CN103326245B - 一种多通道气体火花开关 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种多通道气体火花开关，2个主电极（5）设置在壳体的内部，触发电极（6）位于2个主电极（5）之间，侧面均布有螺孔，前端为孔径稍小的盲孔，针电极设置在盲孔中，并且在触发电极（6）的一个端面上设置与盲孔的底部贯通的喷射孔。盲孔内部作为等离子体喷射腔，位于等离子体喷射腔内的针电极与触发电极（6）放电在等离子体喷射腔中产生等离子体，等离子体能够通过喷射孔进入到1个火花隙中。本发明的开关，采用等离子体喷射技术作为气体开关的触发方式，减少了放电延时，并在多个喷射孔的周围诱发多通道放电的形成，减少放电产生的火花电感，延长了开关的寿命，并使开关能够工作在较低的工作电压条件下，且保证较高的触发特性。
Description
技术领域
本发明涉及气体火花开关技术领域，尤其涉及一种多通道气体火花开关。
背景技术
气体火花开关是脉冲功率装置中的核心设备。气体火花开关不仅能传输大功率，而且具有低电感和低的损耗，其导通是当外加电压超过某一临界电压时，气体中发生了强烈的电离，电流剧增，同时气体中的电离过程己可只靠电场的作用自行维持，而不再继续需要外电离因素了。如果电场较均匀，则间隙将被击穿，此后根据气压、外回路阻抗等条件形成辉光放电、火花放电或电弧放电。常采用干燥洁净的空气、氮气、六氟化硫等作为绝缘气体。
现有的多通道气体火花开关主要采用两种结构：一种是采用圆环电极，截面可以是圆形、椭圆形或矩形等，在其环形表面形成多通道放电。另一种是在绝缘盘或金属盘的表面嵌入金属小球，在表面形成较大的不均匀系数，迫使在小球尖端表面发生放电。但是这两种方法的缺点是放电通道数目变化较大，放电点的位置随机，而且很难在低工作系数条件下触发工作。
发明内容
有鉴于此，本发明要解决的一个技术问题是提供一种三电极多通道气体火花开关，能够通过离子体喷射触发放电。
一种多通道气体火花开关，包括：上壳体1、下壳体2、2个主电极5、2个主电极连接杆4、2个主电极固定螺母3、触发电极6、触发电极连接杆21和针电极12；所述上壳体1和所述下壳体2扣合形成壳体；所述2个主电极5设置在所述壳体的内部；所述2个主电极连接杆4分别通过在所述上壳体1和所述下壳体2上设置的通孔，并且，所述2个主电极连接杆4的一端分别与所述2个主电极5固定连接，所述2个主电极连接杆4的另一端设置在所述壳体的外部，分别与设置在所述壳体外部的2个主电极固定螺母3螺纹连接；所述触发电极6设置在所述壳体内部，并位于所述2个主电极5之间，将所述壳体内部空间分为2个火花隙；所述触发电极4为具有中心通孔的圆盘形结构；在所述触发电极6的侧面均布有螺孔，其前端是孔径稍小的盲孔，并且在所述触发电极6的一个端面上设置与所述盲孔的底部贯通的喷射孔；所述针电极12设置在所述盲孔中；其中，所述盲孔内部作为等离子体喷射腔，所述针电极12插入所述等离子体喷射腔内部，与所述触发电极6放电在所述等离子体喷射腔中产生等离子体，所述等离子体能够通过所述喷射孔进入到1个火花隙中；所述触发电极6设有所述触发电极连接杆21，所述触发电极连接杆21的一端通过在所述上壳体1或所述下壳体2上设置的通孔，设置在所述壳体的外部。
根据本发明的一个实施例，进一步的，包括：陶瓷管13、针电极12、尼龙套筒14和针电极固定螺母15；所述针电极12插在所述陶瓷管13内，所述陶瓷管13设置在所述尼龙套筒14的内部；所述尼龙套筒14与所述触发电极侧面的螺孔固定连接，并且，所述尼龙套筒14的一端通过在所述上壳体1或所述下壳体2上设置的通孔，设置在所述壳体的外部；所述针电极12为柱状；所述针电极12的一端为半球状，用于与所述触发电极6放电，另一端伸出所述尼龙套筒14，并与设置在所述壳体外部的所述针电极固定螺母15螺纹连接。
