CN101783480B - 一种两电极气体火花开关 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种两电极气体火花开关，其结构为：开关外壳由上底座、底座套筒和下底座共同构成密封的圆筒状，下底座的侧面设有两个气嘴；上底座和下底座为轴向对称形式的整体件，下底座为圆筒状，下石墨电极通过下电极套筒固定在下底座的支座上，下电极套筒与下底座之间通过连接件连接；上石墨电极通过上电极套筒固定在上底座的支座上，上底座的支座的长度大于下底座的支座的长度，上石墨电极部分伸入至下底座的圆筒内，且上、下石墨电极之间留有间隙。底座套筒为环氧树脂材料制作，石墨电极使用各向同性的石墨；上、下底座均用金属材料。该火花开关具有工作性能稳定，通流能力强，寿命长的优点，可以实现各种能量等级的电荷储能的微秒级快速释放。
Description
技术领域
本发明属于高电压电工电器技术和脉冲功率技术领域，涉及一种具有大电流高转移电荷量的两电极气体火花开关。
背景技术
脉冲功率技术是指将较长时间内存储起来的具有较高密度的能量，进行快速压缩、转换或直接以很短的时间释放能量给负载的电物理技术。它作为最先进的科学技术以及产业的基础科技正在急速向前发展，广泛应用于等离子体物理与受控核聚变的研究、核爆炸模拟、闪光X射线照相、高功率激光、大功率微波、电磁脉冲、电磁发射、粒子束武器等方面，同时在环境、生物医学、新材料、精密加工、食品加工等领域也有一定的应用。脉冲功率技术及其应用技术中的大多数涉及到高电压、大电流及高速脉冲放电方面的应用。
开关器件在脉冲功率系统中占有特殊的地位，这是因为开关器件的参数和特性对脉冲的上升时间、幅值等产生最直接、最敏感的影响。对脉冲功率装置而言，说它的性能由使用的开关的特性决定完全不过分。将储能传输给负载的能力的任何进展，都是以成功地设计和研制各种各样的脉冲大电流开关为前提的。在脉冲功率系统中，脉冲功率开关在高电压、大电流下工作，条件十分恶劣，开关中的击穿现象和开关电极上的放电物理过程十分复杂，开关电极材料在击穿时的烧蚀将会直接影响到开关的性能和寿命。为此，具有耐受高电压强电流、击穿时延短而分散性小、电感和电阻小、电极烧蚀少以及能高重复频率工作的各种开关器件的研制，是脉冲功率技术中十分重要的课题。
脉冲功率闭合开关的种类很多，主要有以下几种：闸流管、火花气体开关、激光触发开关、真空开关、等离子体断路开关、熔丝、金属箔熔片、固体介质放电开关、液体介质放电开关、动态等离子体开关、金属蒸汽开关、固态开关、赝火花开关、磁开关、光导半导体开关、表面放电开关等。其中，火花气体开关（Spark Gap Switch）具有响应快、损耗小、承受电压高、传导电流大、稳定性高、电感和抖动低、工作电压调节方便、结构简单坚固、造价低等优点，因此在高电压电工技术领域和脉冲功率技术领域中得到了广泛的应用。
发明内容
本发明的目的是针对脉冲功率系统中大电流闭合开关的应用需求，提供一种两电极气体火花开关，该气体火花开关具有大电流、高转移电荷量的特点。
本发明提供的两电极气体火花开关，其结构特征在于：开关外壳由上底座、底座套筒和下底座共同构成密封的圆筒状，下底座的侧面设有两个气嘴；
上底座和下底座为轴向对称形式的整体件，下底座为圆筒状，下石墨电极通过下电极套筒固定在下底座的支座上，下电极套筒与下底座之间通过连接件连接；上石墨电极通过上电极套筒固定在上底座的支座上，上底座的支座的长度大于下底座的支座的长度，上石墨电极部分伸入至下底座的圆筒内，且上、下石墨电极之间留有间隙；
底座套筒采用环氧树脂材料制作，石墨电极使用各向同性的石墨，其肖氏硬度大于70，纯度大于95％；上底座和下底座均用金属材料制成；
上、下底座上均带有法兰盘，绝缘拉杆和螺母通过法兰盘将上底座、环氧绝缘套筒和下底座连接且压紧密封；所述连接件由依次叠放的紧固套、密封垫圈、O型圈、平垫圈、弹簧垫圈和螺钉构成；
