开关触通失败的主要原因。提高触发回路脉冲电容电压值可有效地降低放电时延抖动，但对寿命提升的影响可以忽略。阶梯式地增大储能电容充电电压值，可明显提升触发寿命及触通稳定性。聚四氟乙烯（PTFE）掺杂无机填充物后，可有效提升等离子体喷射特性，但加剧了触发腔的烧蚀劣化，触发寿命表现为PTFE＞PTFE+0.2%MoS2＞PTFE+0.5%铜粉，研究结果可为气体间隙开关触发失效判断及寿命提升方法提供理论参考和工程应用指导。
关键词：气体间隙开关 电弧烧蚀 触发失效 寿命提升 过电压与接地
在落实“双碳”目标以及构建新型电力系统的背景下，柔性直流输电工程作为清洁能源外送的骨干网架得到了快速发展。但其低惯性、弱阻尼运行的特点，使得柔性直流系统极易发生电气故障并沿线路迅速传播，需及时进行故障切除[1-3]。传统直流机械开关故障隔离动作时间长，冗余功率易造成换流器短时闭锁，对系统稳定性冲击较大[4]；具有故障自清除能力的功率器件模块，其连接结构复杂、通态损耗大，还需加装电气隔离装置，实现成本高[5-6]。而基于机械开关、快速控制气体开关、避雷器等组成的混合式高压直流断路器结构简单、动作迅速、操作稳定，已成为主流解决方案[7]。
柔性直流系统中主支路与换流支路并联，正常运行时，主支路机械开关闭合，承担功率输送任务，换流支路气体开关开断；发生故障时，机械开关分闸、气体开关闭合，由于气体开关闭合速度大于机械开关分闸速度，主支路电流快速转移至换流支路，并产生反向电流促使机械开关电流过零，断口电弧熄灭，而后气体开关间隙熄弧，换流支路开断，吸能支路中可控避雷器承担释放冗余能量任务，从而切除故障[8-10]。采用激光预电离等触发方式的气体开关动作可靠、稳定，但对触发回路参数要求较高[11-12]。而喷射等离子体触发型气体开关控制较为简单，仅需调节触发回路参数即可适用于柔性直流故障快速投退场景，应用优势明显[13-14]。
为推进气体间隙开关的实际应用，国内外学者针对工作电压、开关触发腔结构及材料、触发参数等影响因素下的气体开关触通特性开展了大量研究[15-16]。文献[17]通过调节工作电压，探究了极低工作系数下气体开关触通作用规律。结果表明，增大工作电压更易引起等离子体头部局部电场强度畸变，诱导SF6间隙快速击穿导通。文献[18]通过采用一种增强型等离子体喷射装置，提高了气体开关的触发性能，但开关放电形式为单次放电，存在一定的局限性。文献[19-20]通过高速相机对喷射等离子体的时空演化过程进行表征，发现高气压、强绝缘气体介质对喷射等离子体发展具有明显的抑制作用，喷射特性参数随着SF6气压的增大而显著降低，制约了气体开关导通的有效性。为实现强绝缘场景下的高性能触通，文献[21]通过提高触发能量，提升了触发腔等离子体的喷射能力，但同时加重了烧蚀劣化带来的触发不稳定问题。
在触发腔材料方面，由于绝缘件在电弧热能作用下烧蚀、分解并电离产生等离子体，故要求产气材料抗电弧烧蚀能力优良，并能够产生大量等离子体积聚喷射，诱导气体间隙快速可靠触通。但实际上产气材料的等离子体产气能力与抗电弧烧蚀能力是矛盾的。高注入能量下触发腔多次放电累积效应明显，易造成触发腔严重烧蚀，触发可靠性降低。文献[22]研究认为，多次放电造成的烧蚀会导致电极表面形貌改变与粗糙度增加，对开关性能造成影响。文献[23]研究认为，多次放电后，其触发介质逐渐分解，破坏开关绝缘性能，导致自击穿概率增大，开关寿命终止。文献[24]认为触发腔因沿面电弧烧蚀累积效应逐渐变形，使得等离子体喷射发展受阻，引起触发困难甚至发生熄弧。文献[25]研究了触发腔材料对气体间隙开关触发寿命的影响规律，结果表明触发腔劣化是触发寿命终止的主要原因。文献[26]研究认为气体间隙开关的触发寿命主要受绝缘产气材料的耐电弧烧蚀能力的制约，选择合适的触发腔产气材料对提升触发寿命至关重要。
