CN103095268B - 一种可控进气的大电流高压触发开关 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种可控进气的大电流高压触发开关，属于脉冲功率技术领域。该开关包括阴极、阳极、触发极、可调间距的阴极连接杆、可调间距的阳极连接杆、触发极绝缘套、金属外壳、上封盖、下封盖、触发极中心进气口、端面通气口和侧面通气口。阴极和阳极呈同轴对称安装，可以通过在连接杆处加入不同厚度的垫片调节两电极之间的距离；触发极位于阳极中心，端部与阳极表面相平。开关工作时采用向主电极放电空间同轴进气和外壳侧壁开口向放电空间侧向进气的气流控制方式，实现工作参数包括最高工作电压50KV，最大峰值电流250KA，重复触发时间间隔60s。本发明开关具有结构简单、性能稳定和适用性强等优点。<!--1-->

Description

一种可控进气的大电流高压触发开关

技术领域

本发明属于脉冲功率技术领域，涉及到一种可控进气的大电流高压触发开关。

背景技术

所谓脉冲功率技术，是指在较长时间内以较小的功率把能量输入到较大体积的储能设备中，然后在极短的时间（ns至ms级）向小体积负载释放，形成超高脉冲功率输出，即通过时间、空间压缩与转换，实现输出功率对输入功率的放大。脉冲功率技术作为一门新近发展起来的电物理技术，涉及许多高新技术领域，主要有核物理技术、电子束、加速器、激光、放电理论、石油勘探、等离子体技术、电子对抗、电磁炮、电磁炸弹、生物与生物医学工程等，是一项具有基础性、交叉性、广泛应用性的高新技术。脉冲功率技术目前已成为各国研究的热点领域，具有广泛的应用前景。

开关元件在脉冲功率系统中占有特殊的地位，这是因为脉冲功率技术的实质是实现能量在时间上的压缩，也就是要求脉冲功率驱动源能输出快前沿、高电压、大电流脉冲，而开关元件的参数和特性对输出脉冲的上升时间、幅值等有最直接、最敏感的影响，甚至是脉冲功率系统成败的关键。

目前脉冲功率领域广泛使用的重复频率闭合开关主要有以下几种：气体开关、真空开关(TVS)、半导体开关（RSD）、磁开关等，其中气体开关最高工作电压10MV，最大峰值电流10³KA，重复工作频率低于1KHZ；真空开关最高工作电压40KV，最大峰值电流200KA，重复工作频率0.02HZ；半导体开关最高工作电压25KV，最大峰值电流小于250KA，重复工作频率10HZ；磁开关最高工作电压300KV，最大峰值电流数10KA，重复工作频率数10KHZ。由此可见，半导体开关工作电压较低，真空开关工作电压和重复工作频率较低，磁开关的成本非常高。因此从各方面综合考虑，气体火花开关是最佳选择，具有导通时间短、通流能力大、工作电压范围宽、结构简单、成本低廉等优点。

气体火花开关可分为两电极、三电极和多电极等结构设计。两电极开关一般需要外部触发源来激发导通，控制环节相对复杂，而带触发极的三电极开关可实现精确受控触发，触发电压相对较低。此外，在电极结构中可加入吹气系统，减少电流冲击引起的局部烧蚀，加速电极空间的绝缘恢复过程，有利于提高开关工作的稳定性。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种可控进气的大电流高压触发开关，可以采用向主电极放电空间同轴进气和壳体侧壁开口向放电空间侧向进气的气流控制方式，实现工作参数包括最高工作电压50KV，最大峰值电流250KA，重复触发时间间隔60s。

为了达到上述目的，本发明采取的具体技术方案是：

该开关包括阴极、阳极、触发极、可调间距的阴极连接杆、可调间距的阳极连接杆、触发极绝缘套、金属外壳、上封盖、下封盖、端面通气口和侧面通气口。

阴极和阳极可采用常用电极材料，包括不锈钢、紫铜或石墨纤维材料等，为半球状，呈同轴对称安装；阳极中心开孔，以便插入触发极；在连接杆处有垫片，通过垫片可以调节两电极之间的距离。