根据本发明的一个实施例，进一步的，在所述触发电极6的侧面均匀地设置多个盲孔，并且在所述触发电极6的一个端面上设置与每个所述盲孔的底部贯通的一个或多个喷射孔；与所述多个盲孔一一对应的所述针电极12分别设置在对应的所述盲孔中。
根据本发明的一个实施例，进一步的，在所述触发电极6的端面上设置一个或多个通孔；设置在所述壳体外部的所述触发电极连接杆21的一端与球形螺帽螺纹连接；所述针电极固定螺母15的一端与球形螺帽16螺纹连接。
根据本发明的一个实施例，进一步的，所述2个主电极1为圆盘结构；所述2个主电极1都设置于所述壳体的中轴。
根据本发明的一个实施例，进一步的，在所述2个主电极连接杆2上都设置密封槽，在所述密封槽中都设置O型圈，并通过所述O型圈分别与在所述上壳体1、所述下壳体2密封连接。
根据本发明的一个实施例，进一步的，在所述触发电极侧面的螺孔与前端盲孔的连接处设置三角形密封槽，在三角形密封槽中设置O型圈；所述尼龙套筒14前端挤压O型圈，实现对等离子体喷射腔的密封。
根据本发明的一个实施例，进一步的，在所述尼龙套筒14尾部设置密封槽，在密封槽中设置O型圈，通过O型圈与所述针电极固定螺母15密封连接。
根据本发明的一个实施例，进一步的，所述2个主电极5和所述触发电极6的表面粗糙度都为0.1－0.8μm，主间隙电场不均匀系数为1.2－1.3；所述壳体为直径与高度之比为1.2:1的圆柱体。
根据本发明的一个实施例，进一步的，在所述上壳体1或所述下壳体2上设置管锥螺纹气孔;所述壳体内部的工作气体介质包括：空气、N2和SF6-N2混合气体，气压为0.1MPa-0.5MPa。
根据本发明的一个实施例，进一步的，所述2个主电极5和所述触发电极6的材质包括：不锈钢、铜和铜钨合金；所述上壳体1和下壳体2的材质包括：有机玻璃和尼龙。
本发明的多通道气体火花开关，采用等离子体喷射技术作为气体开关的触发方式，减少了放电延时，并在多个喷射孔的周围诱发多通道放电的形成，进一步减少放电产生的火花电感，同时也减少电极的烧蚀，延长了开关的寿命，并使开关能够工作在较低的工作电压条件下，且保证较高的触发特性。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1A和1B为根据本发明的多通道气体火花开关的一个实施例的示意图；其中，图1A为开关的剖面图，其中，触发电极没有安装等离子体电极装置和触发电极连接杆，图1B为触发电极的示意图。
具体实施方式
下面参照附图对本发明进行更全面的描述，其中说明本发明的示例性实施例。下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
图1A和1B为根据本发明的多通道气体火花开关的一个实施例的示意图。如图所示：多通道气体火花开关包括：上壳体1、下壳体2、2个主电极5、2个主电极连接杆4、2个主电极固定螺母3、触发电极6、针电极12。
上壳体1和下壳体2扣合形成壳体，可以通过焊接、螺纹连接或卡扣连接等方式。
2个主电极5设置在壳体的内部。2个主电极连接杆4分别通过在上壳体1和下壳体2上设置的通孔，并且，2个主电极连接杆4的一端分别与2个主电极5固定连接，2个主电极连接杆4的另一端设置在壳体的外部，分别与设置在壳体外部的2个主电极固定螺母3螺纹连接。
触发电极6设置在壳体内部，并位于2个主电极5之间，将壳体内部空间分为2个火花隙。
触发电极4为具有中心通孔的圆盘形结构。在触发电极6的侧面设置螺孔，其前端设置孔径稍小的盲孔作为等离子体喷射腔，并且在触发电极6的一个端面上设置与盲孔底部贯通的喷射孔。