上石墨电极与上底座之间、下石墨电极与下底座之间均放置有0.3～0.5毫米厚的铜垫片。
本发明针对脉冲功率系统中大电流闭合开关的应用需求，设计出一种具有数百kA以上峰值通流能力，单次开通电荷转移量可在100库仑以上的两电极火花气体开关。该两电极气体火花开关具有工作性能稳定，通流能力强，寿命长的优点。以本发明所给出的两电极气体开关的基本结构进行合理的尺寸设计，制造出的气体开关可以满足各种直流电压等级下以脉冲放电形式为主的大功率能源系统的开关快速开通需求，可以实现各种能量等级的电荷储能的微秒级快速释放。
附图说明
图1为开关整体结构示意图；
图2为开关整体45度视角俯视外观图，其中（a）为上45度视角俯视、(b)为下45度视角俯视；
图3为开关下底座45度视角俯视外观图，其中(a)为上45度视角俯视、(b)图为下45度视角俯视；
图4为上底座45度视角俯视外观图；
图5为开关下底座的垂直剖切面图；
图6为上底座的垂直剖切面图；
图7为环氧树脂套筒的外形图。
具体实施方式
下面通过借助实施例更加详细地说明本发明，但以下实施例仅是说明性的，本发明的保护范围并不受这些实施例的限制。
如图1至图4所示，开关外壳为密封的圆筒状，由上底座5、底座套筒8和下底座6共同构成，底座套筒8采用环氧树脂材料制作，其作用有两个：其一是支撑上底座5于下底座6之上，其二是保证上底座5和下底座6在电气上相互绝缘。下底座侧面设有两个气嘴2，使用时，一个作为进气嘴，另一个作为出气嘴，开关在工作过程中，石墨电极因电弧烧蚀会产生一氧化碳、二氧化碳等气体，需要定期由进出气嘴换气更新。本实例中，上、下底座5、6上均带有法兰盘，绝缘拉杆10和螺母11通过法兰盘将上底座5、环氧绝缘套筒8和下底座6连接且压紧密封。绝缘拉杆10必须选择有良好绝缘性能和较好刚性的材料制造，例如聚甲醛（POM）等。
电极套筒和石墨电极均为一对，上、下电极套筒1、1’的作用是将上、下石墨电极7、7’固定于上、下底座5、6。电极套筒可以采用不锈钢等高强度材料制作，选材原则应该是能耐高温且刚性较好的型材。石墨电极使用高强度、高纯度且各向同性的石墨，通常其肖氏硬度应大于70，纯度应大于95％。
上底座5和下底座6底座为轴向对称形式。下底座6为圆筒状，下石墨电极7’通过下电极套筒1’固定在下底座6的支座上；上石墨电极7通过上电极套筒1固定在上底座5的支座上，上底座5的支座的长度大于下底座6的支座的长度，上石墨电极7部分伸入至下底座6的圆筒内，且上、下石墨电极7，7’之间留有间隙。
上底座5和下底座6均用金属材料制成，可以采用不锈钢、铝合金等材质。
下电极套筒1’与下底座6之间通过连接件连接，连接件由依次叠放的紧固套3、密封垫圈9、O型圈20、内六角圆柱头螺钉12、平垫圈14和标准型弹簧垫圈15构成。这种连接方式可以保证开关气密性。密封垫圈9可以用丁腈橡胶制作，紧固套3可根据开关实际尺寸大小设计加工。
在上、下石墨电极7、7’与上、下底座5、6之间均可以放置铜垫片4，其直径大小与石墨电极和底座接触面直径接近即可。铜垫片4加工厚度比较薄，可选择0.3或者0.5毫米。其作用有两方面，其一为加强石墨电极和开关底座之间的电接触，其二是可微调上、下石墨电极之间的间距。
底座套筒8可以参考图7的圆筒形结构加工制造。
O型圈20、21、22在各个零件装配接触面上起到密封作用，可以根据开关实际尺寸采用标准件。在需要安装O型圈的零部件上，应该加工出相应的凹槽。
从图2可以看到上底座5、下底座6、底座套筒8、气嘴2、紧固套3、绝缘拉杆10、螺母11等主要零部件及其之间的装配关系。由于底座套筒8、绝缘拉杆10、以及图1中一对石墨电极之间形成的间隙，使得上底座5和下底座6在电气上相互隔离。
开关装配完成后在内部充绝缘气体，可以选择干燥空气，或者氮气、氧气按4：1比例混合。绝缘气体中含有氧气可以使得开关在导通瞬间，石墨电极的微量烧蚀变成一氧化碳、二氧化碳等气体，不至于形成固体粘接物导致电极间电场不均匀，不会污染开关和绝缘筒，能很好的恢复开关间隙的绝缘性能，降低开关的自击穿概率，有利于提高开关工作的稳定性和延长开关的寿命。由于含有一氧化碳以及氮氧化物等有害有毒气体，开关放气排出的气体要注意安全处理或回收。
