CN103560773B - 一种双极性触发型多棒极真空触发开关 - Google Patents
一种双极性触发型多棒极真空触发开关 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种触发型多棒极真空触发开关，包括密闭壳体；密闭壳体由绝缘外壳及设置在绝缘外壳两端的阴极法兰和阳极法兰构成；密闭壳体的两端分别设有阴极和阳极，阴极和阳极结构相同，均包括电极底柱、电极平台和设置于电极平台上的多个棒状电极，阴极的棒状电极与阳极的棒状电极相向延伸且相互交错排列，相邻棒状电极的间隙宽度相等，且该间隙宽度与棒状电极顶端到相对的电极平台的间隙宽度相等；阴极和阳极中分别设有阴极触发结构和阳极触发结构。该开关可以保证无论主间隙的电压为何种极性，都能够稳定触发，能满足电力系统工频电压下的应用要求，通流能力更高，寿命更长，且不易发生自击穿。
Description
技术领域
本发明属于脉冲功率技术领域，更具体地，涉及一种双极性触发型多棒极真空触发开关。
背景技术
真空触发开关是利用真空作为主间隙绝缘与灭弧介质，通过外在的触发电路提供触发信号来控制导通的一种闭合开关。真空开关的触发方式往往是单极性触发，即触发极与阴极安装在一起，这是因为真空触发开关主要应用于脉冲功率系统，开关主电极上所加电压一般为单极性的，而电力系统工频电压存在正负两个半波，所以真空触发开关在电力系统中应用比较少。
目前，将传统的单极性真空触发开关(默认触发极位于阴极中心)用于电力系统，主要存在以下问题：(1)当开关主间隙两端为正半波时，开关能够稳定触发，而当开关主间隙两端为负半波时，开关难以稳定触发；(2)开关熄弧后，主电极两端由于烧蚀，使工频击穿电压降低，导致开关容易发生自击穿；(3)由于只有一个触发极参与工作，主间隙导通时金属蒸汽的沉积会使沿面短路，以至于无法正常触发，触发极的寿命会缩短；(4)由于触发极触发时产生的初始等离子体的扩散过程受到开关内部电场的限制，而开关主电极的烧蚀往往集中在初始等离子体浓度最高的区域，所以开关的寿命会因为主电极的烧蚀变短。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种双极性触发型多棒极真空触发开关，可以保证无论主间隙的电压为何种极性，都能够稳定触发，产生初始等离子体的区域更加分散，主电极的烧蚀区域更加均匀，通流能力更高，寿命更长,棒极间电场更加均匀，从而在真空触发开关熄弧后，棒极间的工频耐压水平较高，不会发生自击穿。
为实现上述目的，本发明提供了一种触发型多棒极真空触发开关，其特征在于，包括密闭壳体；所述密闭壳体由绝缘外壳及设置在所述绝缘外壳两端的阴极法兰和阳极法兰构成；所述密闭壳体的两端分别设有阴极和阳极，所述阴极和所述阳极的结构相同，均包括电极底柱、电极平台和设置于所述电极平台上的多个棒状电极，所述阴极的棒状电极与所述阳极的棒状电极相向延伸且相互交错排列，相邻棒状电极的间隙宽度相等，且该间隙宽度与棒状电极顶端到相对的电极平台的间隙宽度相等，相邻棒状电极的间隙和棒状电极顶端到相对的电极平台的间隙构成主放电间隙；所述阴极和所述阳极中分别设有阴极触发结构和阳极触发结构。
优选地，所述电极平台为中空的倒圆台形，所述阴极的棒状电极与所述阳极的棒状电极分别在各自对应的电极平台上沿圆周排列。
优选地，所述阴极触发结构或所述阳极触发结构由辅助电极、陶瓷管和触发极构成；所述辅助电极为圆环状，固定在所述电极平台的中空部分上端凹口内，与所述电极平台紧密连接，所述陶瓷管固定在所述电极平台的中空部分，位于所述辅助电极的下方，与所述辅助电极和所述电极平台紧密连接，所述陶瓷管的内壁靠近所述辅助电极的一段，其内径沿所述辅助电极方向逐渐增大，构成所述陶瓷管的触发沿面，所述触发极的轴截面呈T型，头部固定在所述陶瓷管内触发沿面下方，与所述陶瓷管紧密连接，触发极杆穿过所述电极底柱延伸至电极法兰之外，与电极法兰保持绝缘。
优选地，所述陶瓷管的触发沿面长度为0.5～0.6mm。
