現(xiàn)代生活中，雷電對(duì)輸配電、電子通信、航空航天等各行各業(yè)危害巨大，因此，各種各樣的 SPD（包括開(kāi)關(guān)型、限壓型、混合型）引起了世界各國(guó)越來(lái)越多的關(guān)注， IEC 和國(guó)標(biāo)對(duì) SPD 的雷電流測(cè)試方法和測(cè)試設(shè)備（包括 8/20μs 雷電流測(cè)試設(shè)備、10/350μs 直擊雷電流測(cè)試設(shè)備等）都作了詳盡的規(guī)定[1-4]。一般來(lái)講，8/20μs 雷電流波采用 RLC 回路形成，而對(duì)于 10/350μs 直擊雷電流波形，如采用 RLC 回路，產(chǎn)生 100kA 的脈沖電流所需要的儲(chǔ)能將達(dá)到上千千焦耳，為此采用了高效 Crowbar 沖擊電流回路[5]。
Crowbar 沖擊電流回路同時(shí)利用了電容和電感共同存儲(chǔ)能量的方式，這樣電容的容量可大大減少，電路功能的實(shí)現(xiàn)必須解決 Crowbar 放電開(kāi)關(guān)的技術(shù)難題，如放電開(kāi)關(guān)的放電時(shí)延和抖動(dòng)、觸發(fā)工作電壓范圍等等[6]。在這方面，觸發(fā)型偽火花開(kāi)關(guān) PSS（pseudospark switch)具有非常優(yōu)良的特性。
偽火花 TPS 是一種低氣壓的氣體開(kāi)關(guān)，它工作在巴申曲線的左支，發(fā)生在空心電極內(nèi)的放電過(guò)程要經(jīng)歷幾個(gè)階段，且每個(gè)放電階段的放電機(jī)理不盡相同[6,7]。觸發(fā)器是偽火花開(kāi)關(guān)的重要部件[8]，它不僅影響空心電極的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，還影響放電開(kāi)關(guān)的放電時(shí)延、抖動(dòng)、放電范圍和使用壽命。偽火花開(kāi)關(guān)的觸發(fā)方式有沿面閃絡(luò)放電觸發(fā)、脈沖電暈觸發(fā)、脈沖輝光觸發(fā)等[9-14]，沿面閃絡(luò)觸發(fā)方式是一種常用的觸發(fā)方式，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、放電時(shí)延和抖動(dòng)小等顯著優(yōu)點(diǎn)[10]。
本文對(duì)沿面觸發(fā)型偽火花開(kāi)關(guān)的觸發(fā)特性進(jìn)行研究，在此基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)了其在 Crowabr、10/350μs 沖擊電流回路中的應(yīng)用。
2 觸發(fā)型偽火花開(kāi)關(guān)的實(shí)驗(yàn)電路
偽火花開(kāi)關(guān)的結(jié)構(gòu)如圖 1 所示，空心陽(yáng)極和空心陰極由黃銅制作且結(jié)構(gòu)參數(shù)相同，空心電極的結(jié)構(gòu)參數(shù)如下：主放電電極間距 D=4mm，小孔直徑 Ф=6mm，空心電極的厚度為 H=5mm，空心電極的內(nèi)徑為 33mm，深度為 30mm，外絕緣材料為陶瓷。
偽火花開(kāi)關(guān)的沿面閃絡(luò)觸發(fā)裝置包含觸發(fā)電極、沿面閃絡(luò)介質(zhì)材料及觸發(fā)脈沖電路。沿面閃絡(luò)觸發(fā)器由兩種材料分別制作而成，一是相對(duì)介電常數(shù)為 42 的 AlO3 材料 C1，另一是相對(duì)介電常數(shù)為 3460 的 BaTiO3 復(fù)合材料 C2，沿面閃絡(luò)材料長(zhǎng)度為可以在 0.2~2mm、直徑為 6mm 的圓柱，在圓柱沿面閃絡(luò)材料的兩端燒結(jié)有金屬電極，通過(guò)沿面閃絡(luò)材料的端電極，一端連接觸發(fā)脈沖并通過(guò)絕緣材料與空心陰極絕緣，另一端直接接空心陰極或通過(guò)一電阻r接空心陰極。沿面閃絡(luò)觸發(fā)器的沿面閃絡(luò)正對(duì)空心陰極的小孔，且端面距空心陰極內(nèi)表面距離 15mm。
偽火花開(kāi)關(guān)的工作環(huán)境是空氣，氣體壓力在 1Pa 到 100Pa 之間可以調(diào)整。觸發(fā)脈沖由圖 2a 所示的觸發(fā)脈沖形成電路產(chǎn)生，圖中，Tr 為變壓器，D 為整流管，C 為儲(chǔ)能電容，T 為高頻變壓器，SCR 為可控硅，P 為光電耦合元件。其輸出脈沖由高壓探頭（Tektronix P6015A）和示波器（TDS2022）測(cè)得，如圖 2b 所示。
