現代生活中，雷電對輸配電、電子通信、航空航天等各行各業危害巨大，因此，各種各樣的 SPD（包括開關型、限壓型、混合型）引起了世界各國越來越多的關注， IEC 和國標對 SPD 的雷電流測試方法和測試設備（包括 8/20μs 雷電流測試設備、10/350μs 直擊雷電流測試設備等）都作了詳盡的規定[1-4]。一般來講，8/20μs 雷電流波采用 RLC 回路形成，而對于 10/350μs 直擊雷電流波形，如采用 RLC 回路，產生 100kA 的脈沖電流所需要的儲能將達到上千千焦耳，為此采用了高效 Crowbar 沖擊電流回路[5]。
Crowbar 沖擊電流回路同時利用了電容和電感共同存儲能量的方式，這樣電容的容量可大大減少，電路功能的實現必須解決 Crowbar 放電開關的技術難題，如放電開關的放電時延和抖動、觸發工作電壓范圍等等[6]。在這方面，觸發型偽火花開關 PSS（pseudospark switch)具有非常優良的特性。
偽火花 TPS 是一種低氣壓的氣體開關，它工作在巴申曲線的左支，發生在空心電極內的放電過程要經歷幾個階段，且每個放電階段的放電機理不盡相同[6,7]。觸發器是偽火花開關的重要部件[8]，它不僅影響空心電極的結構設計，還影響放電開關的放電時延、抖動、放電范圍和使用壽命。偽火花開關的觸發方式有沿面閃絡放電觸發、脈沖電暈觸發、脈沖輝光觸發等[9-14]，沿面閃絡觸發方式是一種常用的觸發方式，具有結構簡單、放電時延和抖動小等顯著優點[10]。
本文對沿面觸發型偽火花開關的觸發特性進行研究，在此基礎上，實現了其在 Crowabr、10/350μs 沖擊電流回路中的應用。
2 觸發型偽火花開關的實驗電路
偽火花開關的結構如圖 1 所示，空心陽極和空心陰極由黃銅制作且結構參數相同，空心電極的結構參數如下：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，空心電極的內徑為 33mm，深度為 30mm，外絕緣材料為陶瓷。
偽火花開關的沿面閃絡觸發裝置包含觸發電極、沿面閃絡介質材料及觸發脈沖電路。沿面閃絡觸發器由兩種材料分別制作而成，一是相對介電常數為 42 的 AlO3 材料 C1，另一是相對介電常數為 3460 的 BaTiO3 復合材料 C2，沿面閃絡材料長度為可以在 0.2~2mm、直徑為 6mm 的圓柱，在圓柱沿面閃絡材料的兩端燒結有金屬電極，通過沿面閃絡材料的端電極，一端連接觸發脈沖并通過絕緣材料與空心陰極絕緣，另一端直接接空心陰極或通過一電阻r接空心陰極。沿面閃絡觸發器的沿面閃絡正對空心陰極的小孔，且端面距空心陰極內表面距離 15mm。
偽火花開關的工作環境是空氣，氣體壓力在 1Pa 到 100Pa 之間可以調整。觸發脈沖由圖 2a 所示的觸發脈沖形成電路產生，圖中，Tr 為變壓器，D 為整流管，C 為儲能電容，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）測得，如圖 2b 所示。
偽火花開關觸發特性的實驗電路如圖 3 所示，開關電壓由高壓探頭（Tektronix P6015A）和示波器（TDS2022）測試，同時通過開關的電流、通過于偽火花開關 PSS 串聯的同軸管式分流器 Rs 測得。
圖 3 中，T 是變壓器，D 是整流管，R0 是充電保護電阻， C 是儲能電容，R1 是阻尼電阻，L 是回路電感，PSS 是偽火花開關，Rs 是同軸管式分流器。
3 沿面閃絡偽火花開關的觸發特性
3.1 沿面閃絡觸發器的沿面閃絡特性
實驗研究表明：在相同氣體壓力和相同的觸發脈沖作用下，對于高介電常數的沿面閃絡觸發器，沿面閃絡的通道可以長一些，圖 4 為兩種不同介質材料的擊穿電壓與閃絡距離之間的關系曲線（氣體壓力 25Pa）。當氣壓下降時，高介電常數材料顯現良好的沿面閃絡特性。
由于偽火花開關工作在較低的氣壓下，所以，沿面閃絡材料表面的狀態將嚴重影響觸發器的閃絡放電，為保證沿面閃絡觸發器觸發特性的穩定性，觸發器的沿面閃絡特性應不隨氣壓的變化而變化。
圖 5 為沿面閃絡通道程度為 1mm 情況下，觸發器的沿面閃絡擊穿電壓與氣壓之間的關系曲線。
由此得出：由高介電常數介質材料 C2 制作的沿面閃絡觸發器具有相對穩定的閃絡擊穿電壓，同時沿面閃絡電壓較低。
圖 6 是相同的觸發脈沖作用下。由介質材料 C1 制作的沿面閃絡觸發器在不同沿面閃絡通道長度下能夠發生閃絡擊穿的最小氣壓。但對于介質材料 C2，沿面閃絡在偽火花開關的工作氣壓范圍之內均可以擊穿，這使得我們可以設計較長的沿面閃絡通道，以提高沿面閃絡觸發器的壽命。
