CN102654381A

CN102654381A - 一种雷管爆炸闭合开关及其构成的电炮

Info

Publication number: CN102654381A
Application number: CN2012101281802A
Authority: CN
Inventors: 王桂吉; 赵剑衡; 吴刚; 谭福利; 陶彦辉
Original assignee: Institute of Fluid Physics of CAEP
Current assignee: Institute of Fluid Physics of CAEP
Priority date: 2012-04-27
Filing date: 2012-04-27
Publication date: 2012-09-05

Abstract

本发明公布了一种雷管爆炸闭合开关，包括击发正极板和击发负极板，在击发正极板和击发负极板之间设置有高压绝缘层，在所述击发负极板上安装有雷管座，雷管座呈圆筒状，其底部密封并向内凹陷形成击发平面，击发平面向内凹陷形成横截面为弧形的击发槽，击发槽构成圆环。本发明具有结构简单、电感低、耐高电压、承受大电流的特点；电极不发生烧蚀，运行稳定、可靠的特点；平行板装结构，易于与平行板传输的脉冲功率装置连接，应用于此类装置中，结构紧凑，易满足装置的低电感要求，进而增加装置的放电电流峰值，缩短放电电流上升时间，提高装置的放电性能。

Description

一种雷管爆炸闭合开关及其构成的电炮

技术领域

本发明涉及脉冲功率技术领域的一种高功率开关，具体是指一种雷管爆炸闭合开关及其构成的电炮。

背景技术

越来越多的小型电容器组储能、平行板传输、固体介质绝缘的脉冲功率装置用于材料科学的纳米材料制备、表面喷涂，用于冲击波物理领域实现冲击和准等熵压缩加载，以研究材料的动力学行为。后者典型的实验装置代表是电炮，其原理是脉冲功率装置瞬间释放脉冲大电流作用于金属箔，金属箔瞬间发生升温、熔化、气化和形成等离子体，高压气体膨胀推动置于金属箔上的聚酯薄膜飞片或聚酯薄膜与金属的复合飞片加速飞行至数公里每秒或10km/s以上，然后撞击靶目标。这种实验装置的一个高要求就是装置放电回路低电感，因此要求装置的各关键器件也低电感，包括储能电容器、传输线和放电闭合开关等。

通常，作为脉冲功率装置的放电闭合开关有二电极、三电极气体、液体介质场畸变电触发开关、激光触发气体开关等。然而这些开关的电感较大，在20～100nH之间。目前国内这类型开关最低的电感控制在30nH左右，因此不适用于单台或数台电容器并联使用的小型脉冲功率装置，例如电炮。而且这类型开关结构复杂，不便于与平行板传输电极直接连接，需要增加过渡电极，这同时也增加了装置的回路电感。另外，这类型开关的通流能力较弱，常为100kA～300kA，在需求500kA～1MA的电流时需要多个开关并联才能满足需求，这给紧凑型装置的设计带来体积的增加和辅助系统的增多。同时气体开关的运行存在自击穿的概率较大，常在40%以上。要降低自击穿概率，需要改变气体种类或多种气体按比例混合及其充气压力值，需要大量的工作才能摸索出一个比例关系。而且，经过多次放电以后，开关电极容易被烧蚀形成微粒子，微粒子的存在会影响开关耐电压的稳定性，容易发生自击穿现象，因此需要定期维护保养或更换电极。

