CN101103503A - 具有多个间隙的多通道放电器和高脉冲功率的发生器 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种具有多个间隙的多通道放电器(22)，其特别用在LTD族的高功率发生器中。本发明的放电器(22)包括一个密封腔(1)，两个与电连接装置(15)相连的放电电极(3，4)，和多个均匀设置在该密封腔室中的中间电极(5，6，7)。中间电极中的一个被称为启动电极(5)并且与启动装置相连，该启动装置允许建立放电器的发射。所述启动电极(5)还包括一些允许在腔室(1)的中心分布气体的连成一体的喷管，从而提高了对放电器的电压控制。本发明的放电器(22)的特征在于，负的放电极(4)包括具有电晕效应的针(14)的装置，它的几何形状适合于补偿负的放电极(4)和直接相邻的中间电极(7)之间的形状差别从而保证了在该密封腔室中电位的均匀分布。
Description
技术领域
本发明涉及一种具有多个间隙的多通道放电器，其特别用于LTD(直线变压器驱动源)族的高脉冲功率的发生器。
诸如用于高脉冲功率的发生器中的放电器是一种能够允许在缩短的时间段中传递高电能的装置。对于一些快速操作(特性时间小于1-2微妙)来说，放电器的表现因此一般根据表明放电期限的其电压控制和其电感值来评价。因此为了降低电感和增加电荷量，提出了将通道数量加倍，即将传递电荷过程中产生的电弧数量加倍。不同的多通道放电器模型因此已经由俄国HCEI(High CurrentElectronics Institute)研究所和麦克斯维尔实验室(参看Shiva STARINDUCTIVE PULSE COMPRESSION SYSTEM，R.E.Reinovsky等人，4th IEEE Pulsed Power Conf，Albuquerque，NM，June 6-8，1983，p196)研发。
具有多个间隙的多通道放电器整体上包括：两个所谓的放电电极，将充电电压施加到该放电电极上；和一系列均匀设置在两个放电电极之间的所谓的中间电极，从而限定了一定数量的间隙，在所述间隙中施加在放电器的端子上的电位大致均匀地分布。该电极的组合一般被封闭在一个可被供应气体的密封腔室中。
因此以T508 A/AX命名的商用的具有多个间隙的多通道放电器被制造出来。这种放电器允许在以高压填充六氟化硫(SF6)时保持大约+或-100kV的电压的安全性。
为了免除SF6的使用，已经调整了具有多个间隙的多通道放电器，其被供应增压干空气。所述放电器允许达到同样的性能并应用电晕效应，所述电晕效应允许在中间电极之间(参见MULTI GAPSWITCH FOR MARX GENERATORS，B.M.Kovalchuk等人，2002，IEEE，ISBN 0-7803-71208/02)较均匀地分布不同的电位。不同模式的放电器因此被调整。所述放电器的形式，电极数量和固定到壳体上的方式已经被测验。对于非常快速的操作(特性时间小于1-2微妙)来说，通过具有5个中间电极的实施例获得了在紧凑性/性能比方面的最好的产品，每个中间电极在其对称轴上装备了一个电晕效应的针。同样，受到负电位作用的放电电极在其中心装备了一个电晕效应的针。如此制作的放电器被填充压缩空气并且在充电期间受到+100kV或者-100kV电压作用。设置在两个放电电极之间的中间距离处的中间电极与启动装置相连，从而允许启动该放电器的发射。该启动电极在充电期间受到了零伏电位的作用。因此，该放电器被分为两个区域，一个区域是负极性的，另一个区域是正极性的。很明显如果在放电器中央的压力为2.5atm(1atm＝105Pa)则正极性区域保持该电压，而该负极性区域自动启动。该负极性区域仅仅在空气压力达到4atm时差保持所述电压。压力的增加在正常的工作范围内导致了放电器中电感的增加。
