CN103219652B - 一种大电流闭合充气火花间隙 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种大电流闭合充气火花间隙，旨在实现气体开关的高可靠性、高气密性等，并扩大其应用范围。该火花间隙包括同轴布置的金属盖板，上、下电极支座，上、下电极，绝缘套筒，上、下金属盘，及上、下金属箍。绝缘套筒采用波浪裙边设计，可增大金属盖板与下电极支座之间的沿面距离。将上电极支座和金属盖板分开制作，通过上螺杆实现两者的机械连接。引入了两个可自由活动的金属盘，实现金属盖板、下电极支座和绝缘套筒三者间的机械连接。上、下螺杆通过螺纹结构与上、下电极紧密连接，使得更换更方便；圆台设计则保证了电极与电极支座间的接触面积及紧密性，增加气体开关的可靠性，降低接触部分的烧蚀量，延长开关寿命。
Description
技术领域
本发明属于气体火花开关技术，具体涉及一种大电流闭合充气火花间隙，即火花开关。
背景技术
脉冲功率技术在国防科研和高新技术领域有着极为重要的应用，而且现在已经更多地应用于工业和民用领域，有着极为广泛的发展与应用前景。脉冲功率技术的基本原理是将较长时间内存储的高密度能量，通过压缩转换，快速地释放给负载。脉冲功率技术经常涉及到高幅值电压，大电流和陡脉冲气体放电方面的应用。
大电流、高库仑量转移的开关在脉冲功率系统中有着极为重要的作用，如在惯性约束聚变、电磁发射等装置中。在这些装置的应用中，要求开关既能承受大电流，又能有较长的寿命。脉冲功率中常用的开关主要有以下几种：气体火花开关、赝火花开关、真空开关、激光触发开关、闸流管、磁开关、半导体断路开关、固体介质和液体介质放电开关、光导半导体开关等。其中，气体火花开关由于造价低、通流能量强、导通时间迅速及较长寿命而得到广泛应用。
在本发明之前，申请号200910022937.8和申请号201010128326.4两份专利给出了两种常见的脉冲功率系统中的气体开关。然而，他们均不可避免的存在以下几个较为严重的缺点：1）为保证开关的气密性，常使用绝缘螺杆加固，绝缘螺杆老化后会导致气密性降低，前者增大装配难度，后者增加维护难度，同时绝缘螺杆上容易形成杂质层，降低上下电极间的绝缘水平；2）为降低电极与电极支座间的烧蚀，提高通流能力，需保证二者之间连接紧密，常有方法（热胀冷缩法或压环法）实现较为复杂，无法保证连接的致密可靠，长期使用后开关寿命大为降低；3）电极之间的间隙距离固定，导致使用范围较小，若要改变电极间隙距离，需要改变整套开关的结构尺寸，难以适应变化着的科学研究需要。
发明内容
针对现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种全新的大电流闭合充气火花间隙，旨在改进以上缺陷，实现气体开关的高可靠性、高气密性等，并扩大其应用范围。
为达到以上的目的，本发明采取如下技术方案予以实现：一种大电流闭合充气火花间隙，其特征在于，该火花间隙包括同轴布置的金属盖板、上电极支座、上电极、下电极、下电极支座、绝缘套筒、上金属盘、下金属盘、上金属箍和下金属箍；
金属盖板为圆筒状，其内底部中心带有凸台，该凸台中心位置设置有贯穿孔，金属盖板圆周上设置有用于安装上内六角螺钉的环状分布的圆孔，周边下部边缘地带设置有凹槽，上密封垫圈放置该凹槽内，所述凸台中间底部设置有带螺纹结构的圆柱形凸起；
上电极支座设置于金属盖板下部中心位置，也设置有贯穿孔，上电极支座上部设置有带螺栓结构的圆柱形凹槽，螺栓结构与金属盖板凸台中间底部的螺纹结构咬合，保证金属盖板和上电极支座的连接紧密可靠；上电极设置于上电极支座下部中心位置，轴心顶部设置有螺纹孔，上电极与上电极支座结合部分为圆台形，保证接触面积充足且连接紧密；上螺杆设置于金属盖板和上电极支座的贯穿孔内，与上电极的螺纹孔咬合，保证上电极与上电极支座连接紧密可靠；
