CN103490283A - 多间隙并联的方形气体开关及包含该开关的放电回路 - Google Patents

Abstract

本发明一种多间隙并联的方形低电感气体开关，包括外壳、上电极、下电极、触发电极、触发引入杆、气嘴接口；还包括上连接板和下连接板；外壳为方形绝缘壳体；上电极和下电极均为多个结构相同的电极，分别对称分布在方形绝缘壳体的上底面和下底面；触发电极为平板状，设置在方形绝缘壳体中部且与方形绝缘壳体的上底面平齐；触发电极上设置有与上电极一一对应的圆孔；触发引入杆设置在方形绝缘壳体的前面板上且与触发电极电连接；气嘴接口设置在方形绝缘壳体上。气体开关由多个电极对构成多个间隙，间隙之间电极连接结构存在固有电感，有利于间隙并联形成多通道放电，减小了开关火花电感，同时延长了气体开关的使用寿命。

Description

多间隙并联的方形气体开关及包含该开关的放电回路

技术领域

本发明涉及一种气体火花开关及包含该开关的放电回路，其主要特点是采用多个间隙并联以实现多通道放电，开关与电容器连接紧凑，有利于减小放电回路电感，在脉冲功率技术领域特别是快放电直线型变压器驱动源（FLTD）有广泛应用前景。

背景技术

开关是脉冲功率装置的核心器件之一，气体开关具有工作电压高、传导电流大、触发响应快、触发抖动低、造价低等优点，在脉冲功率技术领域和高压电工技术领域有广泛应用。

近几年为了满足快放电直线型变压器驱动源的需要国内外已研制了多种结构的直流耐压、电脉冲触发的气体开关。FLTD常用的开关结构为多间隙串联气体火花开关（周良骥，邓建军，陈林等.1MA直线型变压器驱动源模块设计[J].强激光与粒子束,22（3）：465。孙铁平，丛培天等.快前沿直线脉冲变压器驱动源多间隙气体开关[J].强激光与粒子束，22（7）：1674。姜晓峰，孙凤举，梁天学等.一种多间隙气体开关击穿特性的实验研究[J].高电压技术,2009(01):103-107）。该开关主要由2个外电极和3到5个中间环形电极构成。通过支撑结构使各电极平行叠放以形成4到6个结构相同的5mm气体间隙。这种开关具有工作气压低，触发阈值低和可形成多通道放电等优点。但是由于开关含有较多的电极且电极为环形结构，电极支撑结构复杂，导致开关体积大，放电回路电感大。为了减小放电回路电感，西北核技术研究所研制了±100kV三电极场畸变气体火花开关（魏浩，孙凤举，刘鹏等.±100kV三电极场畸变气体火花开关[J].强激光与粒子束,24（4）：881）。开关主要由两个平球头高压电极与一个圆盘触发电极构成。开关结构简单，安装方便，体积小，开关电感较低；但是开关不能形成多个放电通道，不利于减少电极烧蚀和降低开关电感。此外多间隙气体开关和三电极气体开关外形结构为圆柱体形状，而脉冲电容器为长方体形状，开关与电容器连接不紧凑，开关放电通道离电容器电极有较大距离，放电回路电感较大，导致驱动源输出前沿缓，效率低。

发明内容

本发明目的之一在于提供一种多间隙并联的方形低电感气体开关，其能够与脉冲电容器连接紧凑且放电电感小。

本发明目的之二在于提供一种包含该开关的放电回路，其结构紧凑且放电电感小。

一种多间隙并联的方形低电感气体开关，包括外壳、上电极、下电极、触发电极、触发引入杆、气嘴接口；其特殊之处在于：

还包括上连接板和下连接板；所述外壳为方形绝缘壳体；所述上电极和下电极均为多个结构相同的电极，分别对称分布在方形绝缘壳体的上底面和下底面；所述触发电极为平板状，设置在方形绝缘壳体中部且与方形绝缘壳体的上底面平齐；所述触发电极上设置有与上电极一一对应的圆孔；所述触发引入杆设置在方形绝缘壳体的前面板上且与触发电极电连接；所述气嘴接口设置在方形绝缘壳体上；所述上连接板与多个上电极电连接，所述下连接板与多个下电极电连接。

