CN102523675B - 一种用于引燃长空气火花间隙的等离子体喷射装置及其电路 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种长空气火花间隙的引燃机构，在火花间隙其中一个电极柱上安装高能等离子体喷射装置，等离子体喷射装置包含高压电极、中压电极和低压电极，中压电极将一个闪络间隙通道分为短间隙通道和长间隙通道两部分；中压电极与低压电极之间连接一电感，作为放电回路的分压单元与储能单元使用。所述电感在放电起始阶段作为分压单元；在放电电容器能量释放完毕后，电感作为储能单元完成长间隙通道电弧的续流。所述等离子体喷射装置可以在较低放电电压下多次稳定喷射出大量的等离子体，等离子体出口喷射速度达到了数倍音速以上；具有可重复使用的优点，多次反复喷射后，性能基本不发生变化，能够使长空气火花间隙可靠引燃击穿。
Description
技术领域：
本发明专利属脉冲功率技术领域，具体涉及一种用于引燃长空气火花间隙的等离子体喷射装置。
背景技术：
长空气火花间隙作为高压脉冲形成网络的开关元件、高压脉冲的陡化开关或是电力设备的过电压保护间隙，多采用强制触发方式使其可靠击穿。采用强制触发方式，一方面是由于在大气条件下，自击穿电压受空气湿度，温度以及压强的影响较大，即自击穿性能不稳定，另一方面是为了在低于自击穿电压的情况下火花间隙能够可靠击穿。
对于直流高压或脉冲高压下长空气火花间隙的强制触发击穿研究，国内外做了很多的试验，已经得到了十分充足的试验数据和较为完善的理论分析。然而，对于交流高压下长空气火花间隙的强制触发击穿研究，却很难查阅到详细的资料。目前，长空气火花间隙工作于交流高压下，主要被应用于串联补偿装置中作为氧化锌限压器(MOV)的保护装置。
气体火花间隙多采用一个或多个小间隙火花放电，使得电场剧烈畸变，或利用放电产生的初始电子或紫外预电离引起间隙流注放电而使长间隙击穿导通。由于小间隙火花放电存在注入长间隙的引燃能量偏低的缺点，因此造成了引燃长空气火花间隙的条件比较苛刻，带来了很多工作性能的不可靠性。例如：长空气火花间隙两端的电压相比自击穿电压过低时，便不能引燃；为了提高长空气火花间隙的触发可靠性，火花间隙工作电压需大于自击穿电压的70％，一般取最佳工作电压为自击穿电压的80％，但是由于间隙工作于敞开大气条件下，自击穿电压难免会受大气条件所影响，所以工作性能会受到很大的影响。
采用等离子体喷射装置引燃长空气火花间隙，等离子体喷射装置安装于火花间隙的低压电极柱，喷口指向火花间隙的高压电极柱，接收到触发命令后，等离子体喷射装置喷出一束等离子体，射入火花间隙电极柱之间，完成长空气火花间隙的导通。由于引燃能量提高了1至2个数量级，在远低于火花间隙自击穿电压的情况下，引燃可靠性仍然很高。
发明内容：
针对上述传统引燃方式的不足，本发明的目的在于提出一种用于可靠引燃长空气火花间隙的等离子体喷射装置，等离子体喷射装置以传统的毛细管放电为基础，在结构和电路上进行了改进设计，克服了传统的毛细管放电等离子体喷射装置不能重复使用的缺陷。具体如下：
一种用于引燃长空气火花间隙的等离子体喷射装置，等离子体喷射装置包含高压电极、中压电极和低压电极，中压电极将闪络间隙通道分为短间隙通道和长间隙通道两部分；等离子体喷射装置安装于火花间隙的低压电极柱，喷口指向火花间隙的高压电极柱，接收到触发命令后，等离子体喷射装置喷出一串等离子体，射入火花间隙电极柱之间的空间，完成火花间隙的导通；中压电极与低压电极之间连接一放电电感，作为放电回路的分压单元与储能单元使用。
等离子体喷射装置放电时，短间隙通道先发生闪络击穿，短间隙通道处电弧烧蚀产气材料产生等离子体向长间隙通道延伸，当等离子体贯穿整个间隙通道后，间隙被等离子体短路，长间隙通道随即发生闪络，形成贯穿整个间隙通道的长电弧。