下电极支座为圆筒状，其内底部中心带有下电极安装座，下电极安装座上设置有用于安装下螺杆的贯穿孔，下电极支座的边缘设置有对称分布的用于安装下内六角螺钉的圆孔，下电极支座的边缘内侧设置有用于放置下密封垫圈的凹槽，下电极设置于下电极安装座上，与上电极呈轴向对称，上电极与下电极之间留有气体间隙；下电极下部设置有螺纹孔；下螺杆设置于下电极支座的贯穿孔内，与下电极的螺纹孔咬合，保证下电极与下电极支座连接紧密可靠；下电极支座与下电极结合部分为圆台形，以保证接触面积充足且连接紧密；
绝缘套筒为圆筒结构，在连接金属盖板和下电极支座的同时，保证两者在电气上相互绝缘；绝缘套筒的内外表面采用裙边设计，绝缘套筒的外壁在上端处开设有用于嵌入环形的上金属箍的凹槽，绝缘套筒的外壁在下端处开设有用于嵌入环形的下金属箍的凹槽；
上金属盘设置在金属盖板的下部，且设置有对称分布的圆孔，与金属盖板上的圆孔配套，通过上内六角螺钉实现上金属盘和金属盖板的机械连接，并通过上金属箍带动绝缘套筒压接上密封垫圈，使得上密封垫圈均匀分布在金属盖板的凹槽内，保证气体开关的气密性；
可自由活动的下金属盘设置在下电极支座的上部，设置有与下电极支座上的圆孔配套分布的圆孔，通过下内六角螺钉实现下金属盘和下电极支座的机械连接，并通过下金属箍带动绝缘套筒压接下密封垫圈，使得下密封垫圈均匀分布在下电极支座的凹槽内；
金属盖板、绝缘套筒、上电极支座、下电极支座、上电极和下电极之间形成环形充气腔体；
进气孔和出气孔对称设置于下电极支座的侧面。
作为上述技术方案的改进，上电极的下部和下电极的上部经过倒圆角处理。
通过本发明所构思的以上技术方案，与现有技术相比，存在以下优点：
1.绝缘套筒采用波浪裙边设计，可增大金属盖板与下电极支座之间的沿面距离，波浪裙边的设计能有效抵消尘埃、杂质等对沿面绝缘能力的破坏，从而保证沿面绝缘能力。
2.将上电极支座和金属盖板两部分分开制作，通过上螺杆实现两者的机械连接。这样只需要改变上电极支座一个单独器件的尺寸，即可改变上电极与下电极之间的气体间隙的距离，从而满足更广泛的科学研究需求。
3.引入了两个可自由活动的金属盘，上金属盘和金属盖板及下金属盘和下电极支座之间分别通过内六角型紧固螺母连接固定，并通过内嵌的绝缘套筒外的金属箍，实现金属盖板、下电极支座和绝缘套筒三者间的机械连接。此种紧固方法减小了开关结构尺寸，简化了结构设计，提高了充气腔体的气密性，并保证金属盖板与下电极支座之间的绝缘性能良好。
4.上、下螺杆通过螺纹结构与上、下电极紧密连接，使得开关上下电极的更换更为方便；圆台设计则保证了电极与电极支座见的接触面积及紧密性，增加气体开关的可靠性，降低接触部分的烧蚀量，延长开关寿命。
附图说明
图1是一种大电流闭合充气火花间隙的一种具体实施方式的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步说明。在此需要说明的是，对于这些实施方式的说明用于帮助理解本发明，但并不构成对本发明的限定。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
如图1所示，本发明提供的大电流闭合充气火花间隙气体开关在外形上采用同轴结构，它具体包括金属盖板1、上电极支座2、下电极支座3、上电极4、下电极5、上螺杆6、下螺杆7、绝缘套筒8、上金属盘9、下金属盘10、上密封垫圈11、下密封垫圈12，上金属箍13、下金属箍14、上内六角螺钉15、下内六角螺钉16、进气孔17、出气孔18和充气腔体19。
金属盖板1为圆筒状，其内底部中心带有凸台，该凸台中心位置设置有贯穿孔，盖板圆周上设置有用于安装上内六角螺钉15的环状分布的圆孔，周边下部边缘地带设置有凹槽，用于放置上密封垫圈11，凸台中间底部设置有带螺纹结构的圆柱形凸起。
上电极支座2设置于金属盖板1下部中心位置，设置有贯穿孔，上电极支座2上部设置有带螺栓结构的圆柱形凹槽，螺栓结构与金属盖板1下部的螺纹结构咬合，保证金属盖板1和上电极支座2的连接紧密可靠。上电极4设置于上电极支座2下部中心位置，轴心顶部设置有螺纹孔，上电极4与上电极支座2结合部分为圆台形，保证接触面积充足且连接紧密。上螺杆6设置于金属盖板1和上电极支座2的贯穿孔内，与上电极4的螺纹孔咬合，保证上电极4与上电极支座2连接紧密可靠。
