CN104617491B - 一种沿面击穿型两对棒极结构触发真空开关 - Google Patents
一种沿面击穿型两对棒极结构触发真空开关 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种沿面击穿型两对棒极结构触发真空开关；触发真空开关采用三段式结构，包括上段波纹状陶瓷外壳，下段波纹状陶瓷外壳，中段金属屏蔽罩，设置在金属屏蔽罩内的上电极和下电极，触发电极，上电极金属连杆，上电极法兰盘，下电极金属连杆以及下电极法兰盘；上电极法兰盘与上段波纹状陶瓷外壳连接，下电极法兰盘与下段波纹状陶瓷外壳连接，再与金属屏蔽罩共同构成密闭壳体；通过上段波纹状陶瓷外壳连接上电极法兰盘，以及通过下段波纹状陶瓷外壳连接下电极法兰盘能有效提高上电极法兰盘与下电极法兰盘之间的爬电距离。本发明工作电压高，燃弧面积大，导通过程的转移库仑量高，大电流下工作寿命长，电极烧蚀程度均匀，熄弧后工频耐压水平高。
Description
技术领域
本发明属于高电压电工电器技术领域，更具体地，涉及一种沿面触发型两对棒极结构触发真空开关。
背景技术
触发真空开关是利用真空作为阴阳极间的主间隙绝缘介质和灭弧介质，并采用特殊设计的触发电极控制开关闭合。随着脉冲功率技术的发展，要求与其配套的大功率开关能在高电压、大电流下工作，且能在触发能量较小的情况下稳定、多次触发。设备传统的触发真空开关采用的主电极结构多为平板电极或者多棒电极结构，触发极结构主要有两种：沿面触发型和场击穿型。
目前传统的触发真空开关存在下列问题：(1)开关工作电压多为10kV中低压领域；(2)在通过大电流时，大电流的电弧可以等效成多根通有同向电流的导体，而通有同向电流的导体之间会相吸引，导致整个弧柱收缩，而弧柱的收缩会使电极的烧蚀加剧；(3)在大电流下工作多次后，电弧产生金属等离子体会沉积在触发沿面上导致开关寿命降低。
例如电工技术学报第24卷第11期的《多棒极型触发真空开关触发特性》的图1所示的TVS电极结构，为了便于触发极沿面击穿产生的带电粒子飞向上电极，在上下电极之间产生电弧，瓷环顶面(即触发沿面)直接水平向上，正对上电极设置。但是，正由于其处于下电极中央的凹陷区域内，并且触发沿面水平向上暴露在电弧空间中，电弧产生金属等离子体极易沉积在触发沿面上，轻则降低触发沿面的触发能力，重则导致触发极与辅助阴极短路造成电极开关损坏。
为了解决上述问题，专利CN201310172666.0提供了一种技术方案，如该专利的附图1所示，使用与金属触发极5导通的钼环4覆盖在陶瓷管3的上表面，仅将陶瓷管3的侧面暴露在电弧空间中。根据其[0033]段的记载，侧面涂覆的半导体涂覆层6的轴线方向与间隙电场方向平行，能最大限度降低间隙导通后金属液滴喷溅冷凝上去的概率，从而提高真空开关的寿命。
但是，正由于半导体涂覆层6的轴线方向与间隙电场方向平行，导致其沿面法线方向与间隙电场方向垂直，亦即，带电粒子沿面飞出的方向与间隙电场方向垂直，极易被凹槽7的侧缘阻挡，造成无法飞出凹槽7，降低触发电弧的能力。只有飞出下电极凹槽7的带电粒子，才能如其[0012]段声称的沿着与沿面轴向平行的方向运动。
因此，现有技术难以兼顾电弧导通率与使用寿命。
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沿面触发型两对棒极结构触发真空开关，旨在兼顾电弧导通率的同时解决现有技术中的开关工作电压低，在大电流下工作多次后，电弧产生金属等离子体会沉积在触发沿面上导致开关寿命降低的问题。