本发明用于解决不同的问题并且提出了一种带有多个间隙的多通道放电器，其能够保持特别高的电压，同时具有更小的电感和电阻。
本发明的另一个目标是调整一种放电器，在密封腔室中该放电器的压力足够小从而限定了电阻和电感，但是还要足够大从而保持在放电器端子处施加的高电压。
本发明还给出一种其几何形状允许大致降低在电极上的电场的具有多个间隙的多通道放电器，决定了在最小的压力下良好地保持电压。
因此，本发明的具有多个间隙的多通道放电器包括：
-一个密封腔，包括两个间隔安装的电极，一个称为正的放电电极，另一个称为负的放电的实心电极，
-至少一个所谓中间电极，设置在密封腔室中在两个放电电极之间以便限定了在所述放电电极之间的间隙，中间电极之一直接邻接负的放电电极，
-一些电连接装置，适合于允许带有正电位的正的放电电极与带有负电位的负的放电电极相连，
-一些适合于允许使至少一个中间电极，称为启动中间电极受到充电阶段的预定电位和发射阶段启动发射的不同电位作用的装置，
-一些针，设置在密封腔中，以便在其中产生电晕效应的放电，从而使由所述电极限定的间隙受到中间电位的作用，
-一些将气体分布在密封腔中的装置。
根据本发明，所述放电器的特征在于，该负的放电电极包括具有电晕效应的针的装置，其几何形状适于补偿该负的放电电极和直接相邻的中间电极之间的形状差异，即几何形状和/或者尺寸的差异，从而保证在整个腔室内大致均匀地分布电位。
事实上，该负的放电电极和直接相邻的中间电极具有不同的形状。尤其是，朝向正的放电电极取向的该直接相邻的中间电极的部分具有与负的电极的形状不同的形状。试验表明在该负的放电电极上固定具有电晕效应的针的装置能够永续良好地保持该放电器的电压，因为在其腔室中良好地分布了电位，其中该具有电晕效应的针的装置的几何形状适合于补偿在负的放电电极和相邻的中间电极之间的形状差异。该带有针的装置的几何形状改善了电位分布，因为在电位升高期间将电荷转移到该放电器中。
本发明的放电器最好如此实施：每个中间电极装备了至少一个电晕效应针；在下述结构中选择负的放电电极的带有针的装置的几何形状：包括至少一个比设置在腔室中的其他电晕效应的针大的电晕效应的针的装置，包括数量上比每个中间电极的电晕效应针多的电晕效应针的装置，或者包括一些适合便于在腔室中均匀分布电位的几何形状的针的装置。该负的电极的具有电晕效应的针的装置的几何形状可以变化并且取决于负的电极的形状和直接相邻的电极的形状。
本发明的电晕效应的针的设置和所获的结果根据经验是出乎预料的甚至是矛盾的；事实上本领域技术人员直觉上倾向于研究在将电晕效应的针固定在所述电极上时的绝对对称性，其原因是：在尖端附近，该电晕效应通过使等电位表面更加紧密而决定了电场的值局部增加；使得所述效应沿腔室不平衡根据经验导致了电位分布的不平衡。试验表明与所接受的想法相反，例如在负的放电电极上比在其他电极上固定更大的针事实上均匀化了电位在放电器中的分布。这可以在事后用下述事实解释：事实上第一间隙并不像其他间隙那样反应并且电位均匀分布的研究需要便于将该第一间隙的电荷在该负的放电电极和直接相邻的中间电极之间传递，这在本发明中得到了实现，即将其几何形状适合于如通过增加电晕效应的针的长度补偿形状差异的带有针的装置固定在负的放电电极上。本发明的放电器因此允许良好分布电位，同时限定了其尺寸和电感。
