CN102013636A - 平面型多通道放电三电极同轴气体火花开关 - Google Patents

平面型多通道放电三电极同轴气体火花开关 Download PDF

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本发明公开了一种平面型多通道放电三电极同轴气体火花开关，包括上盖与下盖相互扣合构成的有机玻璃外壳，及设置在该有机玻璃外壳内腔的三个电极，其特征在于：所述有机玻璃外壳腔体内依次由内而外同轴布置有内电极、触发电极和外电极，且在该三个电极上分别设有电极引出杆；所述触发电极与内电极和外电极相插接形成圆周形径向气体放电间隙，触发电极插接于内电极底面所设的外弧面与内电极圆柱面相切处，所述触发电极的底面具有直角形边沿，沿该直角形边沿径向的平面为气体放电平面；所述下盖一侧开有连通气体的气孔。该气体火花开关能实现多通道放电导通，放电通道位于一平面上，可以观察放电现象；并具有较好的耐烧蚀性。

Description

平面型多通道放电三电极同轴气体火花开关
技术领域
本发明涉及高电压气体火花开关制造领域，特别涉及一种平面型多通道放电三电极同轴气体火花开关，应用于脉冲功率电源。
背景技术
气体火花开关是脉冲功率装置的核心部件。三电极气体火花开关是目前应用广泛的一种气体开关。现有的三电极气体火花开关多具有如下结构特点：电极采用回转体，三个电极多是沿着回转体轴向布置，放电通道沿轴向发展，因此，在承受高电压、大电流时放电通道较为集中，电极烧蚀严重。随着脉冲功率装置向更高功率、高重复频率方向发展，要求气体火花开关具有承受电压高、导通电流大、电感和抖动低、寿命长等特性。当气体开关间隙形成多个并联的放电通道时，不仅显著降低了每个放电通道的电流密度，减小了开关电弧对电极的烧蚀，延长了开关寿命，而且降低了开关电感和导通电阻。因此，促使气体开关形成多通道放电是减小开关电感、导通电阻、击穿抖动和大传导电流时电极烧蚀，提高开关寿命和稳定性的一种有效措施。
发明内容
针对现有的三电极气体火花开关在承受高电压、大电流时放电通道单一，电极烧蚀严重及开关电感大的问题，本发明提供一种平面型多通道放电三电极同轴气体火花开关，该气体火花开关能承受较高工作电压，在2-2.5倍过电压脉冲作用下各放电间隙即可生成三个以上的并联放电通道，放电通道均位于同一平面，呈放射状分散排列，从而减小电极烧蚀，延长开关寿命，并且减小了开关电感。
为达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现。
一种平面型多通道放电三电极同轴气体火花开关，包括上盖与下盖相互扣合构成的有机玻璃外壳，及设置在该有机玻璃外壳内腔的三个电极，其特征在于：所述有机玻璃外壳腔体内依次由内而外同轴布置有内电极、触发电极和外电极，且在该三个电极上分别设有电极引出杆；三个电极引出杆分别通过上下盖所设引出孔引出；所述触发电极与内电极和外电极相插接形成圆周形气体放电间隙，触发电极插接于内电极底面所设的外弧面与内电极圆柱面相切线所在的几何平面，所述触发电极的底面具有直角形边沿，可以使得放电通道沿着气体放电间隙的圆周径向放射状发展，可以促进多个并联放电通道同时产生；沿该直角形边沿径向的平面为气体放电平面，放电通道均处在此气体放电平面上；触发电极直角形边沿处又具有一定厚度，使得开关触发电极具有较好的耐烧蚀性；所述下盖一侧开有连通气体的气孔。
本发明的进一步特征在于：
所述内电极为上下设有外弧面的圆柱体结构，外弧面的高度为圆柱体高度的1/5-1/4；触发电极和外电极为空心圆柱体结构并依次套接于内电极外侧；三个电极表面光滑，与所述有机玻璃外壳紧配合。
所述内电极与外电极等高，触发电极高度大于内电极与外电极高度，且插接于内电极与外电极之间所设间隙中。
所述触发电极为内壁等径、外壁上下不等径结构，插接于内电极与外电极之间的触发电极下段侧壁厚度小于其上段侧壁厚度，下段侧壁厚度为0.5mm-2mm。
所述内电极通过螺纹连接内电极引出杆由上盖顶端引出孔引出，外电极通过螺纹连接外电极引出杆由下盖侧壁引出孔引出，触发电极通过螺纹连接触发电极引出杆由上盖侧壁引出孔引出。
所述上盖底端和外电极引出杆及触发电极引出杆上设有密封槽。
所述三电极均为黄铜、紫铜或不锈钢。
所述有机玻璃外壳表面为抛光面。