本发明提供了一种沿面击穿型两对棒极结构的触发真空开关，触发真空开关采用三段式结构，包括上段波纹状陶瓷外壳，下段波纹状陶瓷外壳，中段金属屏蔽罩，设置在所述金属屏蔽罩内的上电极和下电极，布置在下电极平台中央的触发电极，上电极金属连杆，上电极法兰盘，下电极金属连杆以及下电极法兰盘；所述上电极通过所述上电极金属连杆与所述上电极法兰盘连接；所述下电极通过所述下电极金属连杆与所述下电极法兰盘连接；所述上电极法兰盘与所述上段波纹状陶瓷外壳连接，所述下电极法兰盘与所述下段波纹状陶瓷外壳连接，再与所述金属屏蔽罩共同构成密闭壳体；通过上段波纹状陶瓷外壳连接所述上电极法兰盘，以及通过下段波纹状陶瓷外壳连接所述下电极法兰盘能有效提高所述上电极法兰盘与所述下电极法兰盘之间的爬电距离。
更进一步地，所述上电极包括上电极圆盘和两根棒状电极；所述上电极圆盘通过所述上电极连杆与所述上电极法兰盘连接，两根棒状电极从电极圆盘表面垂直伸出，分布在圆盘电极外沿，彼此互成180度圆心角；棒状电极的截面为近似梯形，边缘处有倒角。
更进一步地，所述上电极的两根棒极与所述下电极的两根棒极交错排列，互成90度圆心角，相邻棒极之间的间隙与棒极顶端到相对电极圆盘之间的间隙距离相等。
更进一步地，所述间隙距离为25mm。
更进一步地，两根棒状电极的材料为铜铬合金。
更进一步地，所述密闭壳体内的气压为10-3Pa～10-5Pa。
更进一步地，所述上电极法兰盘和所述下电极法兰盘的材料为无氧铜。
更进一步地，所述下电极包括下电极圆盘和两根棒状电极；下电极圆盘中央布置有触发电极，所述触发电极包括金属触发极、辅助阴极和陶瓷沿面；所述辅助阴极为圆环状，所述辅助阴极与所述下电极圆盘连接在一起且保持等电位；所述金属触发极通过触发极导杆延伸至下电极法兰盘以外，且与所述下电极法兰盘保持绝缘；通过所述金属触发极与所述辅助阴极之间的电位差，使涂釉的陶瓷沿面发生沿面闪络，从而产生大量初始等离子体。
更进一步地，参与沿面闪络的陶瓷沿面长度为0.5mm～0.6mm。
更进一步地，金属触发极和所述辅助阴极的材料为金属钼。
本发明具有以下技术效果：
(1)加大了主电极之间绝缘距离，达到了25mm，提高了开关耐压水平，使开关可以工作于35kV电压等级。
(2)开关主电极采用两对棒状电极设计结构，能有效增加开关导通时的电弧通道数量及燃弧面积，从而避免了电弧集聚造成的电极烧蚀问题。
(3)电弧通道数量及燃弧面积的增加，使得开关在导通过程的转移库仑量高，且每根棒状电极烧蚀程度均匀。
(4)采用两对棒状电极设计结构使电弧通道分布在棒状电极之间，避免了开关导通过程中金属蒸汽在触发极上的沉积，提高了开关的工作寿命。
(5)棒形电极的边缘采用倒角处理，使棒极间电场更加均匀，从而在触发真空开关熄弧后，棒极间的工频耐压水平较高，不会发生自击穿。
(6)开关采用三段式设计结构，大大减小了陶瓷绝缘外壳的长度和直径，增强了外壳的机械强度并降低了外壳的制作加工难度。
(7)由倾斜的陶瓷沿面直接连接金属触发极的顶面和辅助阴极的顶面，瓷环顶部不再具备平面构造，省去了瓷环顶部的钼环不仅能够降低复杂程度、节约成本，同时仍然能够达到避免带电粒子在瓷环顶部堆积的效果；
(8)陶瓷沿面为斜面，则其法线方向为斜向上，即带电粒子飞出陶瓷沿面的方向为斜向上，更容易在间隙电场作用下飞至上电极，提高电弧导通率；
(9)由于陶瓷沿面为斜面，带电粒子落下后，自然容易落在陶瓷沿面上，但是，正由于陶瓷沿面为斜面，带电粒子会直接沿着斜面下滑滚落至底部，而不会直接在陶瓷沿面上堆积，从而在兼顾电弧导通率的同时，延长使用寿命。
附图说明
图1是本发明触发真空开关的一种具体实施方案的结构示意图。
图2为本发明实施的剖面图。
在所有的附图中，相同的附图标记来表示相同的原件或结构，其中：1-1为上电极法兰盘；1-2为下电极法兰盘；2-1为上段波纹状陶瓷外壳；2-2为下段波纹状陶瓷外壳；3为金属屏蔽罩；4-1为上电极连杆；4-2为下电极连杆；5-1为上电极圆盘；5-2为下电极圆盘；6为上电极(阳极)；7为下电极(阴极)；8为触发电极；9为辅助阴极；10为陶瓷沿面；11为触发极连杆。
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。