工程应用中要求气体开关动作需满足稳定触通且动作时间短。目前针对喷射等离子体触发型气体间隙开关的触发失效机理分析尚不深入，重复触发放电累积效应引起的气体间隙开关触发劣化进程尚不明晰。因此，有必要继续开展放电烧蚀累积效应下的触发失效问题研究。本文基于气体间隙开关触发寿命试验平台，研究累积触发次数下气体开关触通特性及触发腔劣化进程，综合分析相关特征参数变化规律；并计及多因素影响特性，均衡触发腔产气能力与抗电弧烧蚀能力，优选产气材料，开展触发寿命提升研究与试验验证，为气体间隙开关触发失效判断及其寿命提升提供理论参考和工程应用指导。
气体间隙开关结构剖面如图1所示，采用电压发生器调节输出电压大小，主间隙距离0～50 mm可调、触发介质气压可调。气体开关触发腔：一级腔由针电极、聚四氟乙烯（Polytetrafluoroethene, PTFE）、中间电极构成，针电极与脉冲变压器T二次侧连接，一级腔沿面高度为3 mm；二级腔由中间电极、聚四氟乙烯和开关地电极等构成，中间电极与晶闸管VT1的负极端连接，沿面高度为6 mm。一、二级腔内径为2 mm，中间电极及地电极中心处为直径2 mm的喷口。所述组件以圆柱套筒状紧密压制而构成等离子体触发喷射腔。
图1 气体间隙开关结构剖面
Fig.1 Gas gap switch structure profile
气体间隙开关触发试验平台拓扑如图2所示，脉冲回路由脉冲电容器C2、脉冲变压器T、晶闸管VT2、二极管VD、保护电阻R3等组成；储能回路由储能电容器C1、晶闸管VT1、放电电阻R4等组成。首先C2放电，经T产生高压脉冲，施加在触发腔针电极上，向一级腔内放电，形成预电离通道；之后C1沿着预电离通道放电并释放大量能量，使得触发腔绝缘件聚四氟乙烯发生相变，解离生成小分子碳氟化合物C2F4，形成高密度气体层，在大电流的作用下继续解离形成等离子体[13-16]。在其传导电流感应磁场以及触发腔内高气压的叠加作用下，等离子体射流高速喷出，进而诱导气体开关触发导通。试验中规定C2放电时刻t0为气体开关触发零时刻，t1为C1放电时刻，t2为开关触通时刻，∆t0为C1距C2放电时延，∆t1为击穿时延，∆t2为气体间隙开关导通时延[17]。
图2 气体间隙开关触发试验平台拓扑
Fig.2 Gas gap switch trigger test platform
本节研究累积触发放电作用下气体间隙开关触通性能的劣化进程规律，分析其触发失效原因。
将触发失效后的触发腔一、二级腔体解剖进行电镜扫描检测，如图3和图4所示。一级腔喷口呈倒圆台形熔化状，喷口处附着大量黑色物质，喷口直径由2 mm增大至3.64 mm。其微观形貌表现为大量烧蚀产物累积，并伴有烧蚀孔洞、裂痕等。二级腔喷口整体呈圆柱形熔化状，喷口直径最大处可达5.48 mm，其微观形貌整体表现为撕裂状，存在较多、较大的缝隙裂痕。
分析可知，一级腔喷口处存在较多的烧蚀产物，一方面是因为在电弧烧蚀作用下，熔融状态的聚四氟乙烯黏性高，固体烧蚀产物的喷射速度较低，未能全部沿着触发腔喷口喷出而累积在喷口附近；另一方面是在累积放电作用下，一级腔喷口直径逐渐增大，至触发寿命中后期，一级腔烧蚀产生的等离子体未能完全从中间电极喷口喷出。同时由于烧蚀产物的不断累积，一级腔内表面粗糙不平，脉冲能量放电不均，进而影响一级腔内等离子体的形成，并使烧蚀凹坑、熔洞不断加深。
图3 触发寿命起止前后一、二级腔形貌变化
Fig.3 The change of the morphology of the first and second cavities before and after the trigger discharge
图4 触发寿命起止前后一、二级腔微观形貌变化
