CN101340063B - 用于高压脉冲电源的多电极旋转火花隙开关 - Google Patents

Abstract

本发明是一种用于高压脉冲电源的多电极旋转火花隙开关，属于脉冲功率技术领域。该开关包括定子(8)、转子(7)、转子针电极(9)、定子针电极(10)、驱动电机(1)。在定子(8)和转子(7)上分别安装2N层针电极，在定子(8)上每层均匀安装M个定子针电极(10)并用导线相连保持同一电位；在转子(7)上每层安装一个转子针电极(9)，相邻两层的两个转子针电极相差180°机械角度，并用导线直接相连保持同一电位，电机带动转子旋转到转子针电极和定子针电极相对时开关导通。该开关具有开断电压、开断功率和重复工作频率高，开断速度快＜10ns，绝缘结构简单，工作寿命长、维修方便、成本低等优点。

Description

用于高压脉冲电源的多电极旋转火花隙开关

技术领域

该发明涉及一种用于高压脉冲电源的高压高重复频率开关。用于电介质介电特性研究、废水处理和废气处理。

背景技术

脉冲功率技术是在较长的时间内以较低的功率储存能量，然后在较短的时间内以较高的功率释放能量到特定负载中去的电物理技术，其实质是将能量在时间尺度上进行压缩。高压脉冲电源是脉冲功率系统中的关键装置，其作用是产生高压高瞬时功率的脉冲，它一般主要由三部分构成：储能装置、高压开关和负载，其中高压开关是高压脉冲电源的核心部件，高压开关的性能直接决定着电源整体的性能。

近年来，高压脉冲电源在工业上和科研中得到广泛应用。例如：废水处理、废气处理、杀菌消毒、高能粒子束产生、等离子体产生、电介质介电行为研究等。在这些领域的应用中，对高压脉冲电源的基本性能要求是：1)脉冲上升沿陡(＜50ns)；2)重复频率高(1-5kHz)；3)高电压(U_MAX＞50kV)，大电流(I_MAX)，高功率；4)工作寿命长。固体开关如晶闸管、IGBT、MOSFET等虽然工作寿命长，重复频率高，但是开断电压和电流不能太大(U_MAX＜5kV，I_MAX＜10KA)，开断功率小，开断高电压大电流所用时间较长(＞100ns)，价格昂贵，并且需要有复杂的控制和保护电路，因而限制了其在高压脉冲电源技术中的应用。火花隙开关由于其具有开断电压高、电流大、开关时间短(＜50ns)、成本低、控制简单等优点而在高压脉冲电源技术中得到了广泛应用。火花隙开关根据其结构和工作原理不同主要可分为两种：两电极火花隙开关和三电极火花隙开关。前者由阳极和阴极组成，无触发极，属于自击穿型，当加在两极的电压高于设定的电压时，火花隙击穿而导通，因而开断存在很大的分散性。三电极火花隙开关由阳极、阴极和触发极组成，当触发极施加一定幅值的快上升沿触发脉冲时，火花隙击穿而导通，由于有触发极控制导通，故其开断分散性比两电极小，但控制较复杂，尤其当电压较高时，很难产生快上升沿触发脉冲。目前，火花隙开关存在的主要问题是：1)由于火花间隙击穿后气体绝缘强度恢复需要一定的时间(＞1ms)，所以其重复工作频率较低，一般不超过1kHz；2)开关寿命短，尤其是在高重复频率状况下工作时，由于放电产生的热量很容易使电极烧蚀，从而导致开关寿命终结；3)不论三电极或两电极火花隙开关，其开断分散性都比较大，由它产生的高压脉冲波形不稳定，且波形畸变大；4)绝缘结构设计复杂。因而限制了以它作为开关部件的高压脉冲电源的商业化应用。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，克服现有的火花隙开关存在的主要问题，提供一种用于高压脉冲电源的多电极旋转火花隙开关。

本发明的技术方案：

该开关包括：定子、转子、转子针电极、定子针电极、驱动电机、轴、轴承、连轴器、连轴器套筒、上端盖、下端盖。

在定子和转子上，分别通过螺纹连接安装2N层定子针电极和转子针电极，电极层数N的大小取决于实际需要和开关的结构，1≤N≤h/d，h为定子高度(单位mm)，d为定子上下两层针电极之间的绝缘距离，为保证开关的可靠工作，d应满足 $d\≥\frac{U\left(\mathrm{kV}\right)}{30}\×40\left(\mathrm{mm}\right)$ 其中U(kV)为开关工作电压。

