CN101958513A - 一种气体火花开关电极座的制作方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种气体火花开关电极座的制作方法，步骤为：①选择电极座套的材料及加工数据使其满足设定的要求；②采用①选择的材料和加工数据加工一个碗形的电极座套，安装在电极座上，电极座套和电极座之间构成一个榫卯结构，使电极座的内水平接触面和电极座套的内水平接触面紧密接触；③将电极、电极座套和电极座三个部件整体压接在一起。依据本发明所提供的方法制作的气体火花开关电极座，可实现电极座的重复使用，更换使用过多次的旧电极即可使得气体开关实现更新，从而倍增气体开关使用寿命，降低开关设备运行维护成本。

Description

一种气体火花开关电极座的制作方法

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。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、幅值等产生最直接的影响。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，气体火花开关(GapSpark 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。特别是采用石墨电极的两电极气体开关能够满足单个模块满储能超过1.0兆焦(MJ)，放电电流峰值超过300kA，单次触发导通放电电荷转移量大于100库仑(C)的特殊要求，因此可望发展成为一种较有应用前景的高能脉冲开关系统解决方案。

石墨型气体开关的石墨电极与电极座之间是通过机械结构压接在一起的，石墨电极在使用多次后会发生烧蚀，气体开关间隙会增大直至失效，如果此时气体火花开关按整体报废处理，成本代价很高。

发明内容

本发明的目的是针对强激光装置、强磁场装置、高功率微波、高能等离子体等需要脉冲功率技术的工程应用场合，提出一种气体火花开关电极座的制作方法，该方法制备的电极座可重复使用，能够倍增气体开关使用寿命，降低开关设备运行维护成本。

本发明提供的一种气体火花开关电极座的制作方法，其特征在于，该方法包括下述步骤：

第1步选择电极座套的材料及加工数据使其满足公式I的要求：

$T_W>{\∫}_0^{\mathrm{tx}}K\frac{I^2\left(t\right)\sqrt{t}\·R_a}{F\·R^2}\mathrm{dt}$ 公式I

其中，T_W表示电极座套的熔点，tx表示通过气体火花开关的电流持续作用时间，I(t)表示气体火花开关工作时通过的电流的波形，t表示时间，R_a表示第一水平接触面的表面粗糙度，F表示电极座套和电极之间的接触压力，R表示电极座套和电极之间的接触半径，第一水平接触面是指电极座套上的与电极相接触的水平面；

公式I中的K表示系数，由公式II计算得到：

$K=\frac{4}{3}\·\frac{\sqrt{{\mathrm{\λ}}_0{\mathrm{\λ}}_1}\×({\mathrm{\ρ}}_{0d}+{\mathrm{\ρ}}_{1d})}{{\mathrm{\λ}}_0\sqrt{{\mathrm{\λ}}_1{c}_0{\mathrm{\ρ}}_{0m}}+{\mathrm{\λ}}_1\sqrt{{\mathrm{\λ}}_0{c}_1{\mathrm{\ρ}}_{1m}}}\·{\left[{\mathrm{\π}}^{\frac{3}{2}}(\frac{1-{{\mathrm{\υ}}_0}^2}{E_0}+\frac{1-{{\mathrm{\υ}}_1}^2}{E_1})\right]}^{-1}$ 公式II

公式II，λ₀、c₀、ρ_0m依次表示电极的热导率、比热容和密度，ρ_0d、E₀、υ₀依次表示电极的电阻率、弹性模量和泊松比，λ₁、c₁、ρ_1m依次表示电极座套的热导率、比热容和密度，ρ_1d、E₁、υ₁依次表示电极座套的电阻率、弹性模量和泊松比；

(2)采用第1步选择的材料和加工数据加工一个碗形的电极座套，安装在电极座上，电极座套和电极座之间构成一个榫卯结构，第一水平接触面的机械加工半径应大于等于R，第一水平接触面的加工粗糙度应小于等于R_a；

电极座套的外边缘水平面和电极座之间保留有间隙，使第三水平接触面与第二水平接触面紧密接触，第三水平接触面是指电极座上的与电极座套相接触的水平面，第二水平接触面是指电极座套上的与电极座相接触的水平面；