Fig.4 The microstructure changes of the first and second cavities before and after triggering discharge
二级腔作为放电烧蚀主场所，较大颗粒的聚四氟乙烯烧蚀产物随着高气压、高速喷射的等离子体喷出，故喷口处及内部通道未见明显烧蚀产物附着。但在重复性、持续性电弧的热应力作用下，材料表面承受力下降，从而产生裂纹和开裂并逐渐加深，触发腔表面整体呈撕裂状。大能量电弧在绝缘件烧蚀裂痕处形成局部热量累积，裂纹处更容易形成颗粒脱落，加剧了绝缘件聚四氟乙烯的质量损失。
在高压脉冲和电弧电流的作用下，一、二级触发腔均发生不同程度的劣化。一级腔不断累积的烧蚀产物一方面吸收了高压脉冲能量，降低了放电效率和能量密度；另一方面阻碍了等离子体的扩散和传播，影响喷射稳定性；两者共同作用导致一级腔形成预电离通道的能力降低。二级腔发生裂纹和开裂后，其表面的完整性和连续性受到破坏，影响电弧能量的聚焦和传递，等离子体或将沿着裂纹路径进行扩散，造成不稳定的喷射和溅射情况；而喷口直径的不断增大，进一步延缓了等离子体的内能积聚过程，使得喷射性能显著降低。即触发腔性能劣化是气体间隙开关触发失败的根本原因。
工程应用中要求快速控制开关长期动作稳定、可靠触通。基于此，本文将气体间隙开关可以成功触发诱导高压电极放电击穿主间隙的有效触发次数定义为触发寿命。本节在此基础上研究触发寿命提升方法。
2.2.1 脉冲电压的影响特性与讨论
第一种触发寿命终止原因为一级腔产气性能逐渐劣化，无法稳定地建立预电离通道。为此通过在触发过程中监测到C1距C2放电时延∆t0连续两次增大进入弱触发模式时，提升脉冲电压值，以增大高压脉冲能量，提高一级腔的产气效率。脉冲电压提升前后触发寿命对比如图5所示。
脉冲电压1.2 kV下，气体开关触发寿命为644次，∆t0在触发前期增长较为平缓，至触发寿命中期（约250次后）抖动明显增大，放电时延高达400～500 μs，并连续多次出现弱触发。而脉冲电压阶段性提升后，触发寿命为671次，其中，脉冲电压1.2 kV下触发次数为168次、1.3 kV为170次、1.5 kV为182次、1.7 kV为151次。触发中期出现弱触发模式的次数明显降低，气体间隙开关触通稳定性较脉冲电压提升前大幅度提高，但对寿命的提升没有明显效果，仅增大约5%。且当电压进一步提高至1.7 kV时，放电时延抖动性、分散性未见改善。至触发寿命末期，连续多次出现弱触发后，二级腔主放电通道建立失败，气体开关触发失效。
图5 不同脉冲电压值下的触发寿命
Fig.5 Trigger life at different pulse voltage values
分析可知，当UC1加压到一定值后，由于脉冲变压器T存在磁饱和问题，会导致脉冲变压器输出效率不变甚至下降。故即使提高脉冲电压，脉冲变压器将能量施加到针电极后，电弧烧蚀产生“少量等离子体”引燃二级腔的能力也不再提升。至触发中后期，一级腔严重劣化，“少量等离子体”在二级腔内短接中间电极与地电极建立主放电通道的时间变长，放电时延激增，进入弱触发模式，气体开关触通稳定性降低。因此，可通过优选磁导率高的铁心材料，改变匝数比，提高脉冲电压，降低放电时延抖动，进而提升气体开关触通稳定性。
2.2.2 储能电压的影响特性与讨论
主放电通道建立后，C1通过中间电极、等离子体通道、地电极释放大量能量，形成大电流电弧烧蚀二级腔产气材料。而在累积烧蚀作用下，触发腔产气性能下降，喷射等离子体无法诱导高压电极放电，气体开关触通失败。因此，本节在2.2.1节触发失败条件下，继续通过阶段性增大储能电压值，提高注入能量，研究其对触发寿命提升的效果。气体开关击穿时延随触发次数的变化如图6所示。试验中为降低放电时延抖动，电容C1、C2电压值变化保持同步。