偽火花開(kāi)關(guān)觸發(fā)特性的實(shí)驗(yàn)電路如圖 3 所示，開(kāi)關(guān)電壓由高壓探頭（Tektronix P6015A）和示波器（TDS2022）測(cè)試，同時(shí)通過(guò)開(kāi)關(guān)的電流、通過(guò)于偽火花開(kāi)關(guān) PSS 串聯(lián)的同軸管式分流器 Rs 測(cè)得。
圖 3 中，T 是變壓器，D 是整流管，R0 是充電保護(hù)電阻， C 是儲(chǔ)能電容，R1 是阻尼電阻，L 是回路電感，PSS 是偽火花開(kāi)關(guān)，Rs 是同軸管式分流器。
3 沿面閃絡(luò)偽火花開(kāi)關(guān)的觸發(fā)特性
3.1 沿面閃絡(luò)觸發(fā)器的沿面閃絡(luò)特性
實(shí)驗(yàn)研究表明：在相同氣體壓力和相同的觸發(fā)脈沖作用下，對(duì)于高介電常數(shù)的沿面閃絡(luò)觸發(fā)器，沿面閃絡(luò)的通道可以長(zhǎng)一些，圖 4 為兩種不同介質(zhì)材料的擊穿電壓與閃絡(luò)距離之間的關(guān)系曲線（氣體壓力 25Pa）。當(dāng)氣壓下降時(shí)，高介電常數(shù)材料顯現(xiàn)良好的沿面閃絡(luò)特性。
由于偽火花開(kāi)關(guān)工作在較低的氣壓下，所以，沿面閃絡(luò)材料表面的狀態(tài)將嚴(yán)重影響觸發(fā)器的閃絡(luò)放電，為保證沿面閃絡(luò)觸發(fā)器觸發(fā)特性的穩(wěn)定性，觸發(fā)器的沿面閃絡(luò)特性應(yīng)不隨氣壓的變化而變化。
圖 5 為沿面閃絡(luò)通道程度為 1mm 情況下，觸發(fā)器的沿面閃絡(luò)擊穿電壓與氣壓之間的關(guān)系曲線。
由此得出：由高介電常數(shù)介質(zhì)材料 C2 制作的沿面閃絡(luò)觸發(fā)器具有相對(duì)穩(wěn)定的閃絡(luò)擊穿電壓，同時(shí)沿面閃絡(luò)電壓較低。
圖 6 是相同的觸發(fā)脈沖作用下。由介質(zhì)材料 C1 制作的沿面閃絡(luò)觸發(fā)器在不同沿面閃絡(luò)通道長(zhǎng)度下能夠發(fā)生閃絡(luò)擊穿的最小氣壓。但對(duì)于介質(zhì)材料 C2，沿面閃絡(luò)在偽火花開(kāi)關(guān)的工作氣壓范圍之內(nèi)均可以擊穿，這使得我們可以設(shè)計(jì)較長(zhǎng)的沿面閃絡(luò)通道，以提高沿面閃絡(luò)觸發(fā)器的壽命。
3.2 PSS 的觸發(fā)工作電壓范圍
當(dāng)氣體壓力為 2Pa 時(shí)，偽火花開(kāi)關(guān)的最高耐壓為 40kV，兩種不同沿面閃絡(luò)觸發(fā)器的 PSSs 的最低可靠觸發(fā)工作電壓分別為 474V（C1）和 130V（C2，參看圖 7），因此，它們的觸發(fā)工作電壓范圍分別為 11.85%-99% 和 3.25%-99%。
3.3 PSS 的放電時(shí)延和抖動(dòng)
當(dāng) PSS 的沿面閃絡(luò)觸發(fā)器在觸發(fā)脈沖電壓的作用下發(fā)生沿面擊穿時(shí)，觸發(fā)脈沖電壓迅速跌落，由沿面閃絡(luò)形成的帶電粒子將使 PSS 擊穿放電。如果僅考慮 PSS 自身的放電特性而忽略觸發(fā)脈沖上升陡度對(duì) PSS 導(dǎo)通的影響，本文定義觸發(fā)脈沖跌落瞬間到開(kāi)關(guān)電流上升瞬間之間的時(shí)間之差為 PSS 的放電時(shí)延 τd，如圖 8。
而在相同的施加電壓和觸發(fā)脈沖作用下，放電時(shí)延之間的分散性定義為抖動(dòng)，即：，其中，為所有放電時(shí)延的平均值。
圖 9 為兩種具有不同介質(zhì)材料沿面閃絡(luò)觸發(fā)器的 PSS 觸發(fā)特性，包含 PSS 的放電時(shí)延和抖動(dòng)。由此得：高介電常數(shù)介質(zhì)沿面閃絡(luò)的 PSS(C2) 具有優(yōu)良的觸發(fā)特性。
4 PSS 在 10/350μs、Crowbar 沖擊電流回路的應(yīng)用
10/350μs 直擊雷電流波通常用來(lái)對(duì) I(B) 的過(guò)電壓保護(hù)間隙進(jìn)行沖擊電路實(shí)驗(yàn)，其原理電路如圖 9 所示。