由于上底座5和下底座6底座为轴向对称形式，故两者共同形成一种同轴回流结构，气体开关导通瞬间，电流方向沿气体开关的轴向中心线通过。同轴结构使开关的磁力平衡，能消除开关的振动，减小开关导通瞬间由于电动力造成的机械负荷。从图1可以看出，由于上底座5的支座部分要比下底座6的支座部分长很多，因此开关的两个石墨电极形成的导通间隙深置于下底座6外壁构成的金属壳体内，同轴结构电弧通道被约束在开关电极的中间区域，使开关的绝缘远离放电电弧，减小了电弧的高热和紫外线对底座套筒8的损伤。
开关放电导通时，会产生炽热的电弧、强烈的紫外线和巨大的电磁冲击力，这会使开关绝缘支撑外壳性能劣化，开关的直流耐压能力下降，影响开关工作的安全性和减小开关的寿命。因此必须选择具有高直流耐压强度和机械强度，且可耐紫外线照射的绝缘材料来制作开关绝缘支撑外壳。常用的绝缘材料有尼龙、环氧材料、有机玻璃、聚甲醛（POM）等。图1和图2中底座套筒8使用的是环氧树脂材料，也可以选用其他抗电弧和强紫外线能力比较好的型材，例如尼龙、聚甲醛（POM）等。
气体开关的工作方式有两种，一种是自击穿方式，另一种是指令性触发击穿方式。自击穿方式的典型做法是，在上底座5和下底座6之间施加一个直流电压，当这个外施直流电压值气体开关直流耐压水平的时候，开关处于断路状态；当外施直流电压高于气体开关直流耐压水平的时候，气体开关中由一对石墨电极7、7’之间构成的气体间隙就会击穿，开关处于瞬时导通状态。气体开关直流耐压水平是一个计量单位为伏特的参数，它主要和一对石墨电极7、7’构成的气体间隙的最小距离有关，也和气体开关内部充气的气体物理特性，例如气体类型、气压大小、气体干燥度等有关。指令性触发击穿方式的典型做法是，在上底座5和下底座6之间施加一个直流电压，这个直流电压值应该小于气体开关的直流耐压水平，当希望触发开关导通时，通过外部设备在上底座5和下底座6之间再施加一个伏特值比较高的电压，这个电压通常是上升时间较快的脉冲电压，可提供此种触发电压的设备或装置包括冲击电压发生器（Marx发生器）、脉冲变压器、点火线圈等。
以上所述为本发明的较佳实施例而已，但本发明不应该局限于该实施例和附图所公开的内容。所以凡是不脱离本发明所公开的精神下完成的等效或修改，都落入本发明保护的范围。
Claims (1)
1.一种两电极气体火花开关，其特征在于：开关外壳由上底座（5）、底座套筒（8）和下底座（6）共同构成密封的圆筒状，下底座（6）的侧面设有两个气嘴（2）；
上底座（5）和下底座（6）为轴向对称形式的整体件，下底座（6）为圆筒状，下石墨电极（7’）通过下电极套筒（1’）固定在下底座（6）的支座上，下电极套筒（1’）与下底座（6）之间通过连接件连接；上石墨电极（7）通过上电极套筒（1）固定在上底座（5）的支座上，上电极套筒（1）与上底座（5）之间通过连接件连接，上底座（5）的支座的长度大于下底座（6）的支座的长度，上石墨电极（7）部分伸入至下底座（6）的圆筒内，且上、下石墨电极（7、7’）之间留有间隙；
底座套筒（8）采用环氧树脂材料制作，上、下石墨电极（7、7’）使用各向同性的石墨，其肖氏硬度大于70，纯度大于95％；上底座（5）和下底座（6）均用金属材料制成；
上、下底座（5、6）上均带有法兰盘，绝缘拉杆（10）和螺母（11）通过法兰盘将上底座（5）、环氧绝缘套筒（8）和下底座（6）连接且压紧密封；所述连接件由依次叠放的紧固套（3）、密封垫圈（9）、O型圈（20）、平垫圈（14）、弹簧垫圈（15）和螺钉（12）构成；
上石墨电极（7）与上底座（5）之间、下石墨电极（7’）与下底座（6）之间均放置有0.3～0.5毫米厚的铜垫片（4）。
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