所述产气材料为高密度聚乙烯、聚四氟乙烯、聚碳酸酯或PMMA等高密度聚合物材料。高压电极与中压电极从套管结构中引出。所述低压电极为采用金属材料制作的等离子体喷射装置的壳体。所述等离子体喷射装置的喷口为一扩张的锥角，锥角全角度为8°～30°。
一种等离子体喷射装置的放电电路，该放电回路包括放电电容、受控开关和放电电感；所述放电电容器的一端与受控开关的一端连接，放电电容器的另一端连接到低压电极，受控开关的另一端连接到所述高压电极；放电电感的一端连接到中压电极、另一端连接到低压电极；受控开关由控制器控制其通断。
所述放电电感在放电起始阶段作为分压单元；在放电电容器能量释放完毕后，放电电感作为储能单元完成长间隙通道电弧的续流。
在放电起始阶段，短间隙通道起弧，放电回路为长脉冲宽度小峰值电流RLC放电，所述放电电感储能；随后，短间隙通道电弧烧蚀产生的等离子体贯穿整个间隙通道，长间隙通道随即起弧，放电电感被长间隙通道电弧短路，放电回路为短脉冲宽度大峰值电流RLC放电；最后，放电电容器能量释放完毕，短间隙通道电弧熄灭，放电电感作为储能单元完成此时长间隙通道电弧的续流，放电回路为LR放电。
本发明的有益效果：
等离子体喷射装置在设计时，在高压电极与低压电极间加装一中压电极，不但实现了等离子体喷射装置重复使用的性能要求，而且可以满足等离子体喷射装置在较低电压下就可以形成毛细管放电。
与使用高电压脉冲使得整个间隙通道预电离或使得短间隙通道先发生闪络，消融产气材料产生等离子体，实现等离子体喷射装置的重复使用相比，在长间隙通道并联放电电感不但结构和电路上实现起来简单，工作可靠性高，而且等离子体喷射装置易于被引燃，工作可靠性大大提高。同时，在放电回路中放电电感作为储能单元可以延长长间隙通道燃弧的时间，从而有效地增加产气量和喷射时间。
等离子体喷射装置喷口设计采用拉法尔喷管设计原理，有效地加快了等离子体喷射出口速度，根据高速摄影仪的测量，喷射速度达到了数倍音速以上。
采用等离子体喷射装置引燃长空气火花间隙，火花间隙在远低于自击穿电压的情况下，即可可靠击穿，欠压比＜30％；相比传统的火花间隙引燃方式，放电可靠性和放电时延的分散性都有很大改善；测得火花间隙放电时延＜600us。
通过改变等离子喷射装置的结构参数和电路参数，可以得到不同的喷射速度和喷射长度，从而满足不同的需求；除串联补偿装置氧化锌限压器(MOV)保护用火花间隙外，等离子体喷射装置还可应用于三电极开关及其它需要产生高速、高温、高压等离子体的领域。
附图说明：
图1是长空气火花间隙结构示意图。
图2是等离子体喷射装置结构示意图。
图3是等离子体喷射装置放电回路示意图。
图4是等离子体喷射装置放电电流波形图。
图5是使用高速摄影仪拍摄得到的等离子体喷射装置喷射效果图。
图中A是长空气火花间隙高压电极柱、B是长空气火花间隙低压电极柱、C是绝缘子、D是等离子体喷射装置、E是支撑平台、PFN是电源模块、1是产气材料；2是等离子体喷射装置喷口；3、8是金属壳体即低压电极；4、5是绝缘套管；6是中压电极；7是高压电极。
具体实施方式：
如图1所示，等离子体喷射装置D安装于长空气火花间隙的低压电极柱，喷口指向火花间隙的高压电极柱，接收到触发命令后，等离子体喷射装置喷出一束高速、高温的高电导率等离子体，射向火花间隙电极柱之间的空间，完成火花间隙的击穿导通。PFN为等离子体喷射装置的电源模块，包括放电电容器，放电电感，受控开关和控制受控开关动作的控制器。其电路的连接方式参见下图3。
图2中，等离子体喷射装置采用高密度聚乙烯、聚四氟乙烯、聚碳酸酯、PMMA等作为产气材料1，等离子体喷射装置喷口2采用扩张式锥角设计，锥角全角度为8°～30°。等离子体喷射装置的间隙通道管径为1mm～5mm，管长为5mm～80mm。金属壳体3、8作为放电的低压电极。4、5为绝缘套管，引出中压电极6与高压电极7，中压电极6与高压电极7采用直径为1mm～3mm的耐烧蚀金属棒作为电极材料。高压电极7与中压电极6构成长度为1mm～10mm的短间隙通道，中压电极6与低压电极3构成长间隙通道。