图6 气体开关击穿时延随触发次数的变化
Fig.6 Variation of discharge time delay with trigger times
在0.2 MPa SF6、工作电压20 kV、40 mm间隙、脉冲+储能1.3 kV条件下，气体开关触发寿命为95次；在此基础上，将电压提高至1.5 kV，触发寿命增加了35次，总触发寿命增至130次。此外，在30 mm间隙、脉冲+储能1.3 kV条件下，触发寿命为320次；在此基础上，采用阶段性提升电压的方法将储能电压提高至1.5 kV，触发寿命增加了205次，触发寿命可提高至525次。由此可见，采用阶段性提升储能电压的方法可明显提高气体开关的触发寿命。
不同间隙距离下，气体间隙诱导击穿发生在等离子体的不同发展阶段，等离子体射流形态对主间隙电场分布影响较大。30 mm间隙距离下，喷射等离子体可以快速发展至高压电极，击穿相对较为容易，触发腔烧蚀程度较小，触发寿命较长。而在40 mm间隙距离下，等离子体喷射能力有限，达不到最低诱导击穿高度，因而触发较为困难，触发寿命缩短。提高注入能量，可明显提升等离子体的喷射性能，缩短击穿时延，但触发初期的多次、大能量注入引起触发腔失效问题同样严重，导致寿命缩短。因此，可在触发初期以临界触发电压加压，降低触发初期的过能量烧蚀，而后可通过阶梯式加压，进而提升触发寿命。
2.2.3 触发腔产气材料的影响特性与讨论
沿面电弧烧蚀触发腔绝缘产气材料短时间内产生高气压、高速喷射的等离子体是气体开关触发导通的关键，因此，绝缘材料产气特性尤为重要。高分子聚合物聚四氟乙烯（PTFE）不仅具有优异的耐高温性能和化学稳定性，还具有很好的电绝缘性能。无机材料铜粉作为PTFE的掺杂物，可增强其导热、导电性，提高触发腔产气效率；过渡金属硫化物MoS2作为PTFE的掺杂物，可降低PTFE材料表面摩擦性，提高其抗烧蚀性。因此，本节研究不同触发腔材料对触发寿命的影响，其气体间隙开关相关特征量变化见表1，触通放电时延变化如图7所示，喷射特性参数随触发次数的变化过程如图8所示。本文中，掺杂含量均指代质量分数。
表1 不同产气材料组分下气体开关触发特征量对比
Tab.1 Comparison of characteristics of gas switch under different gas production materials
触发腔材料触发寿命/次喷射持续时间/μs电流持续时间/μs电弧电流峰值/kA PTFE744188893.13 +0.5%铜粉603214923.37 +0.2%MoS2654175902.98
分析表1、图7和图8可以得到：
（1）纯聚四氟乙烯触发寿命为744次，掺杂铜粉和MoS2的触发寿命分别为603次和654次。掺杂0.5%的铜粉后，触发腔喷射等离子体持续时间与电弧电流峰值均得到一定提升。随着触发次数的增加，不同产气材料下气体开关触通性能均有所下降，纯PTFE的击穿时延Δt1增大了65.9%，导通时延Δt2增大了79.2%；而填充0.5%的铜粉时，Δt1与Δt2分别增大了65.5%与75.2%；填充0.2%的MoS2后，Δt1和Δt2分别增大了60.1%与69.2%。掺杂无机材料后，气体间隙开关的击穿时延与导通时延的抖动性与分散性均明显降低。至触发寿命中后期，气体开关进入弱触发模式的次数减少。
图7 气体开关放电时延随触发次数的变化
Fig.7 Variation of gas gap switch discharge time delay with trigger times
图8 不同产气材料下等离子体喷射特征参数变化