发明内容

本发明的目的在于提供一种雷管爆炸闭合开关，解决目前气体开关电感大、通流能力弱、运行不稳定、易发生电极烧蚀和自击穿的问题。

本发明的目的通过下述技术方案实现：

一种雷管爆炸闭合开关，包括击发正极板和击发负极板，在击发正极板和击发负极板之间设置有高压绝缘层，在所述击发负极板上安装有雷管座，雷管座呈圆筒状，其底部密封并向内凹陷形成击发平面，击发平面向内凹陷形成横截面为弧形的击发槽，击发槽构成圆环。在击发负极板上固定安装有雷管座，雷管座整体上呈圆筒状，其底部封闭而上端开口，雷管座的底部圆周沿其侧壁向下延伸，使得雷管座底部与侧壁最下端的圆环之间存在一定的间隙距离，雷管座底部平面为击发平面，击发平面与高压绝缘层之间有一定的距离，在雷管座内放置雷管，雷管底部贴在雷管座上，雷管为防静电、大电流雷管，工作时不至于被静电引爆，根据不同雷管型号，选择相应起爆器起爆，起爆器起爆雷管后，雷管爆炸作用于雷管座底部，在雷管座底部的击发平面上设置有击发槽，击发槽在击发平面上形成环状，击发槽横截面为弧形，击发槽受雷管作用形成射流，射流高速运动击穿击发正极板和击发负极板之间的高压绝缘层，形成放电通道，电炮装置储能经平行传输正极板、击发正极板、击发负极板、平行传输负极板和负载形成放电回路。本发明所述雷管爆炸闭合开关巧妙结合电炮装置利用平行板传输达到低电感的目的，将开关设计成平行板结构，击发正极板和负极板之间利用固体薄膜进行高压绝缘。这种设计使得开关的结构电感很低，同时雷管爆炸形成射流击穿绝缘薄膜，容易形成多通道放电，而且由于绝缘薄膜的厚度只有0.5mm~1.0mm，因此开关的火花通道动态电感也很低。根据以下公式可以计算得到开关的结构电感：

Figure 2012101281802100002DEST_PATH_IMAGE001

（1）

（1）式中L1为开关的结构电感，单位H，m0为真空磁导率，等于4p??10-7 H/m，l为开关的电极长度，单位m，d为开关击发正、负电极板之间的间距，单位m，w为开关击发正、负电极板的宽度，单位m。

开关的通流能力大小主要取决于开关的正电极、负电极、以及触发电极在工作期间转移电荷库伦数和能量瞬间积蓄带来的温升效应，导致电极烧蚀。通常的气体火花开关，触发电极设计成锋利的刀刃形状，为了有效形成电场畸变，触发电极尖端的直径约为R0.8mm，因此多次运行后容易发生烧蚀现象。为尽量延长开关的使用次数，降低由于烧蚀带来开关的不稳定性，需要提高气体运行电压或将开关电极材料改为铜钨合金材料，这样使得单个开关的加工成本成数倍增加。本发明所述雷管爆炸开关有效避免这些问题的发生，开关只设计成击发正、负两个电极，通过雷管爆炸作用于雷管座的击发槽形成金属射流击穿绝缘薄膜而导通，每次使用后更换雷管座、绝缘薄膜和雷管即可。由于击发电极板的结构尺寸较大，因此流过电极板的线电流密度很小，例如1MA电流流过100mm宽的电极板，其线电流密度只有0.1MA/cm，由磁扩散效应带来的热效应很小，电极流过表明的温升很低，因此电极板的烧蚀不存在。由于开关安装在电炮装置的地电位，因此不会由于空气中运行高电压的静电累积效应进而导致雷管提前发火爆炸，因此开关运行稳定、可靠。

所述击发槽横截面为半圆形，其直径小于1mm。由于普通雷管直径约为7mm，高度11mm，装火药量为毫克量级，其做功能力有限，因此击发槽的材料选则Ly12铝材料，底部厚度1.0mm左右，在底部加工半圆形沟槽，用于雷管爆炸形成的压力作用形成金属射流，通常半圆形沟槽直径设计成小于1mm。