所述开关有机玻璃外壳腔体内工作的气体介质为SF6-Ar或SF6-N2混合气体，混合气体的气压范围为0.1MPa-0.4Mpa，其中SF6-Ar混合气体中氩气体积份数为10％-40％，SF6-N2混合气体中氮气的体积份数为20％-70％。
开关的外绝缘适用于变压器油环境，在空气中也能耐受一定的高电压。开关内部腔体的沿面绝缘进行过细致设计，包括波纹结构，可以保证沿面闪络电压高于开关放电间隙的击穿电压。
在内电极和外电极分别施加大小相等而极性相反的直流电压、触发电极接地的状态下，触发电极直角形边沿恰好处于内电极和外电极所形成的电场的中间电位处，开关可以耐受数十千伏的高压，当内电极和外电极分别施加大小相等而极性相反的直流高压、纳秒级高电压脉冲到达触发电极时，触发电极直角形边沿处的间隙局部电场增强，非常有利于大量初始电子同时产生，从而能大大缩小放电时延，促进多个并联放电通道同时产生。
本发明的优点是：
1、开关的同轴型径向放电结构容许多个并联放电通道同时出现，从而能减小电极烧蚀，延长开关寿命，并降低开关电感。触发电极的直角形边沿既能促进多通道形成又具有较好的耐烧蚀性。
2、开关的平面型放电结构使得观察放电现象十分方便，便于判断多通道放电的情形，从而便于监测开关工作状态。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本发明进一步说明。
图1是本发明的平面型多通道放电三电极同轴气体火花开关结构示意图，是图2的A-A剖面图。
图2是图1的俯视图。
图中1.内电极，2.内电极引出杆，3.触发电极，4.触发电极引出杆，5.外电极，6.外电极引出杆，7.(开关外壳)下盖，8.(开关外壳)上盖，9.密封槽，10.气体放电间隙，11.气孔，12.触发电极直角形边沿，13.外壳法兰紧固螺栓。
具体实施方式
如图1所示，该平面型多通道放电三电极同轴气体火花开关，包括上盖8与下盖7相互扣合构成的有机玻璃外壳，及设置在该有机玻璃外壳内腔的三个电极，其中：开关的有机玻璃外壳腔体内依次由内而外同轴布置有内电极1、触发电极3和外电极5，且在该三个电极上分别设有电极引出杆；三个电极引出杆分别通过上下盖所设引出孔引出；所述内电极1通过螺纹连接内电极引出杆2由上盖8顶端引出孔引出，外电极5通过螺纹连接外电极引出杆6由下盖7侧壁引出孔引出，触发电极3通过螺纹连接触发电极引出杆1由上盖8侧壁引出孔引出；上下盖通过外壳法兰紧固螺栓13紧固连接(见图2所示)。所述触发电极3与内电极1和外电极5相插接形成圆周形气体放电间隙10；触发电极3插接于内电极1底面所设的外弧面与内电极1圆柱面相切线所在的几何平面，所述触发电极3的底面具有直角形边沿12，沿该直角形边沿12径向的平面为气体放电平面，放电通道均处在此气体放电平面上；所述下盖7一侧开有连通气体的气孔11。
本发明中内电极1为上下设有外弧面的圆柱体结构，外弧面的高度为圆柱体高度的1/4，触发电极3和外电极5为空心圆柱体结构并依次套接于内电极1外侧，三个电极表面光滑，与所述有机玻璃外壳紧配合，可以确保三个电极几何位置上的同轴性。并且内电极1与外电极5等高，触发电极3高度大于内电极1与外电极5高度，且插接于内电极1与外电极5之间的间隙中。
触发电极3为内壁等径、外壁上下不等径结构，插接于内电极1与外电极5段侧壁厚度小于其上段侧壁厚度，下段侧壁厚度为1mm。插接于内电极1与外电极5之间的触发电极3底端呈直角形边沿12。
并且，上盖8底端和外电极引出杆6及触发电极引出杆4上设有放置密封圈的密封槽9。
本发明的三电极均为金属材料，本实施例选用黄铜或紫铜。并且有机玻璃外壳表面为抛光面。
本发明的开关有机玻璃外壳腔体内工作的气体介质选用SF6-Ar混合气体，混合气体的气压为0.25Mpa，其中SF6-Ar混合气体中氩气体积份数在10％-40％范围内选择，SF6体积份数则为90％-60％。
本发明还给出另-个实施例用于说明本发明的实施范围。
该实施例的结构同上述实施例，所不同的是，该实施例的电极1上下设有外弧面的圆柱体结构中，外弧面的高度为圆柱体高度的1/5。所述触发电极3下段侧壁厚度为0.5mm或2mm。
并且本实施例的三电极金属材料选用不锈钢。
本实施例的开关有机玻璃外壳腔体内工作的气体介质选用SF6-N2混合气体，混合气体的气压为0.1Mpa或0.4Mpa，其中SF6-N2混合气体中氮气体积份数在20％-70％范围内选择，SF6体积份数则为80％-30％。