上述上电极和下电极的放电端的截面为半圆截面或者半椭圆截面。

上述绝缘盒后面板外表面与触发电极相对应的位置设置有长条形突起。

上述方形绝缘壳体由绝缘盒和两端的绝缘盖密封连接而成。

上述上电极、下电极、触发电极和触发引入杆由铜、铜钨合金或者不锈钢材料制成；方形绝缘壳体由绝缘材料制成；上连接板和下连接板由黄铜制成。

一种包含间隙并联的方形低电感气体开关的放电回路，其特殊之处在于：包括多间隙并联的方形低电感气体开关、上电容器、垫板和下电容器；所述方形低电感气体开关包括外壳、上电极、下电极、触发电极、触发引入杆、气嘴接口、上连接板和下连接板；所述外壳为方形绝缘壳体；所述上电极和下电极均为多个结构相同的电极，分别对称分布在方形绝缘壳体的上底面和下底面；所述触发电极为平板状，设置在方形绝缘壳体中部且与方形绝缘壳体的上底面平齐；所述触发电极上设置有与上电极一一对应的圆孔；所述触发引入杆设置在方形绝缘壳体的前面板上且与触发电极电连接；所述气嘴接口设置在方形绝缘壳体上；所述上连接板与多个上电极电连接，所述下连接板与多个下电极电连接；所述上电容器、垫板和下电容器依次叠放且位于方形绝缘壳体的后面板处；所述上电容器与上连接板电连接；所述下电容器与下连接板电连接。

上述上电极和下电极的放电端的截面为半圆截面或者半椭圆截面。

上述绝缘盒后面板外表面与触发电极相对应的位置设置有长条形突起；所述上连接板和下电容器分别位于突起的上下两侧。

上述方形绝缘壳体由绝缘盒和两端的绝缘盖密封连接而成。

上述上电极、下电极、触发电极和触发引入杆由铜、铜钨合金或者不锈钢材料制成；方形绝缘壳体由绝缘材料制成；上连接板和下连接板由黄铜制成。

本发明的有益效果是：

1、气体开关由多个电极对构成多个间隙，间隙之间电极连接结构存在固有电感，有利于间隙并联形成多通道放电，减小了开关火花电感，同时延长了气体开关的使用寿命。

2、气体开关外形为长方体形，放电电极呈直线排布，在满足绝缘要求的情况下可减小开关放电通道离电容器的距离，以减小放电回路电感。

3、气体开关绝缘盒外壁有突起，增加了开关沿面距离，可以防止开关在耐受高电压的时候发生沿面闪络。

4、开关触发电极在各间隙对应区域开有倒角的圆孔，有利于提高开关击穿性能，同时该圆孔还作为开关充换气的通道。

附图说明

图1是本发明气体开关的纵剖面结构图。

图2是本发明气体开关的正视图。

图3是本发明气体开关的侧视图。

图4为本发明包含开关的放电回路的示意图。

图中：1-上电极，2-下电极，3-触发电极，4-绝缘盒，41-突起，5-绝缘盖，6-触发引入杆，7-上连接板，8-下连接板，9-绝缘螺钉，10-气嘴，11-上电容器，12-下电容器，13-垫板。

具体实施方式

本发明涉及一种气体开关。开关包括多个上电极、多个下电极，触发电极，绝缘盒，两个绝缘盖、触发引入杆、上连接板、下连接板、绝缘螺钉等。

上电极和下电极结构相同，呈对称设置，上电极的下部和下电极的上部为电极放电端，电极放电端的截面为半圆截面或者半椭圆截面。上电极的上部和下电极的下部有螺纹孔。

上下电极置于绝缘盒内，上下连接板置于绝缘盒外。绝缘盒截面为长方形。绝缘盒上下表面分别开有呈直线均匀排布的圆孔。各对电极的螺纹孔与圆孔对应，上电极和上连接板通过螺钉固定在绝缘盒上部对应的圆孔上，下电极和下连接板通过螺钉固定在绝缘盒下部对应的圆孔上。绝缘盒两侧内表面上下电极对称轴位置有凹槽，用来固定触发电极。触发电极为平板形状，位于上下电极的对称轴上。触发电极开有圆孔，每个孔对应一对上下电极。圆孔经过倒角处理。绝缘盒一侧外表面对称轴位置有突起用来增加开关沿面绝缘距离，另一侧外表面中心位置开有圆孔，触发引入杆通过圆孔与触发电极连接。