图3中C是放电电容器，容量在5μF～100μF之间，电容器放电电压在3kV～50kV之间；K是受控开关，由控制器控制通断，开关高压端连接放电电容器C，低压端连接等离子体喷射装置高压电极7；L1是回路寄生电感，根据回路的长短和布置不同，一般为1μH～3μH；L2是放电电感，电感在10μH～100μH之间，连接于等离子体喷射装置中压电极与低压电极之间，作为分压单元与储能单元。
当高压脉冲加至等离子体喷射装置时，由于放电电感L2的作用，放电电容器C电压完全施加于高压电极与中压电极之间，使得短间隙通道发生闪络击穿。由于电弧的烧蚀作用，管壁材料被解离，进而在电弧的辐射和热对流作用下升华、电离，成为部分电离的等离子体。由于通道管径很小，在几十微秒内产生的大量的等离子体会在通道内形成几到几十兆帕的压强，从而使得等离子体沿毛细管通道向外快速喷射。当消融产生的等离子体沿毛细管通道喷射贯穿整个间隙通道后，长间隙通道随即发生闪络，形成击穿，从而完成了等离子体喷射装置整个毛细管通道的闪络击穿。放电电感L2在放电起始阶段作为分压单元；在放电电容器C能量释放完毕后，由于之前的放电，使得放电电感L2储存了一部分电磁能量，继而放电电感L2作为储能单元完成长间隙通道电弧的续流。
图4是等离子体喷射装置放电电流波形，曲线1为回路全电流波形，曲线2为长间隙通道电流波形。在a区域，此时短间隙通道起弧，电弧烧蚀短间隙通道产气材料，产生等离子体，向外喷射，放电回路为长脉冲宽度小峰值电流RLC放电；在b区域，此时短间隙通道电弧烧蚀产生的等离子体已贯穿整个间隙通道，长间隙通道随即起弧，放电电感L2被长间隙通道电弧短路，放电回路为短脉冲宽度大峰值电流RLC放电；在c区域，此时放电电容器C能量释放完毕，短间隙通道电弧熄灭。然而，由于放电电感L2在a区域放电时储存了一部分电磁能量，放电电感L2此时作为储能单元完成长间隙通道电弧的续流，放电回路为LR放电。
图5是使用高速摄影仪拍摄得到的等离子喷射装置喷射效果图。由于等离子体喷射装置内部发生闪络击穿时电弧烧蚀产气材料，会在等离子体内部产生很大的机械冲击应力，为解决这一问题，喷射装置的壳体3、8采用金属材料，并且在装配时采用过盈量装配，使得各个组件达到紧配合。同时，壳体3、8作为放电的低压电极。
等离子体喷射装置喷管采用拉法尔喷管设计，由于等离子体出口速度已大于本地音速，所以喷管采用扩张式设计，通过计算，并考虑到加工的可行性，设计喷口为一扩张的锥角，锥角全角度为8°～30°。
通过试验，验证了所发明等离子体喷射装置具有良好的机械性能和电气性能，可以在较低电压下起弧形成击穿，喷射40次以上没有发生结构碎裂的现象；喷射装置出口速度达到了数倍音速以上，；长空气火花间隙在小于30％的欠压比下仍能可靠强制触发击穿，火花间隙放电时延＜600us。
实施例1：
本实施例为一用于引燃长空气火花间隙的等离子体喷射装置，其结构示意图和放电回路示意图如图2和图3所示。3、8为金属壳体，产气材料1为高密度聚乙烯，高压电极7与低压电极6为1mm的耐烧蚀金属棒，绝缘套管4、5采用高密度聚乙烯制成，在装配时采用过盈量装配，使各个组件达到紧配合。短间隙通道长度为1mm；间隙通道长度为5mm，通道管径为1mm；喷射装置喷口锥角全角度为8°；放电电容器C容量为5μF，充电电压为3kV；放电电感L2为10μH。
实施例2：
本实施例为一用于引燃长空气火花间隙的等离子体喷射装置，其结构示意图和放电回路示意图如图2和图3所示。3、8为金属壳体，产气材料1为聚碳酸酯，高压电极7与低压电极6为2mm的耐烧蚀金属棒，绝缘套管4、5采用尼龙材料制成，在装配时采用过盈量装配，使各个组件达到紧配合。短间隙通道长度为4mm；间隙通道长度为30mm，通道管径为3mm；；喷射装置喷口锥角全角度为12°；放电电容器C容量为24μF，充电电压为10kV；放电电感L2为40μH。