触发极采用黄铜、紫铜等常用电极材料，固定于阳极中心位置，端部与阳极表面相平；触发极选用薄壁管，上封盖和下封盖分别开端面通气口，气流控制方式是向放电空间同轴进气。

金属外壳选用不锈钢材料，起支撑和散热作用；金属外壳对称开侧面通气口，气流控制方式是向放电空间侧向进气。

上封盖和下封盖选用加厚有机玻璃板，便于观察开关工作过程。

开关工作时通入工作气体，包括氮气、氩气或压缩干燥空气。

本发明的有益效果：

（1）开关的主电极选用长尺寸和大口径螺纹结构，保证导电杆与电极间的良好电气连接，可避免过度的接触烧蚀，同时为主电极表面修复和重复使用预留空间。

（2）开关选用大尺寸厚壁金属外壳，有利于工作过程中产生热量的快速导出，也便于内壁清理和重复使用。

（3）开关工作时可以采用多种吹气方式，促进电极导通时等离子体弧的空间扩展，减少局部过度烧蚀，避免开关的连击和自触发。

（4）本发明开关具有通流能力大、结构简单、性能稳定、适用性强等优点。

附图说明

附图是本发明的一种可控进气的大电流高压触发开关结构示意图。

图中：1阴极；2阳极；3触发极；4上封盖；5触发极绝缘套；6触发极中心进气口；7可调间距的阳极连接杆；8端面通气口；9金属外壳；10可调间距的阴极连接杆；11下封盖；12侧面通气口。

具体实施方式

下面结合附图说明本发明的具体实施例。

如图所示，本发明制作的一种可控进气的大电流高压触发开关，主要包括阴极1、阳极2、触发极3、可调间距的阴极连接杆10、可调间距的阳极连接杆7、触发极绝缘套5、金属外壳9、上封盖4、下封盖11、触发极中心进气口6、端面通气口8和侧面通气口12等。金属外壳9由不锈钢材料制成，圆柱形Φ205mm，壁厚10mm，高230mm；上封盖4和下封盖11由有机玻璃板制成，厚10mm；触发极由壁厚1.5mm，直径Φ6mm黄铜管制成；阴极和阳极均采用石墨材料，圆柱形Φ50mm，高80mm，头上边缘倒R5mm圆角，其中阳极中心加工Φ9mm的通孔，以便插入触发极；连接杆由黄铜材料制成。

阴极1通过阴极连接杆10与下封盖11固定；阳极2通过阳极连接杆7与上封盖4固定；触发极3通过触发极绝缘套5与阳极连接杆7固定；上封盖4、下封盖11分别固定在金属外壳9的两端，并且保证阴极1和阳极2呈同轴对称安装，两电极之间的距离可以通过分别在两个连接杆处加入不同厚度的垫片进行调节，可调最大范围20mm。在通气口处分别连接气体管道。

本实施例所述开关，实现工作参数包括最高工作电压50KV，最大峰值电流250KA，重复触发时间间隔60s。

该开关的工作原理为：从触发极中心进气口6或侧面通气口12向开关内部充入工作气体；通过充电装置产生高压并施加在阴极1和阳极2之间；在触发极3上施加脉冲触发电压，阴极1表面形成电场击穿发射电子，所产生电子在主电极间隙的电场作用下向阳极2移动，形成电子雪崩过程，主电极间隙的电子和离子数量随电子雪崩的发展按指数规律急剧增长；主电极间隙中的电场发生畸变，形成正电荷多于负电荷的流注通道；流注通道不断向阳极2延伸，当流注连通两极时，导致主电极间隙的完全击穿。

Claims (1)

1.一种可控进气的大电流高压触发开关，包括阴极（1）、阳极（2）、触发极（3）、可调间距的阴极连接杆（10）、可调间距的阳极连接杆（7）、触发极绝缘套（5）、金属外壳（9）、上封盖（4）、下封盖（11）、触发极中心进气口（6）、端面通气口（8）和侧面通气口（12）；其特征在于：阴极和阳极为半球状，呈同轴对称安装；可调间距的阴极连接杆（10）和可调间距的阳极连接杆（7）处都有垫片，通过垫片调节两电极之间的距离；触发极位于阳极中心，触发极的端部与阳极表面相平；上、下封盖选用有机玻璃板；开关工作时通入工作气体；

触发极（3）选用薄壁管，上封盖（4）和下封盖（11）分别开端面通气口（8），气流控制方式是向放电空间同轴进气；金属外壳（9）对称开侧面通气口（12），气流控制方式是向放电空间侧向进气。