绝缘盖通过绝缘螺钉固定在绝缘盒两端，绝缘盖上有气嘴接口，用来连接气管进行开关的充气和放气。

上电极、下电极、触发电极和触发引入杆由铜、铜钨合金或者不锈钢等耐烧蚀金属材料制成。

绝缘盒和绝缘盖由有机玻璃或者尼龙等绝缘材料制成。

上连接板和下连接板由黄铜等金属材料制成。

下面结合附图与实施例对本发明进一步说明。

如图1、图2、图3所示。本发明的气体开关包含3个上电极1，3个下电极2，触发电极3，绝缘盒4，两个绝缘盖5，触发引入杆6，上连接板7，下连接板8，绝缘螺钉9和气嘴10等。

上电极和下电极结构相同，直径24mm，高度15mm，呈对称设置，上电极的下部和下电极的上部为电极放电端，放电端倒角半径为10mm。上下电极1、2置于绝缘盒4内，上下连接板7、8置于绝缘盒4外。绝缘盒4上下表面分别开有呈直线均匀排列的圆孔。各对电极的螺纹孔与圆孔对应，上电极1和上连接板7通过金属螺钉固定在绝缘盒上部对应的圆孔上，下电极2和下连接板8通过金属螺钉固定在绝缘盒下部对应的圆孔上。

绝缘盒4两侧内表面上下电极对称轴位置两端有宽6mm深1mm的凹槽，用来固定触发电极3。触发电极3为平板形状，厚度为6mm，插接在绝缘盒4的凹槽内。触发电极3开有3个圆孔，每个孔对应一对上下电极。绝缘盒一侧外表面对称轴位置有20mm长，8mm宽的突起用来增加开关沿面绝缘距离，另一侧外表面中心位置开有圆孔，触发引入杆6通过圆孔与触发电极3连接。触发电极3与上、下电极1、2的间隙均为5mm。

绝缘盖5上有螺纹孔用来固定气嘴10。两个绝缘盖5分别通过绝缘螺钉9固定在绝缘盒4的两端，一端绝缘盖上的气嘴连接开关上半部分的气腔，另一端绝缘盖上的气嘴连接开关下半部分的气腔，使开关可以有效的充气和放气。

在本实施方式中，气体开关连接电容器构成的放电回路的示意图如图4所示。一个气体开关分别与两个电容器相连接，两电容器另一端接负载。气体开关带有绝缘突起的一侧靠近电容器，绝缘突起插入两个电容器之间用来阻挡电容器电极之间的沿面闪络，开关上连接板7连接上电容器11的高压电极，开关下连接板8连接下电容器12的高压电极。两个电容器呈上下对称布置，中间紧贴着绝缘垫板13。

本实施例的气体开关最高工作电压为±100kV，上连接板7连接正极性电压，下连接板8连接负极性电压。采用幅值为100kV的高压快脉冲进行触发。工作介质可采用六氟化硫气体、氮气或是二者的混合。

本发明的工作过程如下：在工作时，开关两端分别施加±100kV直流高压，各个并联间隙同时耐受200kV的电压。此时触发电极处于上电极和下电极对称轴位置，触发电极电势为零。将前沿25ns，幅值100kV的正高压脉冲施加到触发电极上时，触发电极的电势将变为100kV。触发电极与各个负极性下电极之间的气体间隙电场迅速增加至原来耐受电场的2倍，开关下半部分三个间隙发生击穿放电。由于施加的触发脉冲前沿较快，三个间隙中某一个间隙先击穿导致触发电极电势的变化来不及影响其他间隙流注的发展，各个下电极与触发电极的气体间隙可同时击穿形成多通道放电。开关下半部间隙击穿后，触发电极电势发生翻转与上电极电势差为200kV。由于触发电极开有圆孔，下半部间隙击穿产成紫外照射和有效电子可以对上半部间隙充分作用，开关上半部气体间隙迅速击穿，从而整个开关击穿呈导通状态。

