CN105873347B - 一种等离子体喷射开关装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种等离子体喷射开关装置，包括第一主电极、第二主电极、绝缘环、触发针电极和触发电路；第一主电极为平面电极或半球形电极；第二主电极为内凹的曲面电极；绝缘环包裹着触发针电极，且绝缘环、触发针电极和第二主电极共同形成等离子体喷射腔；等离子体喷射腔的喷嘴口位于第二主电极中间或中心的位置；触发针电极为细长的锥面针头形；触发电路采用双副绕组脉冲变压器的结构。本发明中曲面主电极的结构可避免电极中心位置过度烧蚀，防止喷嘴堵塞和中心位置的烧蚀物堆积，提高了喷射等离子体开关的寿命。本发明中触发电路可确保触发电流不会快速衰减，有利于形成更为充沛的等离子体，提高等离子体的喷射高度。

Description

一种等离子体喷射开关装置

技术领域

本发明属于高电压电工电器技术和脉冲功率技术领域，涉及一种等离子体喷射开关装置。

背景技术

近两年来，为了解决极低工作系数下气体火花开关的可靠触发问题，中国的铁维昊、刘善红等人提出了喷射等离子体触发技术。这种气体火花开关基于传统的三电极场畸变气体开关结构，在触发电极内部嵌入一个由电极板、绝缘环和针电极三部分组成的等离子体喷射腔。通过施加触发脉冲引起喷射腔内部火花放电，产生大量的带电粒子。同时，放电产生的热量加热喷射腔内的气体以及放电烧蚀绝缘材料产生大量气体，使得气压急剧上升。在触发电压引起的轴向电场和高气压的共同作用下，带电粒子注入主间隙中，形成喷射等离子体，进而诱发主间隙导通。这种触发方式可以缩短间隙的统计时延，而且能够实现开关在工作系数<50％的条件下的可靠触发导通。

但是，这种开关由于等离子体喷射腔位于主电极中心，主间隙导通时电弧主要集中于主电极中心位置，容易引起通流电弧主要集中烧蚀于电极中心位置。电极中心喷射腔喷嘴附近的电极物质在电弧熔融、冷凝后往往形成烧蚀物堆积，造成喷嘴堵塞和主间隙绝缘强度不可恢复的降低，从而影响电极寿命。此外，触发技术和喷射腔没有提出优化设计措施，触发时等离子体喷射高度有限，在5ns前沿脉冲上升时间、80kV幅值的陡脉冲下，喷射高度只有1.0cm左右。

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等离子体喷射开关装置，旨在解决现有技术中的喷射等离子体开关的技术性能差的问题。

本发明提供了一种等离子体喷射开关装置，包括第一主电极、第二主电极、绝缘环、触发针电极和触发电路；所述第一主电极为平面电极或半球形电极；所述第二主电极为内凹的曲面电极；所述绝缘环包裹着所述触发针电极，且所述绝缘环、所述触发针电极和所述第二主电极共同形成等离子体喷射腔；所述等离子体喷射腔的喷嘴口位于所述第二主电极中间或中心的位置；所述触发针电极为细长的锥面针头形；所述触发电路采用双副绕组变压器的结构，可保证触发电流不至于快速衰减，有利于形成充沛的等离子体，从而提高等离子体的喷射高度。触发电路包括变压器T、开关K、储能电容C、二极管D和限流电阻R；所述变压器T包括原方绕组L0、第一副方绕组L1和第二副方绕组L2，所述原方绕组L0的一端通过所述开关K与所述储能电容C的一端连接，所述原方绕组L0的另一端和所述储能电容C的另一端均接地；所述第一副方绕组L1和所述第二副方绕组L2串联连接，所述第一副方绕组L1的非串联连接端通过所述限流电阻R与所述触发针电极连接；所述第二副方绕组L2的非串联连接端接地；所述二极管D的阳极连接至所述第一副方绕组L1与所述第二副方绕组L2的串联连接端，所述二极管D的阴极与所述触发针电极连接。

更进一步地，所述等离子体喷射腔的喷嘴出口位于所述第二主电极内凹曲面的中心，且内凹曲面的轮廓线平滑延伸到所述第二主电极的边缘。

更进一步地，在所述触发针电极和所述绝缘环之间，且位于距离喷嘴较远处，形成有一定间隙，且越接近喷嘴，所述触发针电极和所述绝缘环之间的间隙越大；所述触发针电极头部靠近喷嘴，且与喷嘴保持一定的距离，不直接接触。