本发明的目的是为了提高开关工作电压，将开关运用于35kV电压等级。所设计触发真空开关工作电压高，燃弧面积大，导通过程的转移库仑量高，大电流下工作寿命长，电极烧蚀程度均匀，熄弧后工频耐压水平高。
本发明提供了一种沿面触发型两对棒极结构的触发真空开关，其结构为：上下两段波纹状绝缘陶瓷外壳经中段金属屏蔽罩连接构成三段式结构。阴、阳主电极安装在中段金属屏蔽罩内，经电极连杆分别与电极法兰盘焊接。主电极由电极圆盘和两根棒状极柱构成。电极圆盘为圆台形，两根棒状电极从电极圆盘表面延伸出来，与电极圆盘表面垂直；棒状电极的截面为近似梯形，边缘处有倒角，阴极与阳极的棒形极柱交错排列，每相邻两根极柱的间距相等。触发电极位于阴极的电极圆盘中心，通过触发极连杆与外回路相连。金属触发极通过陶瓷沿面与辅助阴极保持绝缘。陶瓷沿面位于辅助阴极与金属触发极之间，并且与之紧密压接在一起。陶瓷沿面的表面做了涂釉处理用以产生足够的等离子体，使触发沿面只需要较小的能量就能够稳定触发。
本发明提供的真空触发开关，耐压值高，通流能力大，转移库仑量高，通流多次后烧蚀较均匀。工作电压高，燃弧面积大，导通过程的转移库仑量高，大电流下工作寿命长，电极烧蚀程度均匀，熄弧后工频耐压水平高。
如参见图1，本实施例包括上、下两段均匀波纹状陶瓷外壳2-1、2-2和中段金属屏蔽罩3以及设置在金属屏蔽罩3内的上电极(阳极)6与下电极(阴极)7。通过波纹状陶瓷外壳连接上、下两电极法兰盘能有效提高法兰盘之间的爬电距离，防止开关工作过程中发生绝缘闪络。金属屏蔽罩的设置能有效改善开关内部电场的分布，降低了局部高场强区域的电场强度，使电场分布更均匀。上电极经上电极金属连杆4-1与上电极法兰盘1-1焊接在一起，同理下电极经下电极金属连杆4-2与下电极法兰盘1-2焊接在一起。上、下两个电极法兰盘通过上下两段波纹状陶瓷外壳2-1、2-2和金属屏蔽罩4共同构成密闭壳体，密闭壳体内的气压为10-3～10-5Pa。电极法兰盘1-1和1-2采用导电性能好且耐高温的无氧铜作为材料。这样能有效降低开关导通时的电阻，同时防止大电流通过时所产生的热量对法兰盘造成烧蚀。
以上电极(阳极)为例，电极包括上电极圆盘5-1，两根棒状电极6A、6B。如图1、2所示，上电极圆盘5-1经上电极连杆4-1与上电极法兰盘1-1直接焊接在一起；两根棒状电极6A、6B从电极圆盘表面垂直伸出，分布在圆盘电极外沿，彼此互成180度圆心角。上电极(阳极)的两根棒极与下电极(阴极)的两根棒极交错排列，互成90度圆心角，相邻棒极之间的间隙与棒极顶端到相对电极圆盘之间的间隙距离相等，这样可以保证两个间隙之间电场强度基本一致。开关导通时，电弧电流通道将在两个间隙之间随机产生，从而形成多个电弧通道，降低电弧对电极的烧蚀。由于开关要工作于35kV电压等级，为了防止相邻棒极之间与棒极顶端到相对电极圆盘之间发生绝缘击穿，在留有一定绝缘裕度的情况下，通过仿真计算，得到间隙距离优选值为25mm。开关在通过大电流的情况下，为了降低真空电弧对电极的烧蚀，棒极6、7与电极圆盘5的材料优选耐烧蚀的铜铬合金。
下电极(阴极)与上电极(阳极)结构类似，但下电极圆盘5-2中心掏空并在圆盘中央布置有触发电极，触发电极结构主要由金属触发极8、辅助阴极9和陶瓷沿面10构成。其中，辅助阴极9为圆环状，与下电极圆盘5-2焊接在一起保持等电位；金属触发极8通过触发极导杆11延伸至下电极法兰盘1-2以外，与法兰盘保持绝缘。触发极的工作是通过金属触发极8与辅助阴极9之间的电位差，使涂釉的陶瓷沿面10发生沿面闪络，从而产生大量初始等离子体。为了保证开关能够可靠触发，即触发电压电压能可靠击穿陶瓷沿面，且能够产生足够多的初始等离子体，陶瓷沿面的长度不能过长或过短，优选参与沿面闪络的陶瓷沿面长度为0.5mm～0.6mm。为了防止开关流过大电流时对触发极产生烧蚀。优选金属触发极8和辅助阴极9优选耐高温和耐烧蚀的金属钼作为材料。