根据本发明，有利的是，至少一个电晕效应的针设置在每个中间电极上，另一方面，该负的放电电极的带有针的装置包括至少一个电晕效应的针，其尺寸适合于将带有针的装置的所述电晕效应的针的尖端与所述直接相邻的中间电极分开的距离不同于将每个中间电极的每个电晕效应的针的尖端和直接位于该电晕效应的针的尖端对面的中间电极分开的距离中的每一个。
根据本发明，有利的是，该负的放电电极的具有针的装置包括至少一个电晕效应的针，该电晕效应的针的尺寸适合于将带有针的装置的电晕效应的针的尖端与该直接相邻的中间电极分开的距离小于将每个中间电极的每个电晕效应的针与直接位于该电晕效应的针的尖端对面的中间电极的距离中的每一个。这些区别便于把电位均匀地分布到该腔室中，从而平衡了第一间隙相对其他间隙的电荷转移。
根据本发明，有利的是，由负的放电电极和直接相邻的中间电极限定的间隙的长度比该放电器的其他间隙的长度短。
根据本发明，有利的是，至少一个电晕效应的针设置在每个中间电极上，该负的放电电极的带针的装置包括至少一个大于该腔室的其他的电晕效应的针中的每一个的电晕效应的针。
根据本发明，有利的是，至少一个电晕效应的针设置在每个最能够建安电极上，该负的放电电极的带有针的装置包括数量大于由每个中间电极承载的针的电晕效应的针。
根据本发明，有利的是，电晕效应的针安装在每个电极上以便朝向正的放电电极的方向曲线。该针可以位于该放电器的纵轴上或者在平行轴上。将所述针沿该正的放电电极的方向安装的实施允许良好分布电位。另外，所述在密封腔室内壁形成的设置，具有不同性能的两个区域：一个被负的放电电极和第一启动电极限定的负极性区域；由对后的启动电极和正的放电电极限定的正极性的区域。最好，该放电器装备仅仅一个位于两个放电电极之间的中间距离处的启动电极，因此形成了相同尺寸不同极性的两个区域。
根据本发明，有利的是，负的放电电极还在密封腔室内部通过过厚包括一些降低腔室中的电场的装置。所述降低电场的装置与安装在负的放电电极上的电晕效应的针相连，允许降低该放电器的工作压力。这些装置最好包括一些设置在被负的放电电极承载的针周围的环形凸缘。
该密封腔室尤其是旋转圆柱形状并且沿纵轴延伸。
根据本发明，有利的是，中间电极是盘状的并且包括径向杆，在该径向杆上安装所述电晕效应的针，从而保证了在放电器中心良好地分布电位。尤其是，所述中间电极可以是镂空的。
根据本发明，有利的是，通过球形、导电的固定装置所述中间电极固定在该密封腔室中，所述固定装置围绕该纵轴均匀分布。
根据本发明，有利的是，在该密封腔室中分布气体的装置包括至少一个与至少一个中间电极连成一体的喷管，每个喷管从该密封腔室的外部径向延伸到该中间电极。
根据本发明，有利的是，该放电器包括5个中间电极，通过两个中间电极限定的间隙大致是相同的。
根据本发明，有利的是，该放电器包括仅仅一个启动中间电极，设置在两个放电电极之间的中间距离处，因此限定了两个体积大致相等，极性分别为正和负的区域，每个区域能够在相同压力下保持相同的电压。
根据本发明，有利的是，由所述电极限定的间隙沿纵向方向的长度小于2厘米，以此限定了电感。最好由所述电极限定的间隙沿纵向方向的长度小于1厘米以便使电感最小化。
另外，在一个优选应用中，本发明的一个或者多个放电器被固定在慢速或者快速的LTD类型的高脉冲功率的发生器中。
根据本发明，有利的是，该LTD发生器与一些通过气体分配装置填充以至少3atm压缩的空气并且受到大约200kV电压作用的放电器一起工作。
本发明的其他特征，目标和优点将在随后的说明书中出现，其非限定地示范性根据附图给出了本发明的一个实施例。附图包括：
-图1是根据一个实施例的放电器的纵剖面简图；
-图2是根据图1的放电器的实施例的放电器的径向剖视图；
-图3是根据本发明的另一个实施例的纵剖视简图；和
-图4是包括如图1示出的那样的放电器的LTD发生器的一级。