圖 10 中，L1 為儲(chǔ)能電容的電感和連接導(dǎo)線的電感， L2 為波形形成電感，R1 為連接線的等效電阻，R 是負(fù)載電阻，C 為儲(chǔ)能電容，G1 為主放電開(kāi)關(guān)，G2 為 crowbar 放電開(kāi)關(guān)，且回路參數(shù)滿足：L1≤L2和R1≤R。
當(dāng)主放電開(kāi)關(guān) G1 被引發(fā)放電時(shí)，電容 C 儲(chǔ)存的電場(chǎng)能量通過(guò)主放電開(kāi)關(guān) G1、形成電感 L2 負(fù)載電阻 R 放電，形成 10/350μs 沖擊電流波的波前，當(dāng)放電電流達(dá)到峰值時(shí)，電容 C 儲(chǔ)存的電場(chǎng)能量幾乎全部轉(zhuǎn)移為形成電感 L2 的磁場(chǎng)能量，儲(chǔ)能電容兩端的電壓近乎為零。這時(shí)，觸發(fā) Crowbar 放電開(kāi)關(guān) G2 導(dǎo)通放電，利用電感中磁場(chǎng)能量不能突變的特點(diǎn)，使形成電感 L2 通過(guò)負(fù)載、Crowbar 放電開(kāi)關(guān) G2 放電，形成 10/350μs 沖擊電流波的波尾。
由圖 9 可推得：
????????????? 0≤t≤π/(2ω)????????? (1)
????? t≥π/(2ω)??????????? (2)
其中，。
當(dāng)放電電流達(dá)到最大值時(shí)，作用在 Crowbar 放電開(kāi)關(guān) G2 上的電壓僅為電感 L1 上的電壓降，由于這時(shí) di(t)/dt=0，這就要求 Crowbar 放電開(kāi)關(guān) G2 必須能夠向在施加電壓幾乎為零的情形下觸發(fā)導(dǎo)通；從另一方面講，Crowbar 放電開(kāi)關(guān) G2 的耐壓又必須高于回路的充電電壓，否則，當(dāng)主放電開(kāi)關(guān)導(dǎo)通瞬間，放電電流則直接經(jīng)過(guò)主放電開(kāi)關(guān) G1、Crowbar 放電開(kāi)關(guān) G2 旁路，導(dǎo)致截?cái)嗍А?BR>主放電開(kāi)關(guān) G1 和 crowbar 放電開(kāi)關(guān) G2 之間放電時(shí)刻的配合對(duì) 10/350 直擊雷電流波形質(zhì)量影響很大，必須精確配合才能得到符合 IEC 和國(guó)標(biāo)要求的沖擊電流波形。
總之 Crowbar 放電開(kāi)關(guān) G2 必須有高耐壓且非常低的觸發(fā)工作電壓，同時(shí)，為了保證兩放電開(kāi)關(guān)觸發(fā)導(dǎo)通時(shí)間的配合，Crowbar 放電開(kāi)關(guān) G2 還須具有短的放電時(shí)延和抖動(dòng)。而本文研究的 PSS 開(kāi)關(guān)正好具備這樣的觸發(fā)特性，因此，可以作為 Crowbar 放電回路的 Crowbar 放電開(kāi)關(guān) G2。
圖 11 為圖 10 Crowbar 回路在電路參數(shù)的儲(chǔ)能電容 10μF、電感為 12μH、同軸管式分流器 Rs=0.004196Ω、負(fù)載電阻短路條件下，當(dāng)充電電壓為 38kV 時(shí)，Crowbar 沖擊電流回路可以產(chǎn)生 30kA 的 10/350μs 直擊雷電流波。
5 結(jié)論
采用高介電常數(shù)電介質(zhì)材料制作的沿面閃絡(luò) PSS 和低介電常數(shù)電介質(zhì)材料制作的沿面閃絡(luò) PSS 相比，具有優(yōu)良的觸發(fā)特性。在工作電壓范圍內(nèi)，放電時(shí)延和抖動(dòng)達(dá)到 35ns 和 6ns，可靠觸發(fā)工作電壓范圍為 3.25%-99%，具備作為 Crowbar 放電開(kāi)關(guān)的觸發(fā)特性。將其應(yīng)用到 10/350μs、 Crowbar 沖擊電流回路，在電路參數(shù)儲(chǔ)能電容 10μF、電感為 12μH、同軸管式分流器 Rs=0.004196Ω、負(fù)載電阻短路條件下，當(dāng)充電電壓為 38kV 時(shí)，Crowbar 沖擊電流回路可以產(chǎn)生 30kA 的 10/350μs 直擊雷電流波。可以作為過(guò)電壓保護(hù)器，尤其時(shí) I(B) 級(jí)過(guò)電壓保護(hù)間隙的沖擊電流試驗(yàn)。