下电极支座3为圆筒状，其内底部中心带有下电极安装座，下电极安装座上设置有用于安装下螺杆7的贯穿孔，圆筒边缘地带设置有对称分布的用于安装下内六角螺钉16的圆孔，圆筒边缘地带内侧设置有一定深度的凹槽，用于放置下密封垫圈12。下电极5设置于下电极安装座，与上电极4呈轴向对称，上电极4与下电极5之间留有气体间隙。下电极5下部设置有螺纹孔。下螺杆7设置于下电极支座3的贯穿孔内，与下电极5的螺纹孔咬合，保证下电极5与下电极支座3连接紧密可靠。下电极支座3与下电极5结合部分为圆台形，保证接触面积充足且连接紧密。
绝缘套筒8采用高绝缘性能的材料制作，为圆筒结构，在连接金属盖板1和下电极支座3的同时，保证两者在电气上相互绝缘。绝缘套筒8的内外表面采用裙边设计，从而增加金属盖板1和下电极支座3的实际沿面距离，以提高绝缘能力。绝缘套筒8的外壁在上下端处开设有两个细凹槽，在细凹槽内对应嵌入环形的上金属箍13和下金属箍14。
上金属盘9设置在金属盖板1的下部，且设置有对称分布的圆孔，与金属盖板1上的圆孔配套，通过上内六角螺钉15实现上金属盘9和金属盖板1的机械连接，并通过上金属箍13带动绝缘套筒8压接上密封垫圈11，使得上密封垫圈11均匀分布在金属盖板1的凹槽内，保证气体开关的气密性。
同样，可自由活动的下金属盘10设置在下电极支座3的上部，设置有与下电极支座3上的圆孔配套分布的圆孔，通过下内六角螺钉16实现下金属盘10和下电极支座3的机械连接，并通过下金属箍14带动绝缘套筒8压接下密封垫圈12，使得下密封垫圈12均匀分布在下电极支座3的凹槽内。
金属盖板1、绝缘套筒8、上电极支座2、下电极支座3、上电极4和下电极5之间形成环形充气腔体19。
上金属盘9和下金属盘10均采用金属材料制成，上密封垫圈11和下密封垫圈12可以用丁腈橡胶制作，上金属箍13和下金属箍14可根据绝缘套筒实际尺寸大小设计加工。
进气孔17和出气孔18对称设置于下电极支座3的侧面，其作用主要有两个，一是保证在工作过程中开关内部气压可调，二是将石墨电极因电弧烧蚀产生的一氧化碳或一氧化氮等气体定期排放至开关外。
上电极4的下部和下电极5的上部做倒圆角处理，这样能防止两者之间的电场畸变，使得上电极4与下电极5之间形成一个近似均匀电场。上电极4和下电极5之间留有一定的距离(即气体间隙，一般为2mm～20mm，优选8mm左右)。
上电极支座2和下电极支座3由能耐高温且刚性较好的高强度材料制成，可以采用不锈钢、铝合金等材质。上电极4和下电极5则使用高纯度和高强度的石墨。
开关导通瞬间，充气腔体19中会产生电弧、紫外线和电磁冲击力等，这会使开关绝缘套筒8性能劣化，从而减小开关使用寿命并影响开关工作的可靠性和稳定性。因此，应该选择具有高紫外线耐受能力、高机械强度的绝缘材料来制作绝缘套筒8。常用的材料有环氧树脂材料、电木、有机玻璃等。图1中绝缘套筒8使用的是有机玻璃材料。
在装配完成后，通过外接气路控制装置，由进气孔17向开关内部通入绝缘气体，充气气体可以是干燥空气，或将氮气和氧气按一定的比例混合。掺杂氧气可使得开关导通的瞬间，石墨电极表面局部烧蚀产生一氧化碳和二氧化碳等气体，从而避免产生微小的固体颗粒粘附在电极表面导致电场畸变，也能通过此避免绝缘筒内壁的污染，以保证开关间隙绝缘性能的恢复，减小开关的自闪概率，有利于提高开关工作可靠性和开关寿命。
本发明的工作原理如下：在大电流闭合气体开关的工作过程中，与上电极支座2相连的上电极4为阴极，与下电极支座3连接的下电极5为阳极，绝缘套筒8实现上电极支座2和下电极支座3之间的电气绝缘。在工作时，通过充电装置在上电极4和下电极5之间施加一定的直流电压，这个直接电压值应该小于开关的直流耐压值，从而在上下电极之间形成一定的电场，再将一个外部触发装置输出的触发脉冲电压施加于下电极支座3上，通过过电压击穿使上电极4和下电极5之间的气体间隙中产生放电通道并形成电弧，从而导致开关主间隙击穿。可提供上述触发脉冲电压的设备包括脉冲变压器、冲击电压发生器（Marx发生器）等。