Fig.8 Variation of plasma jet characteristic parameters with trigger times under different gas-producing materials
（2）随着触发次数的增加，不同产气材料下的喷射等离子体特性参数均有明显下降。纯PTFE下的喷射面积由触发100次时的335.6 mm2下降到600次时的245.3 mm2，喷射高度则由28.76 mm减小至23.36 mm，分别减小了26.9%、18.8%。而在掺杂0.5%的铜粉下分别减小了33.7%和20.7%，在掺杂0.2%的MoS2下分别减小了20.4%和17.3%。PTFE+0.5%铜粉下的等离子体体喷射性能较优，纯PTFE次之，PTFE+0.2%MoS2最差。但PTFE+0.5%铜粉下的喷射等离子体面积与高度峰值衰减率最大，即其触发腔劣化速率大于另外两种产气材料。
分析其主要原因为：
（1）PTFE中填充无机材料后，可明显提升触发腔导电性与能量沉积率，电弧烧蚀产生的等离子体的电离度与电导率均有显著提升。在相同触发能量下，烧蚀产生的高电子密度和强电离度的等离子体对开关间隙背景电场的畸变作用更强，导致击穿时延Δt1和导通时延Δt2均低于纯PTFE。同时，高的能量沉积延长了等离子体喷射过程的膨胀阶段和稳定阶段，延缓了消散阶段，等离子体喷射持续时间增大。而随着触发次数的增加，触发腔性能逐渐劣化，导致其能量沉积率下降，等离子体喷射能力下降，进而引起气体开关触通过程中的时延均明显上升。
（2）PTFE掺杂0.5%铜粉后，提升了触发腔通道的导电性与导热性。电弧烧蚀消熔绝缘材料阶段，在过渡蒸气层中的气体分子受电热作用的能量增加，发生解离形成的等离子体量变多，其等离子体喷射特性参数均最大。但过高的能量沉积加重了触发腔放电烧蚀效应，其触发腔劣化程度明显大于其他两种材料，至触发后期喷射特性参数衰减明显，触发寿命提前终止。而添加MoS2的触发腔摩擦系数低，改善了耐磨性、抗蠕变性等物理性能，提高了触发腔抗电弧烧蚀能力，等离子体喷射特性参数最低。同时，在相同的初始条件下，等离子体喷射速度较低，部分烧蚀产物会附着在内部通道上，阻挡了电弧对产气材料的热传递，使得触发寿命末期不能产生足量的等离子体诱导间隙开关触通，触发寿命终止。
1）触发腔产气性能劣化是气体间隙开关触通失败的主要原因。一级腔烧蚀累积产物降低了放电效率和能量密度，阻碍了等离子体的产生和扩散；二级腔内壁发生裂纹和开裂后，其腔体完整性和连续性受到破坏，影响了电弧能量的聚焦和传递，易引起等离子体喷射失稳，上述综合效应均可导致开关触通失败。
2）提高脉冲电容充电电压可有效地降低放电时延抖动，但对触发寿命的提升并不明显；通过阶梯式地增大储能电容充电电压，可明显提升触发寿命以及触通稳定性。聚四氟乙烯掺杂0.5%铜粉后，放电通道的导热、导电性能提高，喷射等离子体性能也明显提升，但加剧了触发腔烧蚀劣化。掺杂0.2%MoS2后，触发腔抗电弧烧蚀能力增强，但等离子体喷射性能不佳。触发寿命表现为PTFE＞PTFE+0.2%MoS2＞PTFE+0.5%铜粉。
参考文献
[1] 周孝信, 鲁宗相, 刘应梅, 等. 中国未来电网的发展模式和关键技术[J]. 中国电机工程学报, 2014, 34(29): 4999-5008.
Zhou Xiaoxin, Lu Zongxiang, Liu Yingmei, et al. Development models and key technologies of future grid in China[J]. Proceedings of the CSEE, 2014, 34(29): 4999-5008.
[2] 雷顺广, 束洪春, 李志民. 基于桥臂功率特征的全-半混合型柔性直流输电线路保护[J]. 电工技术学报, 2023, 38(13): 3563-3575.