本发明的开关内部形成密封的圆周形气体放电间隙10；气孔11可以接气嘴，再顺次连接气管、气压表和气阀，就可以对气体放电间隙10中的气体种类和压力进行调整，使开关适用于不同的充气气体条件。在内电极1和外电极5分别施加大小相等而极性相反的直流电压，触发电极3接地的状态下，触发电极直角形边沿12恰好处于内电极1和外电极5所形成的电场的中间电位处，气体放电间隙的电场比较均匀，开关可以耐受数十千伏的高压。当内电极1和外电极5分别施加大小相等而极性相反的直流高压、纳秒脉冲到达触发电极3时，触发电极直角形边沿12处的间隙局部电场增强，非常有利于大量初始电子同时产生，从而大大缩小了放电时延。在SF6-Ar或SF6-N2混合气体中，在2-2.5倍以及更高过电压倍数的脉冲作用下，触发电极直角形边沿12和内电极1、外电极5之间的间隙中，就可以分别产生多个并联放电通道，开关导通，放电通道均处在同一平面上，该平面即为沿触发电极直角形边沿12径向的平面，也就是气体放电平面；放电通道沿气体放电间隙10的圆周径向呈放射状排列，从开关外面透过有机玻璃开关外壳下盖7可以观察到气体放电间隙10内的放电现象。
本发明给出的上述实施例仅用于说明本发明，但并不用于限制本发明的实施范围，凡是本发明技术方案所限定的内容均属于本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种平面型多通道放电三电极同轴气体火花开关，包括上盖(8)与下盖(7)相互扣合构成的有机玻璃外壳，及设置在该有机玻璃外壳内腔的三个电极，其特征在于：所述有机玻璃外壳腔体内依次由内而外同轴布置有内电极(1)、触发电极(3)和外电极(5)，且在该三个电极上分别设有电极引出杆；三个电极引出杆分别通过上下盖所设引出孔引出；所述触发电极(3)与内电极(1)和外电极(5)相插接形成圆周形径向气体放电间隙(10)，触发电极(3)插接于内电极(1)底面所设的外弧面与内电极(1)圆柱面相切线所在的几何平面，所述触发电极(3)的底面具有直角形边沿(12)，沿该直角形边沿(12)径向的平面为气体放电平面；所述下盖(7)一侧开有连通气体的气孔(11)。
2.根据权利要求1所述的平面型多通道放电三电极同轴气体火花开关，其特征在于：所述内电极(1)为上下设有外弧面的圆柱体结构，外弧面的高度为圆柱体高度的1/5-1/4；触发电极(3)和外电极(5)为空心圆柱体结构并依次套接于内电极(1)外侧；三个电极表面光滑，与所述有机玻璃外壳紧配合。
3.根据权利要求2所述的平面型多通道放电三电极同轴气体火花开关，其特征在于：所述内电极(1)与外电极(5)等高，触发电极(3)高度大于内电极(1)与外电极(5)高度，且插接于内电极(1)与外电极(5)之间所设间隙中。
4.根据权利要求3所述的平面型多通道放电三电极同轴气体火花开关，其特征在于：所述触发电极(3)为内壁等径、外壁上下不等径结构，插接于内电极(1)与外电极(5)之间的触发电极(3)下段侧壁厚度小于其上段侧壁厚度，下段侧壁厚度为0.5mm-2mm。
5.根据权利要求1所述的平面型多通道放电三电极同轴气体火花开关，其特征在于：所述内电极(1)通过螺纹连接内电极引出杆(2)由上盖(8)顶端引出孔引出，外电极(5)通过螺纹连接外电极引出杆(6)由下盖(7)侧壁引出孔引出，触发电极(3)通过螺纹连接触发电极引出杆(4)由上盖(8)侧壁引出孔引出。
6.根据权利要求1所述的平面型多通道放电三电极同轴气体火花开关，其特征在于：所述上盖(8)底端和外电极引出杆(6)及触发电极引出杆(4)上设有密封槽(9)。
7.根据权利要求1所述的平面型多通道放电三电极同轴气体火花开关，其特征在于：所述三电极均为黄铜、紫铜或不锈钢。
8.根据权利要求1所述的平面型多通道放电三电极同轴气体火花开关，其特征在于：所述有机玻璃外壳表面为抛光面。
9.根据权利要求1所述的平面型多通道放电三电极同轴气体火花开关，其特征是：所述开关有机玻璃外壳腔体内工作的气体介质为SF6-Ar或SF6-N2混合气体，混合气体的气压范围为0.1MPa-0.4Mpa，其中SF6-Ar混合气体中氩气体积份数为10％-40％，SF6-N2混合气体中氮气的体积份数为20％-70％。
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