第3步将电极、电极座套和电极座三个部件整体压接在一起，使电极座套和电极之间的接触压力大于等于F。

满足电极可更换性的可重复使用开关电极座，需要进行特殊的设计，否则电极座与石墨电极接触面的烧蚀作用会导致两者电接触面的凹凸不平，直接影响可更换性的实现和重复使用的可行性。本发明方法在电极与电极座之间加装了一个碗形的电极座套，这种电极座套选用物理和机械性能符合本发明提出的公式I和公式II的金属材料制作在形状结构上对该电极座套进行了特别设计，一方面使电极座套和电极座接触紧密，另一方面使得电极座套和电极的电接触面具有较好的耐高温性能。依据本发明所提供的方法制作的气体火花开关电极座，可实现电极座的重复使用，更换使用过多次的旧电极即可使得气体开关实现更新，从而倍增气体开关使用寿命，降低开关设备运行维护成本。

附图说明

图1是气体火花开关的一种基本结构图；

图2是气体火花开关电极座和电极之间装配关系的示意图；

图3是电极座实现方式示意图；

图4是电极座、电极座套和电极的装配关系示意图；

图5是电流波形的典型图形图；

图6是一种气体开关可更换电极的实现实例的结构示意图。

具体实施方式

如图1所示，气体火花开关的基本结构包括电极1、电极座2、绝缘外筒3、绝缘拉杆4和进、出气口5。电极1可以用石墨制造；电极座2由金属材料制造；绝缘外筒3可以用环氧、聚甲醛塑料等绝缘材料制造，用于隔离上、下两个电极并起到密封作用；绝缘拉杆4可以用环氧、聚甲醛塑料等绝缘材料制造；进、出气口5。

如图2所示，金属夹具7将电极1固定于电极座2上，电极1和电极座2之间的接触面即为本发明中提到的电接触面。

本发明提出，在大电流强脉冲气体火花开关中，实现电极座可重复使用的技术关键在由于提高石墨电极和电极座的电接触面的耐高温性能。

本发明提出，要实现本发明提出的电极可更换、电极座可重复使用的目的，还必须考虑以下四个要点：

(1)通过气体火花开关的欠阻尼或临界阻尼电流波形及该电流波形的持续作用时间。

(2)对电极座套6的选材必须综合考虑电极1以及电极座套6材料的熔点T_W、热导率λ、比热容c、密度ρ_m、电阻率ρ_d、弹性模量E、泊松比υ。制造电极座套6时，必须选用高熔点、高热导率、高比热容、高密度、低电阻率、低弹性模量、低泊松比的金属材料。

(3)对电极座套6的第一水平接触面10，在机械加工时，必须尽可能地提高其表面粗糙度R_a。

(4)在将电极1安装固定于电极座套6上时，必须尽可能地提高电极1与电极座套6之间的机械压力F；如考虑到水平接触面10的面积(以加工半径R计算)，则是尽可能地提高电极1与电极座套6之间的机械压强P。

在图3中，电极座2可以用硬铝等密度较低的金属制造，其熔点可以较低；电极座套6在机械外形上是一个碗型结构，需要用熔点较高的金属制造，例如铜钨合金、耐高温钢材等；第一水平接触面10是电极座套6上的与电极1的接触面；第二水平接触面9是电极座套6上的与电极座的接触面；第三水平接触面8是指电极座2上与电极座套6的接触面；电极座2和6电极座套之间形成一种榫卯结构。

如图4所示，电极座2、电极座套6、电极1这三个零部件应该整体压接在一起。实现图4装配关系的关键在于电极座2与电极座套的水平接触面和电极座套6与电极座的水平接触面在装配时要紧密接触，为此需要在电极座2和电极座套6的机械尺寸设计时，满足在形成图4的装配关系后，电极座2和电极座套6在图4中所示的外水平面之间保留下间隙11。

根据图3和图4提出的电极座实现方式，图1中所示的电极与电极座的电接触面，将转变成电极与电极座套的第三电接触面和电极座套与电极的第二电接触面，电极座套6成为一个过渡件。由于在气体开关使用过程中，电极座2和电极座套6都是金属材料制造，使用若干次后就会自然熔焊成一体，因此实际只会存在第三电接触面。