Lei Shunguang, Shu Hongchun, Li Zhimin. Full-half bridge hybrid VSC-HVDC transmission line protection method based on power characteristics of bridge arms[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2023, 38(13): 3563-3575.
[3] 吴康, 任丽霜, 李大伟. 柔性直流输电技术的现状与展望[J]. 电工技术, 2023(13): 115-119.
Wu Kang, Ren Lishuang, Li Dawei. Current status and prospect of VSC-HVDC transmission technology[J]. Electric Engineering, 2023(13): 115-119.
[4] 郭贤珊, 周杨, 梅念, 等. 张北柔直电网的构建与特性分析[J]. 电网技术, 2018, 42(11): 3698-3707.
Guo Xianshan, Zhou Yang, Mei Nian, et al. Construction and characteristic analysis of Zhangbei flexible DC grid[J]. Power System Technology, 2018, 42(11): 3698-3707.
[5] 杜晓磊, 蔡巍, 张静岚, 等. 柔直电网孤岛运行方式下换流阀闭锁时交流耗能装置投切仿真研究[J]. 全球能源互联网, 2019, 2(2): 179-185.
Du Xiaolei, Cai Wei, Zhang Jinglan, et al. Simulation study on switching on energy dissipation device during unipolar blocking under isolated island operation in VSC-HVDC power grid[J]. Journal of Global Energy Interconnection, 2019, 2(2): 179-185.
[6] 束洪春, 代月, 安娜, 等. 基于线性回归的柔性直流电网纵联保护方法[J]. 电工技术学报, 2022, 37(13): 3213-3226, 3288.
Shu Hongchun, Dai Yue, An Na, et al. Pilot protection method of flexible DC grid based on linear regression[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2022, 37(13): 3213-3226, 3288.
[7] Taherzadeh E, Radmanesh H, Javadi S, et al. Circuit breakers in HVDC systems: state-of-the-art review and future trends[J]. Protection and Control of Modern Power Systems, 2023, 8(1): 38.
[8] 辛业春, 孙浩然, 王威儒, 等. 混合式高压直流断路器开断过程整机应力特性研究[J]. 高压电器, 2023, 59(6): 40-47.
Xin Yechun, Sun Haoran, Wang Weiru, et al. Research on stress characteristics of hybrid HVDC circuit breaker during breaking process[J]. High Voltage Apparatus, 2023, 59(6): 40-47.
[9] 李浩, 裴翔羽, 李泽文, 等. 具备故障电流限制能力的多端口直流断路器[J]. 电工技术学报, 2023, 38(10): 2818-2831.
Li Hao, Pei Xiangyu, Li Zewen, et al. A multi-port DC circuit breaker with fault-current limiting capability [J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2023, 38(10): 2818-2831.
[10] 董冰冰, 陶磊, 李志兵, 等. 机械式直流断路器换流支路用气体间隙开关方案及其诱导击穿特性[J]. 高电压技术, 2022, 48(12): 4863-4872.
Dong Bingbing, Tao Lei, Li Zhibing, et al. A gas gap switch scheme for commutation branch of DC circuit breakers and its induced breakdown characteristics[J]. High Voltage Engineering, 2022, 48(12): 4863-4872.
[11] 程显, 王振伟, 吕彦鹏, 等. 基于多孔隙触发的三电极场畸变开关设计与实验研究[J]. 电工技术学报, 2023, 38(24): 6807-6816.
Cheng Xian, Wang Zhenwei, Lü Yanpeng, et al. Design and experiment study of three electrode field distortion switch based on multi-hole trigger[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2023, 38(24): 6807-6816.
[12] 宋心哲, 廖敏夫, 卢刚, 等. 三间隙激光触发真空开关触发特性研究[J]. 电工技术学报, 2023, 38(14): 3923-3929.
Song Xinzhe, Liao Minfu, Lu Gang, et al. Research on triggering characteristics of triple-gap laser triggered vacuum switch[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2023, 38(14): 3923-3929.
[13] Dong Bingbing, Zhang Zelin, Xiang Nianwen, et al. Study on triggering characteristics and induced breakdown rules of SF6 gap switch plasma jets at extremely low working voltage[J]. IEEE Transactions on Plasma Science, 2022, 50(4): 873-882.
