CN105161979A - 一种多级场畸变气体火花开关 - Google Patents

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Abstract

本发明属于脉冲功率技术领域，提供一种多级场畸变气体火花开关，可以在无吹气条件下以高重复频率工作于MV级电压，大大简化系统复杂性。开关整体为轴对称形式，开关阴极左侧与脉冲功率装置连接，右侧开孔固定绝缘支撑杆；开关阳极中心孔外侧沿圆周方向开孔固定绝缘支撑杆，右侧与脉冲功率装置连接。触发盘位于阳极中心孔内，串联电极盘和串联绝缘子位于开关阴阳极间区域的中轴线上，沿轴线方向采用间隔方式排布，串联电极盘为金属薄盘，边缘为刀刃型，串联绝缘子为圆饼状，所有串联绝缘子尺寸相同，所有串联电极盘尺寸相同。开关通过沿圆周方向排布的绝缘支撑杆固定连接成为一个整体。

Description

一种多级场畸变气体火花开关
技术领域
本发明属于脉冲功率技术领域，涉及一种多级场畸变气体火花开关，能够以较高重复频率工作于MV级电压，不需要吹气系统。
背景技术
脉冲功率技术是一门研究在相对较长时间里储存能量，然后经过快速压缩、转换，最后释放给负载的新兴科学技术，研究的对象是，电压一般在104～107V，电流103～107安培，脉宽10-5～10-10秒，峰值功率大于106W的高功率脉冲的产生与应用。近些年来，重复频率脉冲功率技术成为其中的重要发展方向之一。
气体火花开关是脉冲功率装置的关键器件之一，气体火花间隙开关根据不同的应用场合和使用要求，已经形成多种结构以适应于各种特殊应用场合。MV级重复频率脉冲功率装置一般以几Hz至百Hz重复频率工作，多采用气体火花开关作为主放电开关，而在重复频率大于10Hz以上时，气体绝缘介质的绝缘能力已无法完全恢复，一般都需要使用大功率吹气系统进行开关放电区域的气体循环，系统复杂，对于多级开关而言吹气范围较大且存在结构遮挡，吹气系统设计难度很大，并且由于位于开关高电压区域，带来绝缘安全隐患。
常规多级开关原理结构如图1所示，主要由开关阳极1、开关阴极2、触发间隙阴极3、触发电极4、串联电极盘5、绝缘支撑杆6等组成，该类型多级开关串联电极盘5为非均匀排布，从触发电极4开始第一级间隙为触发间隙，间隙长度远大于其它串联间隙，对触发电压要求很高，依靠开关第一级间隙触发击穿产生的过电压引发后续串联间隙击穿；触发电极4为针形，第一级间隙只能为单火花通道击穿，在不依靠吹气系统的前提下无法高重复频率工作；串联电极盘边缘为圆形，在开关击穿前后相邻串联电极盘之间均为准均匀电场，不能产生场畸变效应，击穿只能发生在相邻串联电极盘5之间的正对位置上，已发生击穿间隙的火花放电产物被串联电极盘5遮挡，无法对后续串联间隙产生有利影响。
为避免上述问题，本发明研制了一种多级场畸变气体火花开关，可以在无吹气条件下以高重复频率工作于MV级电压。
发明内容
本发明的目的是针对MV级重复频率脉冲功率系统中搞重复频率气体火花开关的应用需求，提供一种多级场畸变气体火花开关，可以在无吹气条件下以高重复频率工作于MV级以上电压，大大简化系统复杂性。
本发明的技术方案是：设计一种多级场畸变气体火花开关，包括开关阴极7、开关阳极8、绝缘支撑杆13，其特征在于，还包括若干串联电极盘9、若干串联绝缘子10和触发盘11；开关阴极7和开关阳极8均为金属件，绝缘支撑杆13两端分别与开关阴极7、开关阳极8相连接；在开关阴极7和开关阳极8之间，自开关阴极7起，串联绝缘子10和串联电极盘9依次同轴间隔分布；串联电极盘9为一金属盘状，边缘锋刃；串联绝缘子10为圆柱状；开关阳极8轴线上设有中心孔，且中心孔处设有触发盘11，且触发盘11顶住串联绝缘子10；中心孔、触发盘、串联绝缘子10和串联电极盘9的轴线重合。开关整体由绝缘支撑杆(13)和绝缘支撑杆紧固螺母(14)连接固定。
本发明的进一步技术方案为：串联电极盘9中间处设有圆形止口，串联绝缘子10卡在圆形止口处，且串联绝缘子10的外径与圆形止口的内径相同。
本发明的进一步技术方案为：所述触发盘11顶住串联绝缘子10的一侧设有圆形止口，且串联绝缘子10卡在圆形止口处。
本发明的进一步技术方案为：还包括触发盘绝缘支撑12，其位于开关阳极8断开处，用于固定触发盘11。
本发明的进一步技术方案为：所述开关阴极7上设有阴极安装孔15用于连接脉冲功率装置。
本发明的进一步技术方案为：所述开关阳极8上设有阳极安装孔16用于连接脉冲功率装置。
本发明与脉冲功率装置连接后，整体置于充有绝缘气体的密封容器内。
本发明的工作原理为：脉冲功率装置对开关充电至一定电压后，施加高压触发脉冲至触发盘，在触发脉冲作用下，最右侧串联电极盘刀刃型边缘产生强烈的场畸变作用，与开关阳极发生击穿，随后，从右至左，每一级串联电极盘与上一级串联电极盘因场畸变作用发生击穿，最后整个开关阴阳极之间击穿，开关工作过程结束。
发明效果