优选地，所述陶瓷管的触发沿面表面涂釉。
优选地，所述棒状电极顶部的所有边缘都采用倒角处理。
优选地，所述倒角半径为3～5mm。
优选地，所述主放电间隙的距离优选为10～15mm。
优选地，所述绝缘外壳的表面为波纹状。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，具有以下有益效果：
1、采用双极性的触发极设置，可以保证无论主间隙的电压为何种极性，都能够稳定触发，满足电力系统工频电压下的应用要求。
2、在多次导通过程中，两个触发极都能参与触发，产生初始等离子体的区域会更加分散，从而使主电极的烧蚀区域更加均匀，通流能力更高，寿命更长。
3、棒状电极顶部的所有边缘都采用倒角处理，使棒极间电场更加均匀，从而在真空触发开关熄弧后，棒极间的工频耐压水平更高，不易发生自击穿。
4、能与电力系统中的断路器并联使用。当断路器需要闭合时，真空触发开关迅速被触发导通，承载闭合回路的电流，同时断路器开始闭合，此时回路中的电流由真空触发开关承受，真空触发开关熄弧以后，由断路器承载回路电流，这种两种开关配合使用的工况可以减少断路器触头的烧蚀。
附图说明
图1是本发明实施例的双极性触发型多棒极真空触发开关的结构示意图；
图2是图1所示的双极性触发型多棒极真空触发开关沿A-A线的剖视图；
图3为棒状电极顶部示意图。
图1中：1-阴极，2-阳极，3-阳极平台，4-阳极底柱，5-辅助阳极，6-陶瓷管，7-阳极触发极，8-阴极法兰，9-阳极法兰，10-屏蔽罩，11-绝缘外壳。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。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，本发明实施例的双极性触发型多棒极真空触发开关包括密闭壳体和设于所述密闭壳体内壁的屏蔽罩10。密闭壳体由绝缘外壳11及设置在绝缘外壳11两端的阴极法兰8和阳极法兰9构成，密闭壳体内的气压为10-3～10-5Pa。屏蔽罩10用于防止开关导通时金属蒸汽沉积在绝缘外壳11的内壁，使内壁发生闪络，还能改善开关内部的电场分布。绝缘外壳11的表面为波纹状，可以增加绝缘材料的沿面长度，达到增加绝缘强度的目的。
密闭壳体的两端分别设有阴极1和阳极2，阴极1和阳极2分别通过阴极法兰8和阳极法兰9固定在密闭壳体上。阳极2包括阳极底柱4、阳极平台3和设置于阳极平台3上的三个棒状电极2A、2B和2C。阳极底柱4为圆筒形，固定在阳极法兰9上，阳极平台3为中空的倒圆台形，固定在阳极底柱4上。三个棒状电极2A、2B和2C竖立在阳极平台3上，且周向等弧距分布，如图2所示，其横截面近似为梯形。
阴极1包括阴极底柱、阴极平台和设置于阴极平台上的三个棒状电极1A、1B和1C。阴极1和阳极2的结构完全相同，阴极底柱固定在阴极法兰8上。如图2所示，阴极1的三个棒状电极1A、1B和1C和阳极2的三个棒状电极2A、2B和2C相向延伸且相互交错排列。相邻棒状电极的间隙宽度相等，且该间隙宽度与棒状电极顶端到相对的电极平台的间隙宽度相等。相邻棒状电极的间隙和棒状电极顶端到相对的电极平台的间隙构成主放电间隙，主放电间隙的距离优选为10～15mm，可以延长主电极的使用寿命。
阳极触发结构由辅助阳极5、陶瓷管6和阳极触发极7构成。其中，辅助阳极5为圆环状，固定在阳极平台3的中空部分上端凹口内，与阳极平台3紧密连接。陶瓷管6固定在阳极平台3的中空部分，位于辅助阳极5的下方，与辅助阳极5和阳极平台3紧密连接。陶瓷管6的内壁靠近辅助阳极5的一段为“敞口”结构，即内径沿辅助阳极5的方向逐渐增大，构成陶瓷管6的触发沿面。阳极触发极7的轴截面呈T型，触发极头部固定在陶瓷管6内触发沿面下方，与陶瓷管6紧密连接，触发极杆穿过阳极底柱4延伸至阳极法兰9之外，与阳极法兰9保持绝缘。
阴极触发结构由辅助阴极、陶瓷管和阴极触发极构成，阴极触发结构的设置与阳极触发结构完全相同，在此不再赘述。