[14] Huang Dong, Yang Lanjun, Guo Haishan, et al. Characteristics and dispersity of a two gap capillary discharge applied for long spark gap ignition in air[J]. Physics of Plasmas, 2017, 24(7): 073501.
[15] 铁维昊, 刘善红, 张乔根, 等. 新型等离子体喷射触发气体开关[J]. 强激光与粒子束, 2014, 26(4): 120-124.
Tie Weihao, Liu Shanhong, Zhang Qiaogen, et al. A novel plasma-jet triggered gas switch[J]. High Power Laser and Particle Beams, 2014, 26(4): 120-124.
[16] Dong Bingbing, Guo Zhiyuan, Xiang Nianwen. Effect of working coefficient on induced breakdown characteristics of plasma-triggered-based gas gap switch in fast bypass conditions[J]. IEEE Transactions on Plasma Science, 2023, 51(1): 148-155.
[17] 董冰冰, 张泽霖, 李志兵, 等. 极低工作系数下SF6间隙开关喷射等离子体诱导击穿作用规律[J]. 高电压技术, 2022, 48(1): 348-357.
Dong Bingbing, Zhang Zelin, Li Zhibing, et al. Induced breakdown law of plasma jet-triggered SF6 gap switch at very low operating coefficient[J]. High Voltage Engineering, 2022, 48(1): 348-357.
[18] 郜淦, 李晓昂, 张宁博, 等. 增强型等离子体喷射装置及其触发极限[J]. 高电压技术, 2022, 48(8): 3334-3343.
Gao Gan, Li Xiaoang, Zhang Ningbo, et al. Enhanced plasma ejector and its trigger limit[J]. High Voltage Engineering, 2022, 48(8): 3334-3343.
[19] Dong Bingbing, Guo Zhiyuan, Zhang Zelin, et al. Numerical simulation and experimental verification of plasma jet development in gas gap switch[J]. Plasma Science and Technology, 2023, 25(5): 055505.
[20] Huang Dong, Yang Lanjun, Huo Peng, et al. Study on the characteristics of a two gap capillary discharge[J]. Physics of Plasmas, 2015, 22(2): 023509.
[21] 董冰冰, 郭志远, 文韬, 等. 两级沿面触发型气体开关等离子体喷射过程与触发导通规律[J]. 高电压技术, 2022, 48(11): 4656-4666.
Dong Bingbing, Guo Zhiyuan, Wen Tao, et al. Development process of jet plasma of two-stage surface-triggered gas switch and its trigger conduction law[J]. High Voltage Engineering, 2022, 48(11): 4656-4666.
[22] 吴佳玮, 丁卫东, 韩若愚, 等. 大电流条件下气体火花开关电极烧蚀的研究进展[J]. 高电压技术, 2021, 47(9): 3367-3379.
Wu Jiawei, Ding Weidong, Han Ruoyu, et al. Review of electrode erosion in a spark gap switch under large pulsed currents[J]. High Voltage Engineering, 2021, 47(9): 3367-3379.
[23] 罗城, 丛培天, 张天洋, 等. 气体火花开关电极烧蚀研究综述[J]. 强激光与粒子束, 2020, 32(10): 131-139.
Luo Cheng, Cong Peitian, Zhang Tianyang, et al. Review of the research on electrode erosion of gas spark switch[J]. High Power Laser and Particle Beams, 2020, 32(10): 131-139.
[24] 董冰冰, 郭志远. 气体间隙开关喷射等离子体触发性能劣化及剩余触发寿命预测研究[J]. 电工技术学报, 2024, 39(5): 1497-1509.
Dong Bingbing, Guo Zhiyuan. Study on triggering performance degradation and remaining trigger life prediction of gas gap switch jet plasma[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2024, 39(5): 1497-1509.
[25] Dong Bingbing, Guo Zhiyuan, Zhang Zelin. Action law and deterioration characteristics of trigger cavity of plasma-jet-triggered air-gap switch[J]. IEEE Transactions on Plasma Science, 2022, 50(11): 4693-4699.
