中文摘要：

随着脉冲功率电源向着高功率、高重复频率和小型化方向发展，触发真空开关（TVS）以其结构紧凑、通流能力强、寿命长等优点而越来越受到研究关注。多棒极型TVS的主电极由多对电极并联构成，正负极交错排布，呈环状分布。这种电极结构有助于真空电弧保持扩散形态，提高电极的通流能力和寿命。本申请拟从建立模拟多棒极型TVS的主通道等离子体产生与发展过程的物理与数学模型入手，结合光学技术和多种化学成分分析手段，分析多通道下、多物理场联合作用下真空电弧等离子体的产生与演化过程，掌握多棒极型TVS中真空电弧保持扩散的核心科学问题。在此基础上，分析电极材料、结构设计、触发方式等对TVS电气性能的影响，结合不同设计方案的样品测试结果，最终得出多棒极型TVS的优化设计方法。

结论摘要：

多棒极型触发真空开关（Triggered Vacuum Switch with multi-rod electrode，简称MTVS）的电极结构由多对棒状电极相互交错排列形成多个并联间隙，实现了电弧的多通道发展，避免了主电弧的集聚，因此具备很高的通流能力。本项目主要研究MTVS电弧运动机理，并对其进行优化设计。基于有限元电磁场计算软件，建立了MTVS电弧导通时的三维物理模型，对其多棒极结构下的纵向和横向磁场分布进行了计算和分析，在此基础上，对电弧弧柱的受力情况与弧柱的移动趋势进行分析。同时建立了纵磁结构的平板型TVS的磁场分布进行了对比分析；对MTVS中电弧运动速率进行了理论计算，分析了电弧电压，磁场强度，电流等下等因素对其速度的影响；采用CMOS高速摄像系统对MTVS中电弧的整体发展过程进行观测，并对电弧运动速率进行测量分析，研究发现在MTVS开关燃弧过程中，电弧运动速度最快可以达到103m/s数量级，远大于平板TVS中电弧运动的速度。建立了电弧加热金属电极过程的热力学模型，对金属电极表面在不同电流密度作用下的液化速率和液化厚度进行分析，推算金属电极的抗烧蚀能力，推导出在脉冲电流作用下MTVS电极烧蚀量的理论计算公式。在给定电流作用下，电极的烧蚀主要取决于库仑转移量。对MTVS在导通脉冲大电流后的金属电极烧蚀量进行理论计算与试验测试，两者比较吻合。为优化MTVS的结构设计，通过对MTVS建立三维物理模型进行静电场和磁场分布的计算。分析了棒极边缘的倒角半径对最大电场强度与电场畸变率的影响，得到较好的倒角半径；，同时还分析了屏蔽罩以及剩余电荷等因素对静电场分布的影响，为MTVS主电极结构的优化提供了理论支持。对不同棒极对数和不同棒极长度的MTVS 在导通之后的磁场分布进行了分析，从而得到合适的棒极对数和长度等参数。最后根据前面优化的结果试制了多种MTVS样品，并对其通流特性和触发特性进行了实验研究。MTVS的短脉冲通流能力可以达到峰值100kA，单次库仑转移量为45C，且寿命可以达到1000次以上，而高库仑量的测试为峰值为65kA，单次库仑转移量为402C，且寿命可以达到30次以上。触发特性实验研究表明MTVS的特殊结构决定初始等离子体的扩散过程在正负极性配置下有很大的差别。因此MTVS具有较强的极性效应，正极性下触发可靠性高，然而在负极性下触发十分困难，触发