本发明的说明书已经对发明内容给出了充分的说明，各组件的具体参数可以根据实际需求设定，普通技术人员足以通过本发明说明书的内容加以实施。在权利要求的框架下，任何基于本发明思路的改进属于本发明的权利范围。

Claims (10)

1.一种多间隙并联的方形低电感气体开关，包括外壳、上电极、下电极、触发电极、触发引入杆、气嘴接口；其特征在于：

还包括上连接板和下连接板；所述外壳为方形绝缘壳体；所述上电极和下电极均为多个结构相同的电极，分别对称分布在方形绝缘壳体的上底面和下底面；所述触发电极为平板状，设置在方形绝缘壳体中部且与方形绝缘壳体的上底面平齐；所述触发电极上设置有与上电极一一对应的圆孔；所述触发引入杆设置在方形绝缘壳体的前面板上且与触发电极电连接；所述气嘴接口设置在方形绝缘壳体上；所述上连接板与多个上电极电连接，所述下连接板与多个下电极电连接。

2.根据权利要求1所述的多间隙并联的方形低电感气体开关，其特征在于：所述上电极和下电极的放电端的截面为半圆截面或者半椭圆截面。

3.根据权利要求1或2所述的多间隙并联的方形低电感气体开关，其特征在于：所述绝缘盒后面板外表面与触发电极相对应的位置设置有长条形突起。

4.根据权利要求3所述的多间隙并联的方形低电感气体开关，其特征在于：所述方形绝缘壳体由绝缘盒和两端的绝缘盖密封连接而成。

5.根据权利要求4所述的多间隙并联的方形低电感气体开关，其特征在于：所述上电极、下电极、触发电极和触发引入杆由铜、铜钨合金或者不锈钢材料制成；方形绝缘壳体由绝缘材料制成；上连接板和下连接板由黄铜制成。

6.一种包含间隙并联的方形低电感气体开关的放电回路，其特征在于：包括多间隙并联的方形低电感气体开关、上电容器、垫板和下电容器；所述方形低电感气体开关包括外壳、上电极、下电极、触发电极、触发引入杆、气嘴接口、上连接板和下连接板；所述外壳为方形绝缘壳体；所述上电极和下电极均为多个结构相同的电极，分别对称分布在方形绝缘壳体的上底面和下底面；所述触发电极为平板状，设置在方形绝缘壳体中部且与方形绝缘壳体的上底面平齐；所述触发电极上设置有与上电极一一对应的圆孔；所述触发引入杆设置在方形绝缘壳体的前面板上且与触发电极电连接；所述气嘴接口设置在方形绝缘壳体上；所述上连接板与多个上电极电连接，所述下连接板与多个下电极电连接；所述上电容器、垫板和下电容器依次叠放且位于方形绝缘壳体的后面板处；所述上电容器与上连接板电连接；所述下电容器与下连接板电连接。

7.根据权利要求6所述的包含间隙并联的方形低电感气体开关的放电回路，其特征在于：所述上电极和下电极的放电端的截面为半圆截面或者半椭圆截面。

8.根据权利要求6或7所述的包含间隙并联的方形低电感气体开关的放电回路，其特征在于：所述绝缘盒后面板外表面与触发电极相对应的位置设置有长条形突起；所述上连接板和下电容器分别位于突起的上下两侧。

9.根据权利要求8所述的包含间隙并联的方形低电感气体开关的放电回路，其特征在于：所述方形绝缘壳体由绝缘盒和两端的绝缘盖密封连接而成。

10.根据权利要求9所述的包含间隙并联的方形低电感气体开关的放电回路，其特征在于：所述上电极、下电极、触发电极和触发引入杆由铜、铜钨合金或者不锈钢材料制成；方形绝缘壳体由绝缘材料制成；上连接板和下连接板由黄铜制成。

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