电弧参数对激光触发真空开关重频开断特性的影响
大连理工大学电气工程学院、国网辽宁省电力有限公司电力科学研究院的研究人员陈占清、段雄英、廖敏夫、邹积岩、刘芮彤，在2019年第21期《电工技术学报》上撰文指出，激光触发真空开关（LTVS）的电弧特性受外电路参数和触发材料的综合作用，影响其开断性能。
该文基于可拆卸真空腔体搭建实验电路，改变电流频率、工作电压、电流峰值、电极结构及触发材料种类等因素，对比相应条件下LTVS的完全开断时间差异，分析不同电弧参数对LTVS重频开断特性的影响，讨论LTVS开断过程中真空电弧与触发材料的作用关系。
实验结果表明，LTVS的完全开断时间随电流峰值和工作电压的上升而增长，随电流频率的增加而缩短；纵磁电极对LTVS开断能力的提升效果随电流频率变化；LTVS的开断特性受触发材料种类影响明显，NaCl、KCl、TiH2和Ti+KCl几种材料中，热传导能力最佳的Ti+KCl开断特性最差，开断频率1.4kHz，峰值2.6kA的电流所需时间约为7ms。研究结果可为LTVS产品设计提供参考。
随着我国脉冲功率技术的快速发展及脉冲功率装置容量的不断增长，研制性能更优的脉冲功率开关器件成为目前脉冲功率领域的关键课题之一。激光触发真空开关（Laser Triggered Vacuum Switch, LTVS）是一种综合了脉冲激光与触发真空开关技术特点的新型脉冲功率开关。
相较于传统的利用沿面击穿或场畸变方式产生初始等离子体的电触发真空开关，LTVS利用高能脉冲激光与触发材料的相互作用产生大量初始等离子体，简化开关及触发系统结构的同时可大幅提升其工作可靠性，更具有导通时延短、触发精度高、使用寿命长等诸多优势。
自1973年前苏联A. A. Makarevich等利用激光触发导通真空短间隙以来，国内外学者对LTVS的性能提升及推广应用进行大量工作。
美国Sandia实验室的P. J. Brannon等对比了数千种触发材料LTVS的导通时延特性，认为Ti与KCl的混合粉末更适合用于LTVS。
日本的A. Sugawara等对比了不同电极材料对LTVS的导通性能的影响。
华中科技大学何正浩等针对多棒极型激光触发真空开关导通性能及触发机制进行研究，其研制的多棒极型LTVS耐压为26kV，导通时延低至17ns。
大连理工大学廖敏夫等比较了不同触发材料激光触发真空开关的寿命劣化特性，认为LTVS可靠性的降低主要是由于电弧对触发材料烧蚀作用。
此前关于LTVS的研究大多关注其导通性能提升和使用寿命优化，针对其开断能力的研究相对较少。结合LTVS的工作过程，激光热烧蚀触发材料导通真空间隙后，高温真空电弧对触发材料亦存在强烈热作用，燃弧及弧后阶段触发材料释放的带电粒子会在一定程度上影响间隙介质强度恢复，因此LTVS的重频开断特性受真空电弧与触发材料共同作用。
考虑到电磁炮、电力系统保护等领域对触发开关重复工作能力需求，本文统计不同条件下LTVS的完全开断时间，研究其重频开断特性。
LTVS的开断性能主要取决于电弧对触发材料的热作用。与电弧特性有关的电流频率、电流幅值及工作电压等电路参数和电极结构、触发材料种类等结构参数均会影响LTVS的开断特性。本文基于可拆卸真空腔体搭建实验电路，改变电流频率、电流峰值、工作电压、电极结构和触发材料种类等因素，对比不同电路参数和触发材料下LTVS的完全开断时间差异，讨论电弧参数对其重频开断特性的影响，分析开断过程中真空电弧与触发材料的相互作用，为高性能LTVS产品的设计提供参考和建议。
图1 LTVS重频开断实验电路
本文通过改变影响电弧特性的电路参数和内部结构参数，研究不同电弧参数对LTVS重频开断特性的影响，得到以下结论：
1）LTVS完全开断振荡电流所需时间随电流峰值、工作电压的增加而上升，随电流频率的增加而缩短；但电流频率的增加会降低LTVS的开断能力。
2）中低频条件下，纵磁电极LTVS可获得短于平板电极LTVS的完全开断时间；但开断高频电流时，纵磁电极难以形成有效的磁场以调控电弧运动，对LTVS开断能力的提升效果有限。
3）电流过零时电弧高温对不同触发材料热作用效果不同，影响LTVS的完全开断时间和开断能力。NaCl、KCl、TiH2、Ti+KCl几种材料中，TiH2材料的开断性能最佳，可在2ms内开断峰值2.6kA、频率1.4kHz的振荡电流；Ti+KCl材料良好的热传导能力虽有利于开关的导通性能提升，但不利于LTVS快速开断高频电流。