在附图中，为了描述清晰，并没有严格遵守比例和比率。
在图1中，密封腔1一方面由壳体2另一方面由两个正的和负的放电电极3和4限定，该壳体类似地用聚酰胺6制作但是还可以用聚乙烯或者其他热塑性树脂制作，所述两个放电电极与一些电连接装置15相连并且借助螺丝11螺纹固定在该壳体中。
所针对的实施例包括5个均匀分布在腔室1内部的包括启动电极5的中间电极6，该启动电极5设置在两个放电电极之间的中间距离处。所述5个电极因此构成了6个间隙，所述间隙具有沿纵向方向的尺寸，该尺寸一般最好为6毫米。在纵向方向的尺寸可以是不同的，尤其是在0.3-2厘米之间。根据本发明的另一个实施例，由负的放电电极和直接相邻的中间电极限定的间隙的长度可以小于该放电器的其他间隙的长度。
每个中间电极5，6，7为盘状。最好，该电极是椭圆盘状。根据通常的机械定义，椭圆盘是垂直截面为椭圆形的盘。换句话说并且根据图1的实施例，通过围绕平行于椭圆的长轴并且位于距离该长轴距离R的轴旋转该椭圆。根据图1的实施例，该椭圆的短轴一般是1厘米并且该盘的距离R一般为3厘米。该椭圆的长轴最好是2厘米。另外，所述电极3，4，5，6，7总体上是用不锈钢制作，但是也可以用诸如铜锌合金的其他导电材料制作。
最好，所述中间电极5，6，7通过固定球16固定在壳体2上。在图1所针对的实施例中，该电极5，6，7通过螺丝螺母系统固定在固定球16上。
该固定球16例如是半径为1.5厘米的球形。所述球最好用富含碳的钢制作。它们例如被氮化钛或者其他包层的陶瓷覆盖，从而防止生锈。这些球最好数目为每个电极3个并且彼此围绕纵轴成120度分开。最好，一个电极5，6，7的所述固定球16围绕纵轴相对相邻的中间电极的固定球偏置。这些固定球本身设置在一些凹槽13中，所述凹槽13在该壳体的内壁加工。
另外，根据图1针对的实施例的中间电极5，6，7分别包括径向杆9。所述径向杆9最好用不锈钢制作并且为直径小于4毫米的大致圆柱形状。
根据图1所针对的实施例，每个杆9包括设置在纵轴上的电晕效应的针10。一般，针指的是任何能够通过电晕效应产生电荷流的大致尖的装置。能够包括锥形或者小圆柱体的针。最好电晕效应的针10大致为圆柱形，其直径为1毫米并且高度为6毫米，并且用不锈钢制作。焊接到径向杆上的所述电晕效应的针10根据图1所示的实施例具有完全相同的尺寸，但是根据本发明的其他实施例可以为不同的尺寸，使得保证在腔室中电位均匀分布。
负的放电电极4包括带针14的装置，其几何形状适合于补偿负的放电电极和直接相邻的中间电极之间的形状差异。根据图1的实施例，该带针14的装置沿正的放电电极3的方向包括直接焊接在负的电极的壳体内表面上的3个电晕效应的针。根据图1的实施例，该负的放电电极的电晕效应的针与中间电极的针相同。根据图3的实施例，该带有针14的装置包括唯一的尺寸大于其他针的组合的电晕效应的针。该装置的几何形状还允许补偿负的放电电极和相邻的中间电极之间的形状差异。根据图1的实施例，该中央针沿纵轴焊接在负的电极4的壳体的内部表面上，以便大致与中间电极5，6，7的电晕效应的针10对齐。所述两个其他的针在中央针和环形凸缘12之间的中间距离处在径向轴上焊接在该电极的相同表面上。根据图1的实施例，负的放电电极的针相对径向杆焊接，从而支撑第一中间电极的电晕效应的针。
根据图1的实施例，带有针14的装置具有下述优点：保持了针的端部和相邻针之间的足够的距离，从而允许在间隙中电场的限定。另外，根据图3的实施例，该带针14的装置具有成本低便于生产的优点。
根据图1的实施例，负的放电电极4还包括一些降低电场的装置。最好，所述装置是环形凸缘12。这些环形凸缘12可以具有半盘形状，即具有通过围绕垂直于半圆的直线部分并且距离半圆的中心为距离R’设置的轴旋转半圆而产生的体积形状。最好，该距离R’等于构成中间电极的盘的距离R。该半圆的半径最好是1厘米。