开关的工作状态有两种情况：当开关两端所承受的电压为正极性时(工频电压的正半周，此时阳极为低电位，阴极为高电位)，通过控制外部回路使阳极触发极7导通，辅助阳极5与阳极触发极7间的电位差使陶瓷管6发生沿面闪络，从而产生初始等离子体。等离子体在电场的作用下，正电荷向阴极运动，负电荷向阳极运动。电荷在和电极表面碰撞的过程中，产生新的等离子体，新的等离子体在电场的作用下定向运动，形成电流，使主间隙击穿。而当开关两端承受的电压为负极性时(工频电压的负半周，此时阳极为高电位，阴极为低电位)，则通过控制外部回路使阴极触发极导通，工作机理同上。
优选地，参与沿面闪络的陶瓷管的触发沿面长度为0.5～0.6mm，以保证陶瓷沿面能在20kV以下的脉冲电压下稳定触发。
优选地，辅助阴极、辅助阳极、阴极触发极和阳极触发极由耐高温、耐烧蚀的金属钼制成。
优选地，阴极和阳极由耐烧蚀的铜铬合金制成。
优选地，陶瓷管的触发沿面表面涂釉，可以极大减小触发能量，使触发沿面能够在较小的能量下稳定触发，且在触发时产生丰富的等离子体。
优选地，阴极法兰和阳极法兰采用导电性能好且耐高温的无氧铜制成。
优选地，绝缘外壳由陶瓷制成。
优选地，棒状电极顶部的所有边缘都采用倒角处理，如图3所示，倒角半径为3～5mm，使棒极间电场更加均匀，真空触发开关熄弧后，棒极间的工频耐压水平更高，不会发生自击穿。
本发明的触发型多棒极真空触发开关采用双极性的触发极设置，可以保证无论主间隙的电压为何种极性，都能够稳定触发，满足电力系统工频电压下的应用要求；主电极的烧蚀区域更加均匀，通流能力更高，寿命更长；能与电力系统中的断路器并联使用，可以减少断路器触头的烧蚀。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (6)
1.一种触发型多棒极真空触发开关，其特征在于，包括密闭壳体；
所述密闭壳体由绝缘外壳(11)及设置在所述绝缘外壳(11)两端的阴极法兰(8)和阳极法兰(9)构成；
所述密闭壳体的两端分别设有阴极(1)和阳极(2)，所述阴极(1)和所述阳极(2)的结构相同，均包括电极底柱、电极平台和设置于所述电极平台上的多个棒状电极，所述电极平台为中空的倒圆台形，所述阴极(1)的棒状电极与所述阳极(2)的棒状电极分别在各自对应的电极平台上沿圆周排列，所述阴极(1)的棒状电极与所述阳极(2)的棒状电极相向延伸且相互交错排列，相邻棒状电极的间隙宽度相等，且该间隙宽度与棒状电极顶端到相对的电极平台的间隙宽度相等，相邻棒状电极的间隙和棒状电极顶端到相对的电极平台的间隙构成主放电间隙；
所述阴极(1)和所述阳极(2)中分别设有阴极触发结构和阳极触发结构，所述阴极触发结构或所述阳极触发结构由辅助电极、陶瓷管和触发极构成；所述辅助电极为圆环状，固定在所述电极平台的中空部分上端凹口内，与所述电极平台紧密连接；所述陶瓷管固定在所述电极平台的中空部分，位于所述辅助电极的下方，与所述辅助电极和所述电极平台紧密连接，所述陶瓷管的内壁靠近所述辅助电极的一段，其内径沿所述辅助电极方向逐渐增大，构成所述陶瓷管的触发沿面，所述陶瓷管的触发沿面表面涂釉；所述触发极的轴截面呈T型，头部固定在所述陶瓷管内触发沿面下方，与所述陶瓷管紧密连接，触发极杆穿过所述电极底柱延伸至电极法兰之外，与电极法兰保持绝缘。
2.如权利要求1所述的触发型多棒极真空触发开关，其特征在于，所述陶瓷管的触发沿面长度为0.5～0.6mm。
3.如权利要求1或2所述的触发型多棒极真空触发开关，其特征在于，所述棒状电极顶部的所有边缘都采用倒角处理。
4.如权利要求3所述的触发型多棒极真空触发开关，其特征在于，所述倒角半径为3～5mm。
5.如权利要求1或2所述的触发型多棒极真空触发开关，其特征在于，所述主放电间隙的距离为10～15mm。
6.如权利要求1或2所述的触发型多棒极真空触发开关，其特征在于，所述绝缘外壳(11)的表面为波纹状。
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