气体开关的击穿电压值随着上电极4和下电极5之间气隙间距的改变而改变，通常在数千次击穿后，石墨电极表面由于烧蚀作用会使得气隙间距变大，因此气体开关在使用一段时间之后，需要通过更换电极才能重新投入使用。本开关采用了上电极支座2与金属盖板1分离的方法，在多次使用之后，可以通过更换不同长度的上电极支座2来保证上电极4和下电极5之间的气隙距离维持在一个需要的范围内，从而提高石墨电极的使用寿命，并保证其经济性。
以上所述仅为本发明的某一实施例而已，但本发明不应该局限于该实施例和附图所公开的内容。所以凡是不脱离本发明所公开的精神下完成的等效或修改，都落入本发明保护的范围。
Claims (3)
1.一种大电流闭合充气火花间隙，其特征在于，该火花间隙包括同轴布置的金属盖板（1）、上电极支座（2）、上电极（4）、下电极（5）、下电极支座（3）、绝缘套筒（8）、上金属盘（9）、下金属盘（10）、上金属箍（13）和下金属箍（14）；
金属盖板（1）为圆筒状，其内底部中心带有凸台，该凸台中心位置设置有贯穿孔，金属盖板（1）圆周上设置有用于安装上内六角螺钉（15）的环状分布的圆孔，周边下部边缘地带设置有凹槽，上密封垫圈（11）放置该凹槽内，所述凸台中间底部设置有带螺纹结构的圆柱形凸起；
上电极支座（2）设置于金属盖板（1）下部中心位置，也设置有贯穿孔，上电极支座（2）上部设置有带螺栓结构的圆柱形凹槽，螺栓结构与金属盖板（1）凸台中间底部的螺纹结构咬合，保证金属盖板（1）和上电极支座（2）的连接紧密可靠；上电极（4）设置于上电极支座（2）下部中心位置，轴心顶部设置有螺纹孔，上电极（4）与上电极支座（2）结合部分为圆台形，保证接触面积充足且连接紧密；上螺杆（6）设置于金属盖板（1）和上电极支座（2）的贯穿孔内，与上电极（4）的螺纹孔咬合，保证上电极（4）与上电极支座（2）连接紧密可靠；
下电极支座（3）为圆筒状，其内底部中心带有下电极安装座，下电极安装座上设置有用于安装下螺杆（7）的贯穿孔，下电极支座（3）的边缘设置有对称分布的用于安装下内六角螺钉（16）的圆孔，下电极支座（3）的边缘内侧设置有用于放置下密封垫圈（12）的凹槽，下电极（5）设置于下电极安装座，与上电极（4）呈轴向对称，上电极（4）与下电极（5）之间留有气体间隙；下电极（5）下部设置有螺纹孔；下螺杆（7）设置于下电极支座（3）的贯穿孔内，与下电极（5）的螺纹孔咬合，保证下电极（5）与下电极支座（3）连接紧密可靠；下电极支座（3）与下电极（5）结合部分为圆台形，以保证接触面积充足且连接紧密；
绝缘套筒（8）为圆筒结构，在连接金属盖板（1）和下电极支座（3）的同时，保证两者在电气上相互绝缘；绝缘套筒（8）的内外表面采用裙边设计，绝缘套筒（8）的外壁在上端处开设有用于嵌入环形的上金属箍（13）的凹槽，绝缘套筒（8）的外壁在下端处开设有用于嵌入环形的下金属箍（14）的凹槽；
上金属盘（9）设置在金属盖板（1）的下部，且设置有对称分布的圆孔，与金属盖板（1）上的圆孔配套，通过上内六角螺钉（15）实现上金属盘（9）和金属盖板（1）的机械连接，并通过上金属箍（12）带动绝缘套筒（8）压接上密封垫圈（11），使得上密封垫圈（11）均匀分布在金属盖板（1）的凹槽内，保证气体开关的气密性；
可自由活动的下金属盘（10）设置在下电极支座（3）的上部，设置有与下电极支座（3）上的圆孔配套分布的圆孔，通过下内六角螺钉（16）实现下金属盘（10）和下电极支座（3）的机械连接，并通过下金属箍（14）带动绝缘套筒（8）压接下密封垫圈（12），使得下密封垫圈（12）均匀分布在下电极支座（3）的凹槽内；
金属盖板（1）、绝缘套筒（8）、上电极支座（2）、下电极支座（3）、上电极（4）和下电极（5）之间形成环形充气腔体（19）；
进气孔（17）和出气孔（18）对称设置于下电极支座（3）的侧面。
2.根据权利要求1所述的大电流闭合充气火花间隙，其特征在于，上电极（4）的下部和下电极（5）的上部经过倒圆角处理。
3.根据权利要求1或2所述的大电流闭合充气火花间隙，其特征在于，所述气体间隙为2mm～20mm。
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