本发明的技术效果在于：该开关的工作方式为触发击穿方式，与常规多级气体火花开关工作机理完全不同。常规气体火花开关的触发电极为针形，而本开关的触发电极为电极盘形式，可以保证在触发时和触发盘相邻的第一级串联电极盘与开关阳极之间获得的电压增量最高，因而获得更好的触发效果并提高触发盘耐烧蚀能力；串联电极盘为均匀排布，降低了对触发电压的要求；串联电极盘的边缘为刀刃形，可以获得更强的场畸变效果，击穿发生在串联电极盘边缘刀刃位置，对火花放电产物无结构遮挡，可以有效影响未击穿间隙，开关所有串联间隙均能产生多个火花放电通道，有利于整个开关快速、稳定击穿和开关气体绝缘能力的恢复，从而能够在无吹气系统的条件下以高重复频率工作于较高工作电压。
附图说明
图1为现有技术中的多级开关原理图。
图2为本发明的结构剖面结构图。
图3为串联电极盘剖面图。
附图标记说明：7—开关阴极；8—开关阳极；9—串联电极盘；10—串联绝缘子；11—触发盘；12—触发盘绝缘支撑；13—绝缘支撑杆；14—绝缘支撑杆紧固螺母；15—阴极安装孔；16—阳极安装孔。
具体实施方式
下面结合具体实施实例，对本发明技术方案进一步说明。
如附图1示，在现有技术中，主要由开关阳极1、开关阴极2、触发间隙阴极3、触发电极4、串联电极盘5、绝缘支撑杆6等组成，该类型多级开关串联电极盘5为非均匀排布，从触发电极4开始第一级间隙为触发间隙，间隙长度远大于其它串联间隙，对触发电压要求很高，依靠开关第一级间隙触发击穿产生的过电压引发后续串联间隙击穿；触发电极4为针形，第一级间隙只能为单火花通道击穿，在不依靠吹气系统的前提下无法高重复频率工作；串联电极盘边缘为圆形，在开关击穿前后相邻串联电极盘之间均为准均匀电场，不能产生场畸变效应，击穿只能发生在相邻串联电极盘5之间的正对位置上，已发生击穿间隙的火花放电产物被串联电极盘5遮挡，无法对后续串联间隙产生有利影响。
如附图2-3示，本发明提供的一种多级气体火花开关，开关整体为轴对称形式，结构如图1所示，在本实施例中，开关阴极7外形为圆形金属罩；左侧通过安装孔与脉冲功率装置连接，右侧沿圆周方向开孔固定绝缘支撑杆13。开关阳极8外形为圆形金属罩，左侧中心孔用于引入触发盘11，中心孔外侧沿圆周方向开圆孔用于固定绝缘支撑杆13，右侧通过安装孔与脉冲功率装置连接。触发盘11位于开关阳极8左侧中心孔内，通过触发盘11绝缘支撑定位于中心孔轴线上，左侧平面与开关阳极8左侧平面处于同一平面，串联电极盘9和串联绝缘子10位于开关阴阳极间区域的中轴线上，串联电极盘9为金属薄盘，边缘为刀刃型，串联绝缘子10为圆饼状，串联电极盘9视应用需求数量为5～10个，串联绝缘子10比串联电极盘9数量多一个，所有串联绝缘子10尺寸相同，所有串联电极盘尺寸9相同，采用间隔方式沿轴线方向排布。
开关整体结构通过沿圆周方向排布的多根绝缘螺纹支撑杆连接，由位于阴阳极内的紧固螺母连接固定。整个开关放置于充有绝缘气体的压力容器中。开关阴极7左侧通过沿圆周方向排布的安装圆孔15与脉冲功率装置连接，本实例中圆孔数量为16个；右侧沿圆周方向开圆孔固定绝缘螺纹支撑杆13，本实例中圆孔数量为6个，右侧平面中心有底面平坦的圆形止口用于定位串联绝缘子10，止口的作用之一是将串联绝缘子10定位于开关中心轴线，作用之二是当开关沿轴线水平放置时防止开关阴阳极之间的串联电极盘9与串联绝缘子10掉落。开关阳极8外形为圆饼状空心金属罩壳，左侧中心孔用于引入触发盘11，中心孔外侧沿圆周方向开孔用于固定绝缘螺纹支撑杆13，右侧通过安装圆孔16与脉冲功率装置连接；触发盘11位于开关阳极8左侧中心孔内，通过触发盘绝缘支撑12定位于中心孔轴线上，左侧平面中心有底面平坦的圆形止口用于定位串联绝缘子10。触发盘11位于阳极左侧中心孔内，通过触发盘绝缘支撑12定位于中心孔轴线上，左侧平面与阳极左侧平面处于同一平面，左侧平面中心有底面平坦的圆形止口用于定位串联绝缘子10。串联电极盘9和串联绝缘子10位于开关阴阳极间的中轴线上，串联电极盘9为金属薄盘，薄盘两面的中心有底面平坦的圆形止口，薄盘边缘为刀刃形。串联绝缘子10为圆片状，外径与上文中提到的所有圆形止口底面直径相等。所有串联电极盘9和串联绝缘子10采用间隔方式沿轴线方向均匀排布，开关阴阳极之间的距离、串联电极盘与串联绝缘子的数量与开关的工作电压相关，开关的工作电压越高，需要的开关阴阳极之间的距离越大，串联电极盘与串联绝缘子的数量越多，或者串联绝缘子厚度增加。本实例中串联电极盘数量为8个，串联绝缘子数量为9个，所有串联绝缘子9尺寸相同，所有串联电极盘10尺寸相同，本实例中开关阴阳极之间的距离为180mm，串联绝缘子的厚度为20mm，外径为60mm，串联电极盘厚度最大处为5mm，外径为160mm。
该开关通过沿圆周方向排布的多根绝缘螺纹支撑杆13和位于开关阴阳极内的紧固螺母14将所有零件连接成为一个整体，本实例中绝缘螺纹支撑杆14数量为6根，紧固螺母14数量为12个。