在定子上，每层均匀安装M个定子针电极， $M=\frac{2\mathrm{\πR}}{0.01},$ R为定子内半径，相邻电极之间距离大于1cm，并用导线相连保持同一电位，各层电极配置完全相同。

与定子上各层的针电极对应，在转子上，每层安装一个转子针电极，相邻两层的两个转子针电极相差180°机械角度，并用导线直接相连保持同一电位，各层电极竖直位置与定子各层电极的竖直位置相同。

安装在定子上，第一层、第二层的定子针电极和安装在转子上第一层、第二层的转子针电极组成一个开关；安装在定子上第三层、第四层的定子针电极和安装在转子上第三层、第四层转子针电极组成一个开关，……，安装在定子上的第2N-1、第2N层的定子针电极和安装在转子的第2N-1与第2N层转子针电极组成一个开关，共组成N个开关(N开关式多电极旋转火花隙开关)。

定子固定在上端盖和下端盖间；转子与转子轴用键和转子固定螺母与轴连接；转子轴与驱动电机的轴用联轴器连接；转子轴通过轴承固定在上端盖和下端盖上，以确保转子和定子的同轴度。

转子在驱动电机的带动下旋转，当转子针电极与定子针电极接近正对，并且二者之间的电压大于间隙击穿电压时，火花间隙放电，开关导通；当转子针电极远离定子针电极使其二者之间的电压小于间隙击穿电压时，开关关断；随驱动电机的旋转，该火花隙开关重复工作。

在定子和转子上分别安装N层电极时：

将定子上每层均匀安装M个定子针电极，等分为两组，同一组的M/2个定子针电极间用导线相连保持同一电位；M为偶数。

与定子上各层的针电极对应，在转子上，每层安装两个转子针电极，相差180°机械角度，并用导线相连保持同一电位。

安装在定子上第一层的两组定子针电极和安装在转子上的第一层的两个转子针电极组成一个开关。开关重复工作特性与前者相同。

安装在定子上第二层的两组定子针电极和安装在转子上的第二层的两个转子针电极组成一个开关。

……，

安装在定子上第N层的两个定子针电极和安装在转子上的第N层的两个转子针电极组成一个开关；共组成N个开关(N开关式多电极旋转火花隙开关)。

火花隙开关重复工作的频率：

$f=\frac{M\×n}{60}$

M为定子每层的电极数目，n为驱动电机的转速，单位为r/min。

火花隙开关的开断时间小于10ns。

本发明的有益效果：

1)由于定子安装有多个电极，在转子旋转放电的过程中，即使在最高重复工作频率下，都可以保证同一间隙两次放电的时间间隔远大于间隙介质绝缘强度恢复时间(1ms)，这不仅有利于间隙介质绝缘强度的恢复，为提高开关重复工作频率创造了条件，而且减小了定子电极的烧蚀，有利于提高开关开断功率和延长开关的工作寿命。

2)由于定子同一层电极处于相同电位，间隙电场强度发生明显畸变，使得定子电极针尖附近电场强度显著增强，而定子同层相邻电极中间位置电场强度大大减弱，这不仅可以保证开关的可靠开通和关断，提高了开关工作的稳定性和可靠性，降低了开关的分散性，使得开关工作的稳定性接近于固体开关，而且在电场畸变效应的作用下使得开关工作时间进一步减小。

3)由于定子同一层电极处于相同电位，它们之间不存在绝缘的问题，使得绝缘结构大为简化，有利于提高开关工作电压。

4)在开断电压比较低的情况下，定子相邻两层电极之间可以直接以空气绝缘；在电压比较高的情况下，可以通过增加相邻两层电极之间的距离以空气绝缘，或不增加层间电极距离而调节开关内气体压强以提高绝缘强度，或在相邻两层间加入绝缘板，从而大幅度提高开关工作电压；

5)通过调节电机转速可以方便地调节开关的重复工作频率，改用最高转速大的电机就可以提高开关的最大重复工作频率。

6)该结构的旋转火花隙开关拆卸维修方便，提高了开关的实用性。

另外，在开断电压比较低的情况下，为了降低成本，可以将定子每层安装的电极分为两组，分别为开关的阴阳两极，同一组内的电极用导线相连而保持相同电位。与之相应，转子每层安装两个背对着的电极，用导线相连而处于同一电位。这种结构的开关在低压下，可以获得与前述结构同样的开关重复工作频率，只是输出波形稍差，但成本降低了很多。