在按照本发明进行结构实现时，电极1可以选用石墨材料来制作，电极座2可以选用例如硬铝等耐高温性能一般，但价格便宜的金属材料制作。图6给出了一种气体开关可更换电极的结构实现实例。

本发明提出的一种气体火花开关电极座的制作方法，其特征在于：

(步骤1)选择电极座套的材料及加工数据使其满足公式I的要求

$T_W>{\∫}_0^{\mathrm{tx}}K\frac{I^2\left(t\right)\sqrt{t}\·R_a}{F\·R^2}\mathrm{dt}$ (公式I)

其中，T_W表示电极座套的熔点，tx表示通过气体火花开关的电流持续作用时间，I(t)表示气体开关工作时通过的电流的波形，t表示时间，该电流波形的典型图形如图5所示，R_a表示水平接触面10的表面粗糙度，F、R分别表示电极座套和电极之间的接触压力和接触半径。

公式I中的K表示系数，由公式II计算得到

$K=\frac{4}{3}\·\frac{\sqrt{{\mathrm{\λ}}_0{\mathrm{\λ}}_1}\×({\mathrm{\ρ}}_{0d}+{\mathrm{\ρ}}_{1d})}{{\mathrm{\λ}}_0\sqrt{{\mathrm{\λ}}_1{c}_0{\mathrm{\ρ}}_{0m}}+{\mathrm{\λ}}_1\sqrt{{\mathrm{\λ}}_0{c}_1{\mathrm{\ρ}}_{1m}}}\·{\left[{\mathrm{\π}}^{\frac{3}{2}}(\frac{1-{{\mathrm{\υ}}_0}^2}{E_0}+\frac{1-{{\mathrm{\υ}}_1}^2}{E_1})\right]}^{-1}$ (公式II)

公式2中，λ₀、c₀、ρ_0m依次表示电极1的热导率、比热容和密度，ρ_0d、E₀、υ₀依次表示电极1的电阻率、弹性模量和泊松比，λ₁、c₁、ρ_1m依次表示电极座套的热导率、比热容和密度，ρ_1d、E₁、υ₁依次表示电极座套的电阻率、弹性模量和泊松比。

公式I和公式II要求，在实现本发明所提出的电极座结构时，必须综合考虑气体开关工作时通过的电流波形I(t)，电流持续作用时间tx，电极座套材料的熔点T_W、热导率λ、比热容c、密度ρ_m、电阻率ρ_d、弹性模量E、泊松比υ这几个材料物理参数，电极座套和电极之间的接触压力F和接触半径R，以及电极座套的表面粗糙度R_a。

如果电极1的热导率λ₀、比热容c₀、密度ρ_0m、电阻率ρ_0d、弹性模量E₀、泊松比υ₀都已知，进行电极座套6的选材和加工时，其相关的材料特性参数和机械加工参数应满足(公式I)，否则即便在结构上满足本发明提出的特征要求，也无法实现电极的可更换和电极座的重复利用。

依本发明提出的方法进行具体实现时，各项材料特性参数的获得是围绕待选用的金属材料来进行的。较为方便的方法是，根据候选加工的金属材料名称或成分，查阅相关的材料机械和电气特性手册或厂家资料，获得本发明提及的候选材料的各特性参数，依据公式I和公式II进行计算判别，选择最适合的金属材料来制作电极座套。

(步骤2)采用步骤(1)选择的材料和加工数据加工一个碗形的电极座套，安装在电极座上，电极座套和电极座之间构成一个榫卯结构。水平接触面10的机械加工半径应大于等于R，水平接触面10的加工粗糙度应小于等于R_a。

电极座的内水平接触面8和电极座套的内水平接触面9应该紧密接触，为此，电极座套的外边缘水平面和电极座之间应该保留间隙11，防止因外边缘接触造成内水平接触面有空隙或接触不紧密。

(步骤3)将电极、电极座套和电极座三个部件整体压接在一起。无论采用何种压接方式，电极座套和电极之间的接触压力应大于等于F。接触压力大小的判断可以采用压敏电阻直接测量法，也可以采用机械工程力学上各种常用的压力计算方法。