图2还具有根据本发明的实施例的启动电极5。该启动电极5包括2个相连的喷管8，所述喷管8用于供应密封腔1和从中排出气体。所述喷管8最好螺纹固定在壳体中并且螺距被镀密封硅胶。该喷管8最好是直径为1厘米长度为6厘米的大致圆柱形。根据本发明的实施例之一，所述喷管8还可以用于启动放电。启动装置可以是直接的或者电容的。
根据所述实施例，圆柱形的放电器22最好具有15厘米的外直径和15厘米的长度，从而构成了紧凑的放电器。
如图4，根据图1的实施例的放电器21插入到LTD发生器的极中。放电器的放电电极通过电连接装置与一些电容器21相连，所述电容器21可以但不是绝对地是Maxwell类型的电容器。图4的实施例的级的核心17由3个环构成，每个环最好能够用铁/硅磁体材料制作。根据另一个实施例，该核心17可以包括更多的环。中心绝缘部分18可以用软塑料或者硬塑料实现，就像侧绝缘部分19那样。工作时，受所述级外部的装置控制的启动套圈20允许启动该放电器22的发射。
根据图1的实施例的放电器22包括一些完全沿正的放电电极的方向焊接的电晕效应的针10，和设置在该两个放电电极之间的中间距离处的启动电极5。所述启动电极5在充电阶段处于零伏的电位。另外，根据实施例的放电器包括两个在极性方面不相等的区域。一个负极性的区域和一个正极性的区域。当放电器22处于200V的电位差作用时，每个区域因此处于100kV的电位差。该负的放电电极4的具有电晕效应的针14的装置的存在允许所述两个区域在2.5atm压力下保持相同的电压，该具有电晕效应的针14的装置具有数量上高于存在于中间电极5，6，7上的电晕效应针的电晕效应针。为了启动发射，该启动电极5处于非零，负的或者正的电位。如果启动脉冲是正的，则负极性区域首先启动，从而驱动正极性的区域启动。如果启动脉冲是负的，则正极性区域首先启动，从而驱动负极性的区域启动。
注意到整体上该不同的电极，固定装置和电晕效应的针的形式和结构并不受到上述限制。任何适合于均匀分布电位差在密封腔中的结构和形式都是本发明的目标，所述密封腔是用于作为转移强电荷的场所。
Claims (19)
1.具有多个间隙的多通道放电器，包括：
-一个密封腔(1)，包括两个间隔安装的电极，一个称为正的放电电极(3)，另一个称为负的放电实心电极(4)，
-至少一个所谓中间电极(6)，设置在密封腔室中在两个放电电极之间以便限定了在所述放电电极之间的间隙，中间电极之一(7)直接邻接负的放电电极(4)，
-一些电连接装置(15)，适合于允许带有正电位的正的放电电极(3)与带有负电位的负的放电电极(4)相连，
-一些适合于允许使至少一个中间电极，称为启动中间电极(5)受到充电阶段的预定电位和发射阶段启动发射的不同电位作用的装置，
-一些针(10)，设置在密封腔室(1)中，以便在其中产生电晕效应的放电，从而使由所述电极(3，4，5，6，7)限定的间隙受到中间电位的作用，
-一些将气体分布在密封腔室(1)中的装置(8)，
所述放电器的特征在于，该负的放电电极(4)包括具有电晕效应的针(14)的装置，其几何形状适于补偿该负的放电电极(4)和直接相邻的中间电极(7)之间的形状差异，即几何形状和/或者尺寸的差异，从而保证电位在整个腔(1)中大致均匀地分布。
2.根据权利要求1所述的放电器，其特征在于，一方面，至少一个电晕效应的针(10)设置在每个中间电极(5，6，7)上，另一方面，该负的放电电极(4)的带有针(14)的装置包括至少一个电晕效应的针，其尺寸适合于将带有针(14)的装置的所述电晕效应的针的尖端与所述直接相邻的中间电极(7)分开的距离不同于将每个中间电极的每个电晕效应的针(10)的尖端和直接位于该电晕效应的针的尖端对面的中间电极分开的距离中的每一个。