附图说明

图1是用于高压脉冲电源的多电极旋转火花隙开关的外观图；

图2是图1的纵剖面构造图；

图3是转子构造图；

图4是轴的构造图；

图5是转子针电极的构造图；

图6是定子针电极的构造图；

图2中，1.驱动电机；2.联轴器套筒；3.联轴器；4.轴承；5.转子固定螺母；6.上端盖；7.转子；8.定子；9.转子针电极；10.定子针电极；11.键槽；12.下端盖；13.轴。

图3中，14.转子针电极的螺纹孔；15.连接针电极的导线槽；16.转子针电极的绝缘隔离盘；17.连接针电极的导线孔。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进一步说明。

实施例一

用于高压脉冲电源的多电极旋转火花隙开关(适用于高压＞20Kv，紧凑型结构的场合)(如图1)，该开关包括：定子8、转子7、转子针电极9、定子针电极10、驱动电机1、轴13、轴承4、连轴器3、连轴器套筒2、上端盖6、下端盖12。

在定子8和转子7上分别通过螺纹连接安装四层定子针电极10和转子针电极9。设d为定子上下两层针电极之间的绝缘距离，为保证开关的可靠工作，d应满足 $d\≥\frac{U\left(\mathrm{kV}\right)}{30}\×40\left(\mathrm{mm}\right),$ 其中U(kV)为开关工作电压。

定子8每层安装 $M=\frac{2\mathrm{\πR}}{0.01}\≈24$ 个定子针电极(定子内半径r＝385mm，外半径R＝405mm)，并用铜线直接相连，各层电极竖直方向的配置完全相同，定子8通过螺丝固定在上端盖6、下端盖12之间，定子由机械性能和绝缘性能良好的尼龙加工而成。

转子7外半径为345mm，在转子7上，每层针电极螺纹孔14安装一个转子针电极9，相邻两层的两个转子针电极相差180°机械角度，并用铺设在针电极导线槽15和导线孔17的导线直接相连保持同一电位，各层电极竖直位置与定子各层电极的竖直位置相同，不同电位的相邻两层间通过转子绝缘盘16进行绝缘，转子通过固定螺母5和安装在上下端盖上的轴承4固定并由轴13带动旋转，转子由机械性能和绝缘性能良好的尼龙加工而成。

轴13的最上端分别与联轴器和固定在上端盖上的轴承连接，轴的键槽通过键与转子连接，轴13的下端与下端盖上安装的轴承连接。

联轴器套筒2的上端盖通过螺丝与驱动电机1的下端盖相连，联轴器套筒2的下端盖通过螺丝固定在定子上端盖6上。联轴器套筒的主要作用是固定电机和保证电机轴与转子轴13的同轴度。

定子针电极10和转子针电极9的结构相似，针电极的尖端半径为4mm。转子针电极尾部有细螺纹，转子针电极的尾部与转子螺纹连接。定子尾部和中部都有螺纹，中部螺纹与定子螺纹连接用于固定定子针电极和调节定子针电极透过定子的长度从而调节与转子针电极的距离，定子针电极的尾部通过螺母固定外部连接导线。

安装在定子8上的第一层、第二层两层的定子针电极10和安装在转子7上第一层、第二层两层的转子针电极9组成一个开关；安装在定子8上第三层、第四层两层的定子针电极10和安装在转子7上第三层、第四层两层的转子针电极9组成一个开关，共组成两个开关(两开关式多电极旋转火花隙开关)。

在图2中，由于定子上所有针电极处于同一电位，可以产生明显的电场畸变效应，有利于开关的绝缘结构设计和减小开关的体积，并能保证开关工作的可靠性。设计时，只需考虑层间绝缘。本发明的定子层间靠空气绝缘，转子层间通过绝缘盘16进行绝缘。

定子8固定在上端盖6和下端盖12间；转子7置于转子轴13的轴肩上用键11和转子固定螺母5与轴连接；驱动电机的轴与转子的轴13通过联轴器3相连，驱动电机带动转子一起旋转。转子的轴通过固定在上下两个端盖上的轴承4而固定，以确保转子和定子的同轴度，从而保证转子电极和定子电极之间的间隙距离有可靠的精度。

转子7在驱动电机1的带动下旋转，当转子针电极9与定子针电极10接近正对，并且二者之间的电压大于间隙击穿电压时，火花间隙放电，开关导通；当转子针电极远离定子针电极使其二者之间的电压小于间隙击穿电压时，开关关断；随驱动电机的旋转，该火花隙开关重复工作。