所述高压绝缘层由聚酯、聚丙烯或聚酰亚胺制成，其厚度为0.4mm～1.0mm。聚酯、聚丙烯或聚酰亚胺是目前较为常用的高电压绝缘薄膜，其耐击穿电压特性优良。对聚酯薄膜而言，其耐击穿电压为9~10kV/0.1mm。考虑到薄膜材质加工均匀性、通常在使用过程中取安全系数2~3。对于工作电压30kV的电炮实验装置，绝缘薄膜的耐击穿电压要为40~90kV，因此聚酯薄膜的厚度需要0.4~0.9mm，选择4~9张0.1mm厚的聚酯薄膜。

所述击发正极板的上表面向内凹陷形成有凹槽，在凹槽内放置有与凹槽相匹配的铝块。进一步讲，作为本发明的进一步改进，为了防止击发正极板不受射流击穿，可以重复使用，同时导电的目的，采用在击发正极板上设置凹槽，在凹槽内放置铝块的手段，铝块单次使用，每次使用均更换铝块。为防止雷管爆炸作用形成的金属射流破坏开关击发电极板，在开关击发正电极板上放置一铝块，每次使用后更换铝块即可，保证开关击发电极板重复使用。

在所述击发负极板上固定有连接座，所述雷管座固定在连接座内部。连接座用于将雷管座固定压紧，并与击发负极板通过螺纹连接，以放置雷管爆炸形成的反作用力以及装置放电过程中的电磁力将雷管座向反方向抛起，导致开关作用失效。

在所述雷管座内部安装有有机玻璃套筒。有机玻璃套筒将雷管与黑色金属45钢隔开，防止雷管插接过程中不小心与45钢固定连接座碰撞或摩擦导致意外发火而伤及操作人员或仪器设备。

一种包含雷管爆炸闭合开关的电炮，包括电炮本体，电炮本体具有平行传输正极板和平行传输负极板，所述平行传输正极板和平行传输负极板分别与雷管爆炸闭合开关的击发正极板和击发负极板连接，击发正极板和击发负极板之间的高压绝缘层延伸后位于平行传输正极板和平行传输负极板之间。电炮装置的平行传输正极板和平行传输负极板分别与雷管爆炸闭合开关的击发正极板和击发负极板连接，击发正极板和击发负极板之间的高压绝缘层延伸后位于平行传输正极板和平行传输负极板之间。利用高压功率源给电炮装置的储能电容器充电至预设电压，充至后，启动雷管起爆装置，雷管起爆装置起爆雷管，雷管爆炸作用铝雷管座击发槽，击发槽底部半圆形沟槽受雷管爆炸作用后形成金属射流，金属射流击穿开关击发正、负电极板之间绝缘薄膜层，致使电炮装置回路闭合导通，储能电容器中得电能在微秒或亚微秒级时间内释放给金属桥箔-飞片负载，形成脉冲大电流，在该脉冲大电流的作用下，金属桥箔发生急剧的相状态转变，由固体变为液体、气体和等离子体，受约束的等离子体膨胀推动至于金属桥箔上的飞片高速飞行撞击靶目标。

在所述平行传输负极板与击发负极板之间设置有桥梁板。桥梁板用于放置电炮装置的桥箔-飞片组件，即电炮装置的负载。

本发明与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：

1本发明一种雷管爆炸闭合开关，具有结构简单、电感低、耐高电压、承受大电流的特点；

2本发明一种雷管爆炸闭合开关，具有电极不发生烧蚀，运行稳定、可靠的特点；

3本发明一种雷管爆炸闭合开关，为平行板装结构，易于与平行板传输的脉冲功率装置连接，应用于此类装置中，结构紧凑，易满足装置的低电感要求，进而增加装置的放电电流峰值，缩短放电电流上升时间，提高装置的放电性能。

附图说明

图1为本发明雷管爆炸闭合开关构成的电炮横截面示意图；

图2为图1中A部雷管爆炸闭合开关放大示意图。

附图中标记及相应的零部件名称：

1-击发正极板，2-击发负极板，3-高压绝缘层，4-雷管座，5-击发槽，6-铝块，7-连接座，8-有机玻璃套筒，9-电炮本体，10-平行传输正极板，11-平行传输负极板，12-桥梁板。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步的详细说明，但本发明的实施方式不限于此。