针电极12设置在盲孔中。盲孔内部作为等离子体喷射腔，位于腔内的针电极与触发电极6放电产生等离子体，等离子体能够通过喷射孔进入到1个火花隙中。
触发电极6设有触发电极连接杆21，触发电极连接杆21的一端通过在上壳体1或下壳体2上设置的通孔，设置在壳体的外部。
现有的多通道气体火花开关，很难稳定的形成多通道放电，而且在较低的工作系数下，难以正常的触发工作。
采用等离子体喷射技术作为气体开关的触发方式，使放电通道固定在每个喷射孔的周围，并且等够在较低的工作系数下，实现气体开关的正常触发，不但有效地减小开关的电感而且还可以减小电极的烧蚀，延长使用寿命。
根据本发明的一个实施例，针电极12插在陶瓷管13内，使其与触发电极6绝缘，陶瓷管13设置在尼龙套筒14的内部。尼龙套筒14与盲孔固定连接，可以采用螺纹连接等方式。
尼龙套筒14的一端通过在上壳体1或下壳体2上设置的通孔，设置在触发电极的侧面。针电极12为柱状。针电极12的一端为半球状，用于与触发电极6放电，另一端伸出尼龙套筒14，并与设置在壳体外部的固定螺母15螺纹连接。
根据本发明的一个实施例，在触发电极6的侧面均匀地设置多个盲孔，例如为3个盲孔，并且，在触发电极6的一个端面上设置与每个盲孔的底部贯通的一个或多个喷射孔。与多个盲孔一一对应的针电极分别设置在对应的盲孔中。
根据本发明的一个实施例，触发电极6呈圆盘形结构，侧面均布3个螺孔，用以装配针电极及其连接件，螺孔的前端是口径较小的盲孔，构成等离子体喷射腔。
此外，侧面还配有固定触发电极连接杆的螺孔，触发电极6的一端面有3个等离子体喷射的Φ1通孔。另一端采用截面为半圆形的圆环结构，产生较大的场畸变系数，利于形成多通道放电，触发电极6的中心和周围共有4个通孔，便于气体流动。
尼龙套筒14通过螺纹固定在触发电极，前端压紧O型圈，实现放电腔的密封。尼龙套筒的尾部设有密封槽，利用O型圈与针电极螺母紧密配合，防止开关内部气体从喷射孔泄露，针电极螺母的末端配有球头螺母。
在触发电极6内部的放电腔中，针电极的放电会使等离子体喷射腔内部的气压急剧增加，并通过喷射孔产生初速极快的等离子体射流，从而诱发火花间隙的击穿，多个等离子体喷射腔同时作用会诱发多通道放电。在触发工作过程中，触发电极既可接正高压也可为负高压，但在正极性条件下，开关触发特性效果更佳。为了得到更多的放电通道数目，可以通过改变针电极和喷射孔的数量来实现。
本发明的多通道气体火花开关为基于等离子体喷射技术的多通道气体火花开关，采用三电极场畸变开关构型，开关触发电极6的一侧在过电压作用下形成多点局部电场增强而形成多通道放电，另一侧可形成多个等离子体射流而形成多通道放电，从而实现整个间隙的多通道放电。
根据本发明的一个实施例，触发电极侧面均布n（n≥3）个用于固定针电极的螺孔，螺孔前端是口径稍小的盲孔作为等离子体喷射腔，针电极与触发电极放电产生的等离子体，通过触发电极上表面的喷射孔进入到触发间隙。触发电极的另一侧表面采用圆环结构，截面为半圆状。
基于等离子体喷射技术的多通道气体火花开关具有两种触发方式，第一种可将触发电压加至触发电极6，所有的针电极通过电阻或电感接地。第二种方法可将触发电压同时加至每个针电极，触发电极6可通过电阻或电感接地，也可悬浮设置。这两种触发方式均能实现多通道等离子体喷射，但是第一种多通道放电效果更佳。
主电极5与触发电极6的极性配合分为两种情况，若主电极5（上）极性为正，触发电极6极性为负，则喷射孔对应间隙首先击穿，另一侧（圆环电极对应）间隙在过压作用下实现多通道放电。另一种是触发电极6极性为正，则喷射孔对应的间隙后击穿，在过压和喷射综合作用下形成多通道放电。