实施例二

四开关式多电极旋转火花隙开关，适用于高压＜20kV，紧凑型结构的场合，其结构与实施例一的两开关式多电极旋转火花隙开关相同，只是导线连接方式有所不同。

在定子8和转子7上分别安装四层针电极。设d为定子上下两层针电极之间的绝缘距离，为保证开关的可靠工作，d应满足 $d\≥\frac{U\left(\mathrm{kV}\right)}{30}\×40\left(\mathrm{mm}\right),$ 其中U(kV)为开关工作电压。

定子8上，每层均匀安装24个定子针电极10，等分为两组，每组的12个电极用铜线直接相连，保持同一电位。

在转子7上，每层安装两个转子针电极9，相差180°机械角度，并用导线相连保持同一电位。

安装在定子8上第一层的两组定子针电极10和安装在转子7上的第一层的两个转子针电极9组成一个开关。

安装在定子8上第二层的两组定子针电极10和安装在转子7上的第二层的两个转子针电极9组成一个开关。

安装在定子8上第三层的两组定子针电极10和安装在转子7上的第三层的两个转子针电极9组成一个开关。

安装在定子8上第四层的两组定子针电极10和安装在转子7上的第四层的两个转子针电极9组成一个开关。

共组成四个开关(四开关式多电极旋转火花隙开关)。

在图2中，由于定子上每层同一组的电极处于同一电位，可以产生明显的电场畸变效应，有利于开关的绝缘结构设计和减小开关的体积，并能保证开关工作的可靠性。设计时，只需考虑层间绝缘和同一层内两组电极之间的绝缘，本发明以空气作为绝缘介质。

在图2中，驱动电机的轴与转子的轴13通过联轴器3相连，驱动电机带动转子一起旋转。

在图2中，转子的轴通过固定在上下两个端盖上的轴承4而固定，以保证转子电极和定子电极之间的间隙距离有可靠的精度。

Claims (3)

1.用于高压脉冲电源的多电极旋转火花隙开关，该开关包括相对设置的针电极，其特征是，该开关包括：定子(8)、转子(7)、转子针电极(9)、定子针电极(10)、驱动电机(1)、轴(13)、轴承(4)、联轴器(3)、连轴器套筒(2)、上端盖(6)、下端盖(12)；

在定子(8)和转子(7)上，分别通过螺纹连接安装2N层定子针电极(10)和转子针电极(9)，1≤N≤h/d，h为定子高度，单位mm，d为定子上下两层针电极之间的绝缘距离，为保证开关的可靠工作，d应满足 

其中U(kV)为开关工作电压；

在定子(8)上，每层均匀安装M个定子针电极(10)， 

R为定子内半径，相邻电极之间距离大于1cm，并用导线相连保持同一电位，各层电极配置完全相同；

在转子(7)上，每层安装一个转子针电极(9)，相邻两层的两个转子针电极相差180°机械角度，并用导线直接相连保持同一电位，各层电极竖直位置与定子各层电极的竖直位置相同；

安装在定子(8)上第一层、第二层的定子针电极(10)和安装在转子(7)上第一层、第二层的转子针电极(9)组成一个开关；安装在定子(8)上第三层、第四层的定子针电极(10)和安装在转子(7)上第三层、第四层转子针电极(9)组成一个开关，……，安装在定子(8)上的第2N-1、第2N层的定子针电极(10)和安装在转子(7)的第2N-1与第2N层转子针电极(9)组成一个开关，共组成N个开关；

定子(8)固定在上端盖(6)和下端盖(12)间；转子(7)置于转子轴(13)的轴肩上用键(11)和转子固定螺母(5)与轴连接；转子轴(13)与驱动电机(1)的轴用联轴器(3)连接；转子轴(13)通过轴承(4)固 定在上端盖(6)和下端盖(12)上，以确保转子和定子的同轴度；

转子(7)在驱动电机(1)的带动下旋转，当转子针电极(9)与定子针电极(10)接近正对，并且二者之间的电压大于间隙击穿电压时，火花间隙放电，开关导通；当转子针电极远离定子针电极使其二者之间的电压小于间隙击穿电压时，开关关断；随驱动电机的旋转，该火花隙开关重复工作。

2.根据权利要求1所述的用于高压脉冲电源的多电极旋转火花隙开关，其特征是，该火花隙开关重复工作的频率：

M为定子每层的电极数目，n为驱动电机的转速，单位为r/min。

3.根据权利要求1所述的用于高压脉冲电源的多电极旋转火花隙开关，其特征是：开关开断时间小于10ns。 

Images