学术简报｜同轴型火花开关研制及其触发特性试验研究
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郑州大学电气工程学院、河南省输配电装备与电气绝缘工程技术研究中心的研究人员程显、李泰煜、葛国伟、王俊启、夏荣翔，在2019年第16期《电工技术学报》上撰文指出，高精度纳秒级同轴型火花开关在脉冲功率领域有着较为广泛的应用。
针对低抖动、长寿命的工程需求，提出一种同轴型场畸变火花开关结构，采用横向自耦式设计，使用紫外光透过率高的石英玻璃挡板，模拟紫外光预电离情况；结合脉冲变压器与半导体元器件功能特点，设计一种基于Tesla变压器与陡化回路的可控高压纳秒脉冲源，该脉冲源最高输出电压80kV，上升沿50ns。在上述基础上，搭建该同轴型火花开关实验电路，对其紫外光预电离作用下的开关触发特性进行实验研究。研究此预电离开关的静态击穿电压特性，对比不同工作系数下和有/无紫外光预电离下的开关触发特性及其烧蚀均匀度，分析脉冲源输出和触发电压对开关导通特性的影响。
试验结果表明：此同轴型火花开关在0.1MPa气压、工作系数76.1%及以上且有紫外光预电离的情况下，开关触发稳定，抖动小于2ns；增大脉冲源输出电压可以提升紫外预电离效果，优化开关触发特性。研究结果为紫外光预电离开关在实际工程中的应用提供了参考和依据。
触发开关在脉冲功率系统中占有特殊地位，开关性能的好坏直接影响到脉冲功率系统能否正常运行。气体触发开关因其工作电压高、放电电流大、导通阻抗低、可靠性好等诸多优点，在大功率激光、加速器、Z箍缩、闪光照相等脉冲功率领域中广泛应用。
抖动、工作寿命一直是衡量气体触发开关性能的两个重要指标，现已成为脉冲功率开关技术的重要研究课题，国内外机构对这两方面开展大量实验研究工作。针对长寿命开关的设计研究主要集中在电极烧蚀与绝缘保护两个方向。
中国工程物理研究院、华中科技大学等分别对不同电极材料进行了烧蚀特性实验并研究了其寿命；
西北核技术研究所通过不同电极结构优化电场分布，使得放电均匀减少表面烧蚀；
国防科技大学采用防污染开关设计，减少其电极喷射物所带来的绝缘支撑污染，提高了开关使用寿命。
为解决气体火花开关的可靠触发问题，除选用快前沿的触发脉冲外，采用预电离技术或者是改变电极结构也可达到降低开关抖动的目的。
其中，西安交通大学在开关触发盘内加装预电离针技术，研究其在紫外光预电离下开关的导通特性；在触发极内部嵌入一个用于等离子喷射的喷孔，在喷射腔内触发放电产生等离子体，是另一种促进间隙导通的方式；此外，也有相关研究机构通过改变电极结构平行间隙排列，增强间隙间火花放电预电离作用，降低开关击穿时延。随着近年来脉冲功率技术迅速发展，工程应用对火花开关的低抖动、长寿命特性提出了更高要求。
本文以一种同轴型火花开关作为研究对象，采用空芯Tesla变压器与陡化开关相结合作为其脉冲源，搭建一套测试触发开关性能的实验回路。开关电极的特殊设计增大了放电电极等效面积，有效地降低了开关的电极烧蚀，延长其使用寿命。采用石英玻璃挡板研究触发间隙火花放电产生紫外光对过电压间隙的预电离效果，分析此预电离作用与同轴型火花开关触发特性的相互关系。
基于上述实验回路研究该同轴型火花开关在有/无紫外光预电离效果、不同工作系数下的开关触发特性以及表面烧蚀状况，并讨论影响紫外光预电离作用的相关因素。研究结果为预电离开关在实际工程中的进一步应用提供了参考和建议。
图1 同轴型火花开关剖面图及电极放大示意图
图5 实验回路实物图
图10 试验前后电极表面烧蚀对比图
设计了一种同轴型火花开关，其采用横向自耦式结构，利用触发间隙放电产生紫外光促进金属电极表面初始电子形成，进而优化导通特性。通过放置光学石英玻璃和环氧树脂挡板，模拟有/无紫外光预电离效果，研究其对此开关触发特性影响，得到以下结论：
1）开关自击穿电压实际值随气压升高呈线性增长变化；脉冲源在不同输出电压下，进行四种条件的开关导通特性试验，测试结果表明，0.1MPa气压下同轴型火花开关工作系数在76.1%及以上且有紫外光预电离作用，脉冲输出电压在40～50kV区间内时，开关触发特性稳定，抖动小于2ns。
2）触发间隙击穿电压幅值对导通时延影响较大，电压值达到40kV时，受金属电极尺寸限制，紫外光预电离对开关导通时延的作用已趋于饱和；经过100次自击穿试验及800次触发特性试验后，开关电极表面烧蚀较为均匀，电极材料经过表面抛光处理后仍可继续使用，电极整体耐烧蚀性较好。