CN102545851A

CN102545851A - 自举式脉冲陡化间隙开关

Info

Publication number: CN102545851A
Application number: CN2011104514528A
Authority: CN
Inventors: 李黎; 林福昌; 冯希波; 鲍超斌; 刘毅; 周正阳
Original assignee: Huazhong University of Science and Technology
Current assignee: Huazhong University of Science and Technology
Priority date: 2011-12-29
Filing date: 2011-12-29
Publication date: 2012-07-04

Abstract

本发明公开了一种自举式脉冲陡化间隙开关，包括输入电极、触发电极、输出电极、陶瓷绝缘管、触发阻抗器以及绝缘支撑件，输入电极端部的正中心设有一第一开孔，触发电极设于第一开孔中，绝缘支撑件的底部设有一第二开孔，输出电极设于第二开孔中，陶瓷绝缘管位于触发电极与输入电极之间，用于将触发电极与输入电极绝缘隔离，触发阻抗器的一端与触发电极电气连接。本发明在输入电极处引入触发电极，使用时触发电极通过触发阻抗器接地，本发明自举式脉冲陡化间隙开关工作时，输入电极与触发电极间绝缘沿面先行发生击穿产生主间隙击穿所需要的足够多的初始电子，触发电极的引入可以提高陡化间隙开关工作的稳定性，减小开关的击穿时延及抖动。

Description

自举式脉冲陡化间隙开关

技术领域

本发明涉及高电压电工电器技术和脉冲功率技术领域，具体涉及一种自举式脉冲陡化间隙开关。

背景技术

脉冲电压(或电流)的前沿时间是指电脉冲的电压(或电流)从零上升到峰值所需的时间。在科学实验和特殊工业生产中，快前沿的高电压脉冲有非常重要的应用。在脉冲大电流气体开关领域中，为保证同步性，常采用快前沿的高压电脉冲作为两电极开关导通的触发信号；在高压测量领域，快前沿的高压方波用来测试冲击电压分压器的方波响应；在超宽带源中，快脉冲的上升时间决定了透射谱的高频成分。

在一些特殊应用中，脉冲的上升前沿时间需要在几十个纳秒甚至几个纳秒以内。由于产生电脉冲的装置通常都有一定内感或内阻，因此完全依赖电气电路去产生纳秒级的快脉冲意味着脉冲输出电路的阻抗要极其小，而这是非常困难的。实际应用中，纳秒级快前沿脉冲的产生可以借助陡化间隙开关对前级已产生的微秒级电脉冲进行陡化，以满足各领域内对脉冲幅值及上升前沿的要求。

目前使用的陡化间隙开关通常采用自击穿型气体间隙开关。陡化间隙开关用来将前级产生的电压脉冲进行陡化，并将陡化后的电压脉冲传递给下一级系统，因此，若前级传递过来的电压脉冲一致，下一级系统的工作稳定性则完全由陡化间隙开关的工作特性决定。当前业界采用的陡化间隙开关通常是稍不均匀场的两电极开关，前级脉冲施加在其上时，利用过电压击穿对电压脉冲进行陡化，通过调节陡化间隙开关主电极的间隙距离及开关内气压，以调节陡化后的输出脉冲幅值及上升前沿，以使最终输出脉冲满足需要。气体间隙陡化开关工作的一个主要缺点是其自击穿电压存在分散性(抖动)，即使是精心设计的均匀或稍不均匀电场间隙，也存在这个问题，这是由气体放电的本质特征决定的。例如一个两电极自击穿陡化间隙开关，其设计击穿电压是100kV，实际运行时其击穿电压可能在90～110kV之间，相应的脉冲前沿时间也不完全一致。在多套系统并联工作时，如陡化间隙开关输出的快前沿脉冲用作多台两电极气体开关的触发信号时，要确保系统并联工作精确同步，这对陡化间隙开关的击穿电压及抖动提出了更高的要求。

发明内容

本发明的目的在于提供一种自举式脉冲陡化间隙开关，其工作在一种三电极自举式击穿方式下，这种工作方式可以显著减小开关击穿的时延及抖动，适合于需要稳定纳秒脉冲的应用场合。

本发明是通过以下技术方案实现的：

一种自举式脉冲陡化间隙开关，包括输入电极、触发电极、输出电极、陶瓷绝缘管、触发阻抗器以及绝缘支撑件，输入电极端部的正中心设有第一开孔，触发电极设于第一开孔中，绝缘支撑件的底部设有第二开孔，输出电极设于第二开孔中，陶瓷绝缘管位于触发电极与输入电极之间，用于将触发电极与输入电极绝缘隔离，触发电极与触发阻抗器的一端电气连接。

输入电极和输出电极的形状相同，且均为半球型或平板型。

输入电极与陶瓷绝缘管之间以及陶瓷绝缘管与触发电极之间采用金属熔焊的方法进行焊接，绝缘支撑件与输入电极之间以及绝缘支撑件与输出电极之间采用金属熔焊的方法进行焊接。

绝缘支撑件是由陶瓷材料烧结制成。

在自举式脉冲陡化间隙开关工作时，触发阻抗器的另一端接地。

本发明具有以下的优点和技术效果：

1、由于本发明提出的陡化间隙开关，其自身稳定击穿无须依赖外部电源和特殊电气技术手段，而是由其自身设计实现。

2、本发明可以将陡化间隙输出电压的分散性，由常见的两电极结构陡化间隙开关的10％左右(即输出电压在U_b×(90％～110％)之间，U_b表示陡化间隙开关设计输出电压，单位是伏特或者千伏)，降低到2％以内。