实施例3：
本实施例为一用于引燃长空气火花间隙的等离子体喷射装置，其结构示意图和放电回路示意图如图2和图3所示。3、8为金属壳体，产气材料1为PMMA，高压电极7与低压电极6为2mm的耐烧蚀金属棒，绝缘套管4、5采用尼龙材料制成，在装配时采用过盈量装配，使各个组件达到紧配合。短间隙通道长度为5mm；间隙通道长度为50mm，通道管径为5mm；；喷射装置喷口锥角全角度为20°；放电电容器C容量为40μF，充电电压为30kV；放电电感L2为80μH。
实施例4：
本实施例为一用于引燃长空气火花间隙的等离子体喷射装置，其结构示意图和放电回路示意图如图2和图3所示。3、8为金属壳体，产气材料1为聚四氟乙烯，高压电极7与低压电极6为3mm的耐烧蚀金属棒，绝缘套管4、5采用聚四氟乙烯制成，在装配时采用过盈量装配，使各个组件达到紧配合。短间隙通道长度为10mm；间隙通道长度为80mm，通道管径为5mm；；喷射装置喷口锥角全角度为30°；放电电容器C容量为100μF，充电电压为50kV；放电电感L2为100μH。
Claims (4)
1.一种用于引燃长空气火花间隙的等离子体喷射装置，等离子体喷射装置包含高压电极、中压电极和低压电极，中压电极将闪络间隙通道分为短间隙通道和长间隙通道两部分；等离子体喷射装置安装于火花间隙的低压电极柱，喷口指向火花间隙的高压电极柱，接收到触发命令后，等离子体喷射装置喷出一串等离子体，射入火花间隙电极柱之间的空间，完成火花间隙的导通；其特征在于：
中压电极与低压电极之间连接一放电电感，作为放电回路的分压单元与储能单元使用；高压电极与中压电极从套管结构中引出；所述低压电极为采用金属材料制作的等离子体喷射装置的壳体；等离子体喷射装置的间隙通道管径为1mm～5mm，管长为5mm～80mm；高压电极与中压电极构成长度为1mm～10mm的短间隙通道，中压电极与低压电极构成长间隙通道；
等离子体喷射装置放电时，短间隙通道先发生闪络击穿，短间隙通道处电弧烧蚀产气材料产生等离子体向长间隙通道延伸，当等离子体贯穿整个间隙通道后，间隙被等离子体短路，长间隙通道随即发生闪络，形成贯穿整个间隙通道的长电弧；等离子体喷射装置的喷口为一扩张的锥角，锥角全角度为8°～30°；喷口处的喷射速度达到数倍音速；采用等离子体喷射装置引燃长空气火花间隙，火花间隙在欠压比<30％的情况下即可击穿，且火花间隙放电时延<600us。
2.根据权利要求1所述的等离子体喷射装置，其特征在于：所述产气材料为高密度聚乙烯、聚四氟乙烯、聚碳酸酯或PMMA。
3.一种根据权利要求1-2中任一项所述的等离子体喷射装置的放电回路，其特征在于：该放电回路包括放电电容器、受控开关和放电电感；所述放电电容器的一端与受控开关的一端连接，放电电容器的另一端连接到低压电极，受控开关的另一端连接到所述高压电极；放电电感的一端连接到中压电极、另一端连接到低压电极；受控开关由控制器控制其通断；在放电起始阶段，短间隙通道起弧，放电回路为RLC放电，所述放电电感储能；随后，短间隙通道电弧烧蚀产生的等离子体贯穿整个间隙通道，长间隙通道随即起弧，放电电感被长间隙通道电弧短路，放电回路为RLC放电；最后，放电电容器能量释放完毕，短间隙通道电弧熄灭，放电电感作为储能单元完成此时长间隙通道电弧的续流，放电回路为LR放电。
4.根据权利要求3 所述的放电回路，其特征在于：所述放电电感在放电起始阶段作为分 压单元；在放电电容器能量释放完毕后，放电电感作为储能单元完成长间隙通道电弧的续流。
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