[26] 朱浩, 李志兵, 李晓昂, 等. 等离子体喷射触发型SF6间隙开关触发寿命试验研究[J]. 电网技术, 2021, 45(8): 3298-3304.
Zhu Hao, Li Zhibing, Li Xiaoang, et al. Experimental study on trigger life of SF6 gap switch triggered by plasma jet[J]. Power System Technology, 2021, 45(8): 3298-3304.
Abstract The trigger failure problem of gas gap switch triggered by plasma jet is serious under the cumulative trigger effect. In order to realize the long life and high stability conduction of gas gap switch, triggering failure analysis and life enhancement experiments have been carried out based on the gas switch trigger life research platform. Firstly, The degradation process of gas gap switch contact performance under cumulative triggering discharge was studied, and the reasons for its triggering failure was analyzed. On this basis, the trigger life enhancement study was carried out for the reasons of trigger failure. The impact characteristics of pulse voltage, energy storage voltage, and triggering cavity gas generation material on the improvement of gas gap switch lifespan were discussed separately.
The results are as follows:
(1) Under the action of high-voltage pulses and arc currents, the primary and secondary trigger cavities are both subjected to varying degrees of degradation. The ablation products that is continuous accumulation in the first stage cavity absorbs high-voltage pulse energy, and reduces the discharge efficiency and energy density. On the other hand, it obstructs the diffusion and propagation of plasma, affecting the jet stability. The combined effect of the two leads to a decrease in the ability of the primary cavity to form a pre-ionization channel. After the cracks occur in the secondary cavity, the integrity and continuity of its surface are damaged, influencing the focusing and transmitting of arc energy. The plasma jet may diffuse along the crack path, causing unstable jetting and sputtering conditions. The continuous expansion in nozzle diameter further delays the internal energy accumulation process of the plasma, resulting in a significant decrease in jet performance. The deterioration of the trigger cavity performance is the main reason for the trigger failure of the gas gap switch.
(2) Increasing the charging voltage of pulse capacitors can effectively reduce discharge delay jitter, but it does not significantly improve the triggering life. By increasing the charging voltage of the energy-storage capacitor, the triggering life and contact stability can be significantly improved. Increasing the injection energy can significantly improve the plasma injection performance and shorten the breakdown time delay. However, the failure of the trigger cavity caused by multiple and large energy injection in the initial triggering stage is also serious, resulting in a shortened lifespan. Therefore, the critical trigger voltage can be applied at the initial stage of triggering to reduce the over-energy ablation, and then the triggering life can be significantly improved by stepped voltage application. As the number of triggering increases, the contact performance of gas switches under different gas producing materials decreases. In addition, after filling with inorganic materials in polytetrafluoroethylene (PTFE), the conductivity and energy deposition rate of the triggering cavity are significantly improved. After doping 0.5% Cu powder with PTFE, the thermal conductivity and conductivity of the discharge channel are improved, and the performance of the jet plasma is significantly improved. But it exacerbates the ablation degradation of the trigger cavity. After doping with 0.2% MoS2, the anti-arc ablation ability of the trigger cavity is enhanced, but the plasma injecting performance is poor. The triggering lifetime is manifested as PTFE＞PTFE+0.2% MoS2＞PTFE+0.5% Cu powder.
Keywords：Gas gap switch, arc ablation, trigger failure, lifespan improvement, overvoltage and grounding
中图分类号：TM84
DOI: 10.19595/j.cnki.1000-6753.tces.231908
国家自然科学基金（52107142）和中央高校基本科研业务费专项资金（JZ2023HGTB0242）资助项目。
收稿日期 2023-11-15
改稿日期 2024-01-18
董冰冰 男，1987年生，博士（后），副教授，研究方向为智能电网能源电力装备安全、新型电力系统装备故障智能检测与诊断、高压大容量智慧环保创新型电力开关研制及应用、极端环境超特高压电网致灾理论及防御等。
E-mail：bndong@126.com（通信作者）
孟 岩 男，1999年生，硕士研究生，研究方向为脉冲功率等离子体技术。
E-mail：2812620591@qq.com
（编辑 李 冰）