附图说明

图1为本发明自举式脉冲陡化间隙开关的结构示意图。

图2为本发明自举式脉冲陡化间隙开关的输入电极的结构示意图。

图3为本发明自举式脉冲陡化间隙开关的应用实例。

具体实施方式

下面结合图对本发明作进一步说明。

如图1所示，本发明的自举式脉冲陡化间隙开关包括输入电极1、陶瓷绝缘管2、触发电极3、触发阻抗器4、输出电极5以及绝缘支撑件6。

输入电极1端部的正中心设有第一开孔(未示出)，触发电极3设于第一开孔中。

绝缘支撑件6的底部设有第二开孔(未示出)，输出电极5设于第二开孔中。

陶瓷绝缘管2位于触发电极3与输入电极1之间，用于将触发电极3与输入电极1绝缘隔离。

触发阻抗器4的一端与触发电极3电气连接。

输入电极1和输出电极5的形状相同，且均为半球型或平板型。

输入电极1与陶瓷绝缘管2之间以及陶瓷绝缘管2与触发电极3之间采用金属熔焊的方法进行焊接，绝缘支撑件6与输入电极1之间以及绝缘支撑件6与输出电极5之间也采用金属熔焊的方法进行焊接，以保证整个自举式脉冲陡化间隙开关充气后密封性良好。

绝缘支撑件6由陶瓷材料烧结制成。

如图2所示，在本发明自举式脉冲陡化间隙开关的A区域内，输入电极的端面、绝缘管的端面以及触发电极的端面基本平齐。

如图3所示，应用场景是采用脉冲变压器7去触发导通气体开关8。脉冲变压器7由于存在一定内感，只能输出微秒级上升前沿的电压脉冲，这对气体开关8的动作一致性是不利的，因此需要利用本发明的自举式脉冲陡化间隙开关对该微秒脉冲进行陡化。具体的应用连线方法是，脉冲变压器7高压输出端连接输入电极1，触发电极3经触发阻抗器4连接脉冲变压器7的接地端。脉冲变压器7的高压脉冲施加在输入电极1上，在该脉冲上升阶段，陡化间隙开关内部，输入电极1与触发电极3间陶瓷沿面先行击穿，当脉冲上升到一定幅值时，开关主间隙击穿，完成对脉冲变压器7输出电压脉冲的陡化，输出电极5与接地端之间获得陡化后的纳秒级上升沿的脉冲电压，该纳秒级脉冲电压用作气体开关8的触发信号。

本发明的自举式脉冲陡化间隙开关内部需要充高气压气体进行密封，设计时，需要根据对陡化后电压幅值及上升前沿的需求，调整开关内气体的气压及主间隙的距离。

本发明具有以下两个特点：

1、本发明的自举式脉冲陡化间隙开关在输入电极内置放一个触发电极，触发电极通过触发阻抗器接地。需要陡化的高压脉冲施加在输入电极与触发电极之间，在开关内，输入电极与触发电极之间由于过电压先行发生沿面击穿，沿面放电电流产生主间隙击穿所需要的足够多的初始电子，但由于触发阻抗器的电位钳制作用，输入电极上的电压不会快速下降到地电位，而是随着输入电极上施加的电压继续升高，最终输入电极与输出电极构成的主间隙发生击穿。从气体放电理论上可知，足够多的初始电子可以减小主间隙击穿的平均统计时延，实现稳定流注击穿，从而减小陡化间隙的击穿电压分散性，减小击穿时延的抖动。

2、触发电极连接触发阻抗器，触发阻抗器的作用包括两方面，一是在触发电极和输入电极间沿面击穿时钳制住输入电极的电位，二是限制沿面放电的电流，防止沿面放电电流过大对触发电极和输入电极产生烧蚀磨损，从而破坏开关工作的稳定性。

Claims

1.一种自举式脉冲陡化间隙开关，包括输入电极、触发电极、输出电极、陶瓷绝缘管、触发阻抗器以及绝缘支撑件，其特征在于，

所述输入电极端部的正中心设有第一开孔；

所述触发电极设于所述第一开孔中；

所述绝缘支撑件的底部设有第二开孔；

所述输出电极设于所述第二开孔中；

所述陶瓷绝缘管位于所述触发电极与所述输入电极之间，用于将所述触发电极与所述输入电极绝缘隔离；

所述触发电极与所述触发阻抗器的一端电气连接。

2.根据权利要求1所述的自举式脉冲陡化间隙开关，其特征在于，所述输入电极和所述输出电极的形状相同，且均为半球型或平板型。

3.根据权利要求1所述的自举式脉冲陡化间隙开关，其特征在于，

所述输入电极与所述陶瓷绝缘管之间以及所述陶瓷绝缘管与所述触发电极之间采用金属熔焊的方法进行焊接；

所述绝缘支撑件与所述输入电极之间以及所述绝缘支撑件与所述输出电极之间采用金属熔焊的方法进行焊接。

4.根据权利要求1所述的自举式脉冲陡化间隙开关，其特征在于，所述绝缘支撑件是由陶瓷材料烧结制成。

5.根据权利要求1所述的自举式脉冲陡化间隙开关，其特征在于，在所述自举式脉冲陡化间隙开关工作时，所述触发阻抗器的另一端接地。