3.根据权利要求2所述的放电器，其特征在于，该负的放电电极(4)的具有针(14)的装置包括至少一个电晕效应的针，该电晕效应的针的尺寸适合于将带有针(14)的装置的电晕效应的针的尖端与该直接相邻的中间电极(7)分开的距离小于将每个中间电极的每个电晕效应的针(10)与直接位于该电晕效应的针的尖端对面的中间电极的距离中的每一个。
4.根据权利要求3所述的放电器，其特征在于，由负的放电电极(4)的带有针(14)的装置包括至少一个电晕效应的针，其尺寸大于腔室的其它电晕效应针(10)中的每一个。
5.根据权利要求4所述的放电器，其特征在于，由负的放电电极(4)和直接相邻的中间电极(7)限定的间隙的长度比该放电器的其他间隙的长度短。
6.根据上述权利要求1-5中任一项所述的放电器，其特征在于，至少一个电晕效应的针(10)设置在每个中间电极(5，6，7)上，该负的放电电极的带有电晕效应的针(14)的装置包括数量大于由每个中间电极(5，6，7)承载的针的电晕效应的针。
7.根据权利要求1-6中任一项所述的放电器，其特征在于，电晕效应的针(10，14)安装在每个电极(4，5，6，7)上以便朝向正的放电电极(3)的方向。
8.根据权利要求1-7中任一项所述的放电器，其特征在于，负的放电电极(4)在密封腔室内部通过，包括一些降低腔室中的电场(12)的装置。
9.根据权利要求8所述的放电器，其特征在于，该负的放电电极的降低电场(12)的装置包括一些设置在被负的放电电极(4)承载的针周围的环形凸缘。
10.根据权利要求1-9中任一项所述的放电器，其特征在于，该密封腔(1)是旋转圆柱形状并且沿纵轴延伸，每个中间电极(5，6，7)是盘状并且包括径向杆(9)，在该径向杆上安装每个电晕效应的针(10)，从而提高了放电器中心的电位分布。
11.根据权利要求10所述的放电器，其特征在于，通过称为固定球的球形(16)固定装置所述中间电极(5，6，7)固定在该密封腔(1)中，所述球形固定装置是导电的并且围绕该纵轴均匀分布。
12.根据权利要求1-11中任一项所述的放电器，其特征在于，在该密封腔(1)中分布气体的装置(8)包括至少一个与至少一个中间电极连成一体的喷管，每个喷管从该密封腔室的外部径向延伸到该中间电极。
13.根据权利要求1-12中任一项所述的放电器，其特征在于，该放电器包括仅仅一个启动中间电极(5)，设置在两个放电电极(3，4)之间的中间距离处。
14.根据权利要求1-13中任一项所述的放电器，其特征在于，该放电器包括5个中间电极，通过两个中间电极限定的间隙大致是相同的。
15.根据权利要求14所述的放电器，其特征在于，所述间隙的沿纵向方向的长度小于2厘米，使得限定了电感。
16.根据权利要求15所述的放电器，其特征在于，所述间隙的沿纵向方向的长度小于1厘米以便最小化电感。
17.LTD类型的高脉冲功率的发生器，其特征在于，包括至少一个根据权利要求1-16中任一项所述的具有多个间隙的多通道放电器。
18.根据权利要求17所述的LTD类型的高脉冲功率的发生器，其特征在于，通过放电器的分布装置连接到至少3atm的压缩干空气的源上以便在200kV下工作。
19.根据权利要求17或者18所述的放电器，其特征在于，该LTD发生器由一些放电器的电连接装置与适合于输送至少200kV充电电压的电压源相连。
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