实例：

现需要制作一个能通过峰值电流300kA的气体火花开关，电流波形近似正弦波，脉宽约600μs，电极为石墨，电极座采用较便宜且易于加工的硬铝。按照本发明给出方法的步骤，首先选择适当的制作电极座套的金属材料和加工数据。假设现有两种方案，A方案采用黄铜材料，B方案采用不锈钢材料，两种材料的机械加工表面粗糙度都可以做到R_a＝6.3μm，装配时的黄铜电极座套的接触压力都可以做到4000牛顿，不锈钢电极座套的接触压力可以做到8000牛顿，两种金属的其它材料和机械性能参数可以查电工材料手册和机械加工手册获取。根据这些参数由公式1和公式2计算可得，使用黄铜材料做成的电极座套，和石墨电极的电接触面温升大约有1300℃，大于黄铜的熔点1083℃，而采用不锈钢电极座套，和石墨电极的电接触面温升大约是1400℃，低于不锈钢的熔点1800℃，因此，应该选择B方案制作电极座套，且根据公式1，如果能把表面粗糙度加工到小于6.3μm则更好。然后，则可以根据图6给出的机械结构实例，设计加工碗形的电极座套安装在电极座上，电极座套和电极座之间构成一个配合良好的榫卯结构。电极、电极座套和电极座三个部件最后整体压接在一起，电极座套和电极之间的机械压力要大于等于B方案设定的8000牛顿。

本发明不仅局限于上述具体实施方式，本领域一般技术人员根据本发明公开的内容，可以采用其它多种具体实施方式实施本发明，因此，凡是采用本发明的设计结构和思路，做一些简单的变化或更改的设计，都落入本发明保护的范围。

Claims (1)

1.一种气体火花开关电极座的制作方法，其特征在于，该方法包括下述步骤：

第1步选择电极座套的材料及加工数据使其满足公式I的要求：

$T_W>{\∫}_0^{\mathrm{tx}}K\frac{I^2\left(t\right)\sqrt{t}\·R_a}{F\·R^2}\mathrm{dt}$ 公式I

其中，T_W表示电极座套的熔点，tx表示通过气体火花开关的电流持续作用时间，I(t)表示气体火花开关工作时通过的电流的波形，t表示时间，R_a表示第一水平接触面的表面粗糙度，F表示电极座套和电极之间的接触压力，R表示电极座套和电极之间的接触半径，第一水平接触面是指电极座套上的与电极相接触的水平面；

公式I中的K表示系数，由公式II计算得到：

$K=\frac{4}{3}\·\frac{\sqrt{{\mathrm{\λ}}_0{\mathrm{\λ}}_1}\×({\mathrm{\ρ}}_{0d}+{\mathrm{\ρ}}_{1d})}{{\mathrm{\λ}}_0\sqrt{{\mathrm{\λ}}_1{c}_0{\mathrm{\ρ}}_{0m}}+{\mathrm{\λ}}_1\sqrt{{\mathrm{\λ}}_0{c}_1{\mathrm{\ρ}}_{1m}}}\·{\left[{\mathrm{\π}}^{\frac{3}{2}}(\frac{1-{{\mathrm{\υ}}_0}^2}{E_0}+\frac{1-{{\mathrm{\υ}}_1}^2}{E_1})\right]}^{-1}$ 公式II

公式II，λ₀、c₀、ρ_0m依次表示电极的热导率、比热容和密度，ρ_0d、E₀、υ₀依次表示电极的电阻率、弹性模量和泊松比，λ₁、c₁、ρ_1m依次表示电极座套的热导率、比热容和密度，ρ_1d、E₁、υ₁依次表示电极座套的电阻率、弹性模量和泊松比；

第2步采用第1步选择的材料和加工数据加工一个碗形的电极座套，安装在电极座上，电极座套和电极座之间构成一个榫卯结构，第一水平接触面的机械加工半径应大于等于R，第一水平接触面的加工粗糙度应小于等于R_a；

电极座套的外边缘水平面和电极座之间保留有间隙，使第三水平接触面与第二水平接触面紧密接触，第三水平接触面是指电极座上的与电极座套相接触的水平面，第二水平接触面是指电极座套上的与电极座相接触的水平面；

第3步将电极、电极座套和电极座三个部件整体压接在一起，使电极座套和电极之间的接触压力大于等于F。

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