根据本发明的一个实施例，设置在壳体外部的触发电极连接杆21的一端与球形螺帽螺纹连接。固定螺母15的一端与球形螺帽16螺纹连接。2个主电极1为圆盘结构。2个主电极1都设置于壳体的中轴。在2个主电极连接杆2上都设置密封槽，在密封槽中都设置O型圈，并通过O型圈分别与在上壳体1、下壳体2和触发电极6适配密封连接。
根据本发明的一个实施例，在所述触发电极侧面螺孔与前端盲孔的连接处设置三角形密封槽，并配有O型圈，通过所述尼龙套筒14前端的挤压完成对等离子体喷射腔的密封。
根据本发明的一个实施例，在所述尼龙套筒14尾部设置有密封槽，通过O型圈与针电极螺母15实现密封。
根据本发明的一个实施例，2个主电极5和触发电极6的表面粗糙度都为0.1－0.8μm，主间隙电场不均匀系数为1.2－1.3。壳体为直径与高度之比为1.2:1的圆柱体。其中，触发电极还包括图1B中的通气孔17、喷射孔18、矩形密封圈19、尼龙套筒密封圈20。
根据本发明的一个实施例，在上壳体1或下壳体2上设置管锥螺纹气孔10，用于固定充放气嘴。壳体内部的工作气体介质包括：空气、N2、SF6和SF6-N2混合气体，气压为0.1MPa-0.5MPa。
根据本发明的一个实施例，2个主电极5和触发电极6的材质包括：不锈钢、铜和铜钨合金。上壳体1和下壳体2的材质包括：有机玻璃和尼龙。
本发明的多通道气体火花开关的外绝缘适用于变压器油环境，在空气中也能耐受较高的电压。开关腔体的内表面经过仔细的设计，包括多种圆弧配合形成的波纹结构，增加从主电极到触发电极的沿面距离，从而能够保证沿面闪络电压高于放电间隙的击穿电压。
本发明的多通道气体火花开关具有两种触发方式：
1、将触发电压加至触发电极，所有的针电极通过电阻或电感接地。
2、将触发电压同时加至每个针电极，触发电极通过电阻或电感接地亦或悬浮。
这两种触发方式均能实现多通道等离子体喷射，触发脉冲极性和主电极极性也可分为两种配合，若主电极（上）极性为正，触发电极极性为负，则喷射孔对应间隙首先击穿，另一侧间隙在过压作用下实现多通道放电。另一种是触发电极极性为正，则喷射孔对应的间隙后击穿，在过电压和等离子体喷射综合作用下形成多通道放电。
本发明的多通道气体火花开关，外观呈现紧凑的同轴结构，通过等离子体喷射在触发间隙中注入了丰富的初始电子，减少了放电延时，并在多个喷射孔的周围诱发多通道放电的形成，进一步减少放电产生的火花电感，同时也减少电极烧蚀，延长了开关的寿命。此外基于这种工作原理，使开关能够工作在较低的工作电压条件下，且保证较高的触发特性。
可能以许多方式来实现本发明的方法和系统。例如，可通过软件、硬件、固件或者软件、硬件、固件的任何组合来实现本发明的方法和系统。用于方法的步骤的上述顺序仅是为了进行说明，本发明的方法的步骤不限于以上具体描述的顺序，除非以其它方式特别说明。此外，在一些实施例中，还可将本发明实施为记录在记录介质中的程序，这些程序包括用于实现根据本发明的方法的机器可读指令。因而，本发明还覆盖存储用于执行根据本发明的方法的程序的记录介质。
本发明的描述是为了示例和描述起见而给出的，而并不是无遗漏的或者将本发明限于所公开的形式。很多修改和变化对于本领域的普通技术人员而言是显然的。选择和描述实施例是为了更好说明本发明的原理和实际应用，并且使本领域的普通技术人员能够理解本发明从而设计适于特定用途的带有各种修改的各种实施例。
Claims (10)
1.一种多通道气体火花开关，其特征在于，包括：
上壳体(1)、下壳体(2)、2个主电极(5)、2个主电极连接杆(4)、2个主电极固定螺母(3)、触发电极(6)、触发电极连接杆(21)和针电极(12)；