3.2 PSS 的觸發工作電壓范圍
當氣體壓力為 2Pa 時，偽火花開關的最高耐壓為 40kV，兩種不同沿面閃絡觸發器的 PSSs 的最低可靠觸發工作電壓分別為 474V（C1）和 130V（C2，參看圖 7），因此，它們的觸發工作電壓范圍分別為 11.85%-99% 和 3.25%-99%。
3.3 PSS 的放電時延和抖動
當 PSS 的沿面閃絡觸發器在觸發脈沖電壓的作用下發生沿面擊穿時，觸發脈沖電壓迅速跌落，由沿面閃絡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脈沖上升陡度對 PSS 導通的影響，本文定義觸發脈沖跌落瞬間到開關電流上升瞬間之間的時間之差為 PSS 的放電時延 τd，如圖 8。
而在相同的施加電壓和觸發脈沖作用下，放電時延之間的分散性定義為抖動，即：，其中，為所有放電時延的平均值。
圖 9 為兩種具有不同介質材料沿面閃絡觸發器的 PSS 觸發特性，包含 PSS 的放電時延和抖動。由此得：高介電常數介質沿面閃絡的 PSS(C2) 具有優良的觸發特性。
4 PSS 在 10/350μs、Crowbar 沖擊電流回路的應用
10/350μs 直擊雷電流波通常用來對 I(B) 的過電壓保護間隙進行沖擊電路實驗，其原理電路如圖 9 所示。
圖 10 中，L1 為儲能電容的電感和連接導線的電感， L2 為波形形成電感，R1 為連接線的等效電阻，R 是負載電阻，C 為儲能電容，G1 為主放電開關，G2 為 crowbar 放電開關，且回路參數滿足：L1≤L2和R1≤R。
當主放電開關 G1 被引發放電時，電容 C 儲存的電場能量通過主放電開關 G1、形成電感 L2 負載電阻 R 放電，形成 10/350μs 沖擊電流波的波前，當放電電流達到峰值時，電容 C 儲存的電場能量幾乎全部轉移為形成電感 L2 的磁場能量，儲能電容兩端的電壓近乎為零。這時，觸發 Crowbar 放電開關 G2 導通放電，利用電感中磁場能量不能突變的特點，使形成電感 L2 通過負載、Crowbar 放電開關 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，。
當放電電流達到最大值時，作用在 Crowbar 放電開關 G2 上的電壓僅為電感 L1 上的電壓降，由于這時 di(t)/dt=0，這就要求 Crowbar 放電開關 G2 必須能夠向在施加電壓幾乎為零的情形下觸發導通；從另一方面講，Crowbar 放電開關 G2 的耐壓又必須高于回路的充電電壓，否則，當主放電開關導通瞬間，放電電流則直接經過主放電開關 G1、Crowbar 放電開關 G2 旁路，導致截斷失效。
主放電開關 G1 和 crowbar 放電開關 G2 之間放電時刻的配合對 10/350 直擊雷電流波形質量影響很大，必須精確配合才能得到符合 IEC 和國標要求的沖擊電流波形。
總之 Crowbar 放電開關 G2 必須有高耐壓且非常低的觸發工作電壓，同時，為了保證兩放電開關觸發導通時間的配合，Crowbar 放電開關 G2 還須具有短的放電時延和抖動。而本文研究的 PSS 開關正好具備這樣的觸發特性，因此，可以作為 Crowbar 放電回路的 Crowbar 放電開關 G2。
圖 11 為圖 10 Crowbar 回路在電路參數的儲能電容 10μF、電感為 12μH、同軸管式分流器 Rs=0.004196Ω、負載電阻短路條件下，當充電電壓為 38kV 時，Crowbar 沖擊電流回路可以產生 30kA 的 10/350μs 直擊雷電流波。
5 結論
采用高介電常數電介質材料制作的沿面閃絡 PSS 和低介電常數電介質材料制作的沿面閃絡 PSS 相比，具有優良的觸發特性。在工作電壓范圍內，放電時延和抖動達到 35ns 和 6ns，可靠觸發工作電壓范圍為 3.25%-99%，具備作為 Crowbar 放電開關的觸發特性。將其應用到 10/350μs、 Crowbar 沖擊電流回路，在電路參數儲能電容 10μF、電感為 12μH、同軸管式分流器 Rs=0.004196Ω、負載電阻短路條件下，當充電電壓為 38kV 時，Crowbar 沖擊電流回路可以產生 30kA 的 10/350μs 直擊雷電流波。可以作為過電壓保護器，尤其時 I(B) 級過電壓保護間隙的沖擊電流試驗。