Claims (6)

1.一种多级场畸变气体火花开关，包括开关阴极(7)、开关阳极(8)、绝缘支撑杆(13)，其特征在于，还包括若干串联电极盘(9)、若干串联绝缘子(10)和触发盘(11)；开关阴极(7)和开关阳极(8)均为金属件，绝缘支撑杆(13)两端分别与开关阴极(7)、开关阳极(8)相连接；在开关阴极(7)和开关阳极(8)之间，自开关阴极(7)起，串联绝缘子(10)和串联电极盘(9)依次同轴间隔分布；串联电极盘(9)为一金属盘状，边缘锋刃；串联绝缘子(10)为圆柱状；开关阳极(8)设有中心孔，且中心孔处设有触发盘(11)，且触发盘(11)顶住串联绝缘子(10)；中心孔、触发盘、串联绝缘子(10)和串联电极盘(9)的轴线重合；开关整体由绝缘支撑杆(13)和绝缘支撑杆紧固螺母(14)连接固定。
2.如权利要求1所述的一种多级场畸变气体火花开关，其特征在于，串联电极盘(9)中间处设有圆形止口，串联绝缘子(10)卡在圆形止口处，且串联绝缘子(10)的外径与圆形止口的内径相同。
3.如权利要求1所述的一种多级场畸变气体火花开关，其特征在于，所述触发盘(11)直径大于串联绝缘子直径，小于开关阳极中心孔直径，外边缘倒圆。触发盘(11)顶住串联绝缘子(10)的一侧设有圆形止口，且串联绝缘子(10)卡在圆形止口处。
4.如权利要求1所述的一种多级场畸变气体火花开关，其特征在于，还包括触发盘绝缘支撑(12)，其位于开关阳极(8)断开处，用于固定触发盘(11)。
5.如权利要求1所述的一种多级场畸变气体火花开关，其特征在于，所述开关阴极(7)上设有阴极安装孔(15)用于连接脉冲功率装置。
6.如权利要求1所述的一种多级场畸变气体火花开关，其特征在于，所述开关阳极(8)上设有阳极安装孔(16)用于连接脉冲功率装置。
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