所述上壳体(1)和所述下壳体(2)扣合形成壳体；所述2个主电极(5)设置在所述壳体的内部；所述2个主电极连接杆(4)分别通过在所述上壳体(1)和所述下壳体(2)上设置的通孔，并且，所述2个主电极连接杆(4)的一端分别与所述2个主电极(5)固定连接，所述2个主电极连接杆(4)的另一端设置在所述壳体的外部，分别与设置在所述壳体外部的2个主电极固定螺母(3)螺纹连接；
所述触发电极(6)设置在所述壳体内部，并位于所述2个主电极(5)之间，将所述壳体内部空间分为2个火花隙；所述触发电极(4)为具有中心通孔的圆盘形结构；在所述触发电极(6)的侧面均布有螺孔，所述螺孔的前端是孔径稍小的盲孔，并且在所述触发电极(6)的一个端面上设置与所述盲孔的底部贯通的喷射孔；所述针电极(12)设置在所述盲孔中；
其中，所述盲孔内部作为等离子体喷射腔，所述针电极(12)插入所述等离子体喷射腔内部，与所述触发电极(6)放电在所述等离子体喷射腔中产生等离子体，所述等离子体能够通过所述喷射孔进入到1个火花隙中；
所述触发电极(6)设有所述触发电极连接杆(21)，所述触发电极连接杆(21)的一端通过在所述上壳体(1)或所述下壳体(2)上设置的通孔，设置在所述壳体的外部。
2.如权利要求1所述的开关，其特征在于：
包括：陶瓷管(13)、针电极(12)、尼龙套筒(14)和针电极固定螺母(15)；
所述针电极(12)插在所述陶瓷管(13)内，所述陶瓷管(13)设置在所述尼龙套筒(14)的内部；所述尼龙套筒(14)与所述触发电极侧面的螺孔固定连接，并且，所述尼龙套筒(14)的一端通过在所述上壳体(1)或所述下壳体(2)上设置的通孔，设置在所述壳体的外部；
所述针电极(12)为柱状；所述针电极(12)的一端为半球状，用于与所述触发电极(6)放电，另一端伸出所述尼龙套筒(14)，并与设置在所述壳体外部的所述针电极固定螺母(15)螺纹连接。
3.如权利要求2所述的开关，其特征在于：
在所述触发电极(6)的侧面均匀地设置多个盲孔，并且在所述触发电极(6)的一个端面上设置与每个所述盲孔的底部贯通的一个或多个喷射孔；
与所述多个盲孔一一对应的所述针电极(12)分别设置在对应的所述盲孔中。
4.如权利要求3所述的开关，其特征在于：
在所述触发电极(6)的端面上设置一个或多个通孔；
设置在所述壳体外部的所述触发电极连接杆(21)的一端与球形螺帽螺纹连接；
所述针电极固定螺母(15)的一端与球形螺帽(16)螺纹连接。
5.如权利要求4所述的开关，其特征在于：
所述2个主电极(1)为圆盘结构；所述2个主电极(1)都设置于所述壳体的中轴。
6.如权利要求5所述的开关，其特征在于：
在所述2个主电极连接杆(2)上都设置密封槽，在所述密封槽中都设置O型圈，并通过所述O型圈分别与在所述上壳体(1)、所述下壳体(2)密封连接。
7.如权利要求6所述的开关，其特征在于：
在所述触发电极侧面的螺孔与前端盲孔的连接处设置三角形密封槽，在三角形密封槽中设置O型圈；所述尼龙套筒(14)前端挤压O型圈，实现对等离子体喷射腔的密封。
8.如权利要求6所述的开关，其特征在于：
在所述尼龙套筒(14)尾部设置密封槽，在密封槽中设置O型圈，通过O型圈与所述针电极固定螺母(15)密封连接。
9.如权利要求1至8任意一项所述的开关，其特征在于：
所述2个主电极(5)和所述触发电极(6)的表面粗糙度都为0.1－0.8μm，主间隙电场不均匀系数为1.2－1.3；
所述壳体为直径与高度之比为1.2:1的圆柱体。
10.如权利要求1至8任意一项所述的开关，其特征在于：
在所述上壳体(1)或所述下壳体(2)上设置管锥螺纹气孔；
所述壳体内部的工作气体介质的气压为0.1MPa-0.5MPa。
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