石墨电极气体开关的电弧氧化反应机制及其调控方法的研究

In order to improve the current capability and insulation reliability of the gas switch with graphite electrodes for large pulse discharge and high energy transfer, based on the large pulse current test platform, the oxidation reaction mechanism of graphite erosion and its modulation method will be studied in the project. The effects of arc electric parameters and gas physical parameters on the space-time distribution of arc energy are investigated; the diffusion model of carbon removed from graphite electrodes and the energy transfer model between carbon and gas in arc column will be established; the reactive mechanisms and conditions of elementary chemical reactions between carbon, nitrogen and oxygen will be studied, the key factors influencing elementary reaction rates in arc will be analyzed. Furthermore, artificial mixture gas will be used for a replacement of compressed air. For certain of arc discharge parameters, the best ratio, pressure and volume of mixture gas will be quantified, so that the residual carbon after discharge could be reduced as much as possible, and the insulation of gas switch could be improved. This project can provide theoretical supports to perfect the research of the high-performance gas switch with graphite electrodes.

为提高吉瓦-百千安-百微秒长脉宽电弧放电条件下石墨电极气体开关的通流能力和绝缘可靠性，本项目拟依托大电流脉冲放电试验平台，采用试验研究和理论分析相结合的方法，研究石墨电极烧蚀过程中的氧化反应机制及其调控方法。本项目将研究电弧电气参数和气体物理参数对电弧能量时空分布的影响规律，分析电极去除的石墨碳的运动扩散过程，建立石墨碳与气体在电弧弧柱界面内的能量交换模型；研究碳、氮、氧等物质间的化学反应机理和反应条件，分析电弧放电时影响化学基元反应速率的关键因素；进一步利用人工混合气体代替常规压缩空气作为气体绝缘介质，提出特定电弧参数条件下，混合气体配比、气压、开关容积等关键参数的量化设计方法，减少放电后生成物中残余单质碳的含量，改善开关间隙绝缘条件，达成对石墨电极电弧烧蚀氧化过程的人工调控。本项目可为高性能石墨电极开关的研究提供理论支持。

石墨电极气体开关是高功率-大容量脉冲电源系统的关键组件，电源执行放电指令时，几十路或数百路开关同时触发，开关的可靠性直接决定了系统动作成功率。石墨材料电极在表面平整度、质量损失速率等方面有明显优势，但是石墨在电弧烧蚀过程中升华的石墨碳容易残留在电极腔体内，降低开关耐压强度、增加闪络风险。降低开关中石墨碳的残留量对提升开关的可靠性具有实际意义。.本基金围绕石墨电极气体开关中石墨蒸汽的生成特征及氧化机制展开研究，跟踪石墨碳的转化路径，寻找放电气体关键特性对碳质转化效率的影响因素，提出高氧化效率的气体调控方案。建立了电弧-电极界面能量耦合模型，研究表明石墨从电极表面的逃逸速率取决于瞬态热流及起始于放电时刻热积聚两大因素，此判据较早期基于转移电荷量的判据具有更高精度，且适用于各种不同放电气氛。在氮-氧、氩-氧、氦-氧多种组合气体中，将混合气体物性参数计算结果代入界面能量模型，各类气体的烧蚀强度的理论和实验结果一致性好。基于弧区粒子动力学的研究发现，传统的类空气组分放电气体中石墨氧化效率较低，原因是弧区温度条件更利于氮原子与氧原子结合，氮原子的存在降低了气态碳原子与氧原子的结合概率。将放电背景气体替换为氩气具有两方面的有益效果，一是氩-氧电弧热值较低，相同放电条件下石墨的升华量较小；二是氩气电离后较为稳定，不影响弧区碳质和氧气的结合，石墨碳的氧化反应更充分，碳的残留量较传统放电气体降低70%-85%。基于磁流体动力学模型计算得到了脉冲电弧温度场变化及分布特征，碳质的合氧反应主要发生在弧区降温阶段，主要集中于电弧边界处，相同反应时间内氩-氧电弧的平均最适温度反应区域比传统气体高56%，最佳反应温度区域的留存时间决定了碳的氧化效率。本研究揭示了石墨电极气体开关中碳质转移及转化的关键过程及影响因素，形成了脉冲放电条件下电弧等离子体能量场演变和粒子反应系统理论，为提高工程应用中开关可靠性提供了实施途径。