金属屏蔽罩3主要用于防止开关导通时的金属蒸汽沉积在陶瓷外壳的的内壁，使内壁发生闪络。另外，屏蔽罩的引入可以降低局部高场强区域的电场值，从而改善开关内部电场分布，使电场分布更为均匀，从而开关具有较高的耐压值。
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 (10)
1.一种沿面击穿型两对棒极结构的触发真空开关，其特征在于，所述触发真空开关采用三段式结构，包括：上段波纹状陶瓷外壳(2-1)、下段波纹状陶瓷外壳(2-2)、中段金属屏蔽罩(3)，设置在所述中段金属屏蔽罩(3)内的上电极(6)和下电极(7)，布置在所述下电极(7)的平台中央的触发电极、上电极金属连杆(4-1)、上电极法兰盘(1-1)、下电极金属连杆(4-2)以及下电极法兰盘(1-2)；
所述上电极(6)通过所述上电极金属连杆(4-1)与所述上电极法兰盘(1-1)连接；所述下电极(7)通过所述下电极金属连杆(4-2)与所述下电极法兰盘(1-2)连接；
所述上电极法兰盘(1-1)与所述上段波纹状陶瓷外壳(2-1)连接，所述下电极法兰盘(1-2)与所述下段波纹状陶瓷外壳(2-2)连接，再与所述中段金属屏蔽罩(3)共同构成密闭壳体；
通过所述上段波纹状陶瓷外壳(2-1)连接所述上电极法兰盘(1-1)，以及通过所述下段波纹状陶瓷外壳(2-2)连接所述下电极法兰盘(1-2)能有效提高所述上电极法兰盘(1-1)与所述下电极法兰盘(1-2)之间的爬电距离；其中，
所述触发电极包括金属触发极(8)、辅助阴极(9)和陶瓷沿面(10)；所述陶瓷沿面(10)位于所述辅助阴极(9)与所述金属触发极(8)之间，所述金属触发极(8)通过所述陶瓷沿面(10)与所述辅助阴极(9)保持绝缘；所述金属触发极(8)的顶面高于所述辅助阴极(9)的顶面，且两顶面之间的所述陶瓷沿面(10)为斜面。
2.如权利要求1所述的触发真空开关，其特征在于，所述上电极(6)包括上电极圆盘(5-1)和两根棒状电极(6A、6B)；
所述上电极圆盘(5-1)通过所述上电极连杆(4-1)与所述上电极法兰盘(1-1)连接，两根棒状电极(6A、6B)从电极圆盘表面垂直伸出，分布在圆盘电极外沿，彼此互成180度圆心角；
棒状电极的截面为近似梯形，边缘处有倒角。
3.如权利要求2所述的触发真空开关，其特征在于，所述上电极的两根棒极与所述下电极的两根棒极交错排列，互成90度圆心角，相邻棒极之间的间隙与棒极顶端到相对电极圆盘之间的间隙距离相等。
4.如权利要求3所述的触发真空开关，其特征在于，所述间隙距离为25mm。
5.如权利要求2所述的触发真空开关，其特征在于，两根棒状电极(6A、6B)的材料为铜铬合金。
6.如权利要求1所述的触发真空开关，其特征在于，所述密闭壳体内的气压为10-3Pa～10-5Pa。
7.如权利要求1所述的触发真空开关，其特征在于，所述上电极法兰盘(1-1)和所述下电极法兰盘(1-2)的材料为无氧铜。
8.如权利要求1所述的触发真空开关，其特征在于，所述下电极(7)包括下电极圆盘(5-2)和两根棒状电极；所述下电极圆盘(5-2)中央布置有触发电极，所述触发电极包括金属触发极(8)、辅助阴极(9)和陶瓷沿面(10)；
所述辅助阴极(9)为圆环状，所述辅助阴极(9)与所述下电极圆盘(5-2)连接在一起且保持等电位；
所述金属触发极(8)通过触发极导杆(11)延伸至下电极法兰盘(1-2)以外，且与所述下电极法兰盘(1-2)保持绝缘；
通过所述金属触发极(8)与所述辅助阴极(9)之间的电位差，使涂釉的陶瓷沿面(10)发生沿面闪络，从而产生大量初始等离子体。
9.如权利要求8所述的触发真空开关，其特征在于，参与沿面闪络的陶瓷沿面长度为0.5mm～0.6mm。
10.如权利要求8所述的触发真空开关，其特征在于，所述金属触发极(8)和所述辅助阴极(9)的材料为金属钼。
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