实施例

如图1至2所示，本发明一种雷管爆炸闭合开关，包括击发正极板和击发负极板，在击发正极板和击发负极板之间设置有高压绝缘层，在所述击发负极板上安装有雷管座，雷管座呈圆筒状，其底部密封并向内凹陷形成击发平面，击发平面向内凹陷形成横截面为弧形的击发槽，击发槽构成圆环；击发槽横截面为半圆形，其直径0.8mm，高压绝缘层由9张0.1mm厚的聚酯薄膜组成，厚度为0.9mm，击发正极板的上表面向内凹陷形成有凹槽，在凹槽内放置有与凹槽相匹配的铝块。将此开关用于一种储能14.4kJ的电炮装置，开关的基本尺寸为长150mm、宽100mm、击发正、负电极板之间距离0.9mm。将上述结构参数代入公式（1）中计算得到开关的结构电感L1=2~4nH。通常开关的火花通道电感为14~17nH/cm，据此估算本开关的火花通道电感最大约为2nH左右，因此该雷管爆炸开关的电感为4~6nH。

利用电炮装置的进行短路放电，得到回路的总电感，将总电感减去电容器电感、传输线电感和负载电感，即可得到开关的电感。对电炮装置，单台电容器的电感30nH，传输线电感5nH，直接短路放电，则雷管爆炸开关的电感5nH，与计算值的4-6nH结果接近。

表1

表2

表1是使用雷管爆炸闭合开关电炮装置短路放电实验测得的回路电参数值，表2是使用三电极场畸变气体火花开关装置短路放电实验测得的回路电参数值，两种情况结果表明，使用雷管爆炸闭合开关有效优化了电炮装置回路电参数，进而提高了装置的性能。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明做任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质上对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化，均落入本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种雷管爆炸闭合开关，其特征在于：包括击发正极板（1）和击发负极板（2），在击发正极板（1）和击发负极板（2）之间设置有高压绝缘层（3），在所述击发负极板（2）上安装有雷管座（4），雷管座（4）呈圆筒状，其底部密封并向内凹陷形成击发平面，击发平面向内凹陷形成横截面为弧形的击发槽（5），击发槽（5）构成圆环。

2.根据权利要求1所述的一种雷管爆炸闭合开关，其特征在于：所述击发槽（5）横截面为半圆形，其直径小于1mm。

3.根据权利要求1所述的一种雷管爆炸闭合开关，其特征在于：所述高压绝缘层（3）由聚酯、聚丙烯或聚酰亚胺制成，其厚度为0.4mm～1.0mm。

4.根据权利要求1至3中任意一项所述的一种雷管爆炸闭合开关，其特征在于：所述击发正极板（1）的上表面向内凹陷形成有凹槽，在凹槽内放置有与凹槽相匹配的铝块（6）。

5.根据权利要求1至3中任意一项所述的一种雷管爆炸闭合开关，其特征在于：在所述击发正极板（1）上固定有连接座（7），所述雷管座（4）固定在连接座（7）内部。

6.根据权利要求1至3中任意一项所述的一种雷管爆炸闭合开关，其特征在于：在所述雷管座（4）内部安装有有机玻璃套筒（8）。

7.一种包含雷管爆炸闭合开关的电炮，包括电炮本体（9），电炮本体（9）具有平行传输正极板（10）和平行传输负极板（11），其特征在于：所述平行传输正极板（10）和平行传输负极板（11）分别与雷管爆炸闭合开关的击发正极板（1）和击发负极板（2）连接，击发正极板（1）和击发负极板（2）之间的高压绝缘层（3）延伸后位于平行传输正极板（10）和平行传输负极板（11）之间。

8.根据权利要求7所述的电炮，其特征在于：在所述平行传输负极板（11）与击发负极板（2）之间设置有桥梁板（12）。