更进一步地，所述第二主电极的喷嘴开口很小，喷嘴开口夹角为不大于90度的锐角。

更进一步地，所述触发针电极与所述第二主电极之间且沿着绝缘环内壁构成的间隙沿面距离L大于5倍的触发针电极直径。

更进一步地，所述触发针电极直径为2mm～5mm。

更进一步地，针电极与主电极喷嘴之间的最小距离h与L的大小选择应满足绝缘配合原则，所述绝缘配合的原则为：当触发电压施加的时候，应该确保沿面间隙L先发生沿面电弧烧蚀，而不是h先发生针电极和主电极之间的直接击穿。

本发明的技术效果是：

(1)曲面主电极的结构，使得主间隙导通放电时，电弧弧根容易向电极外边缘运动，避免电极中心位置过度烧蚀，防止喷嘴堵塞和中心位置的烧蚀物堆积，提高了喷射等离子体开关的寿命。

(2)锥面的针电极，迫使喷射腔内等离子在洛伦兹力作用下向喷嘴运动；针电极针尖靠近喷嘴出口，占据喷嘴出口空间，加强压缩喷射效果；改进的喷射腔结构，延长了触发电弧的沿面烧蚀距离，有利于形成更为充沛的等离子体，提高喷射腔内的等离子体压力，进而提高了等离子体的喷射高度。

(3)提出的触发器电路，脉冲变压器原方储能电容器，在低压直流下储能，然后可控开关导通，电容与变压器形成谐振。触发器的输出高压主要由副方高压绕组提供，这个触发高压击穿针电极和主电极之间的绝缘环沿面后，低压绕组负责维持沿面触发电流，确保脉冲变压器原方电容储存的能量都能释放到喷射腔内。如此，避免了触发器直接工作在高电压下，有利安全；且能确保触发电流不至于快速衰减，有利于形成更为充沛的等离子体，提高等离子体的喷射高度。

附图说明

图1是本发明装置的原理图，包括等离子体喷射开关的剖面结构图和触发器电路原理图。其中，1是不包含等离子体喷射腔的第一主电极，2是包含等离子体喷射腔的第二主电极，3是绝缘环，4是触发针电极，T为变压器，C是储能电容器，G代表接地点，L0是原方绕组，L1是副方高压绕组，L2是副方低压绕组，R是限流电阻，D是二极管。

图2是本发明喷射腔的细节结构示意图。

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。

本发明对喷射等离子体开关技术提出了改进措施，通过对主电极、喷射腔和触发装置的具体化设计，可以提高喷射等离子体开关的技术性能。本发明提出的等离子体喷射开关装置可以适宜于极低工作系数下气体间隙开关可靠触发的应用场合。

本发明提出，改进包含等离子体喷射腔的第二主电极表面形状，从平面电极改成曲面电极，即位于电极中心位置的等离子体喷射腔附近，制作成内凹的曲面电极形式，等离子体喷射腔的喷嘴出口位于凹面的中心，电极凹面轮廓线平滑延伸到电极边缘。不包含等离子体喷射腔的第一主电极仍然为平面电极形式。如此，当主间隙被施加工作电压时，构成间隙中间电场弱，越往电极边缘间隙电场越强的特殊电场分布。

本发明提出，为提高等离子体喷射距离，等离子体喷射腔中的针电极，设计成细长的锥面针头形式，即针电极和绝缘环之间，在距离喷嘴较远处，就形成一定间隙，且由于针头是细长锥面，则越接近喷嘴，针电极和绝缘环之间的间隙越大。曲率半径最小的针电极头部，靠近喷嘴，但与喷嘴保持一定的距离，不直接接触。主电极的喷嘴开口很小，喷嘴开口夹角为不大于90度的锐角。

本发明提出，为提高等离子体喷射距离，开关触发器采用一种双绕组脉冲变压器的方案。该方案的电路结构中，脉冲变压器的副方绕组，通过增加引出抽头方式，变成一个副方高压绕组和一个副方低压绕组。脉冲变压器的原方，通过储能电容器、可控开关形成低压谐振电路；副方高压绕组的一端连接等离子体喷射开关的针电极，另一端与副方低压绕组的一端相连，副方高、低压绕组的连接端连接一个二极管，二极管的另一头同样连接针电极。

在本发明中，曲面主电极的结构，使得主间隙导通放电时，电弧弧根容易向电极外边缘运动，避免电极中心位置过度烧蚀，防止喷嘴堵塞和中心位置的烧蚀物堆积，提高了喷射等离子体开关的寿命。

在本发明中，锥面的针电极，迫使喷射腔内等离子在洛伦兹力作用下向喷嘴运动；针电极针尖靠近喷嘴出口，占据喷嘴出口空间，加强压缩喷射效果；改进的喷射腔结构，延长了触发电弧的沿面烧蚀距离，有利于形成更为充沛的等离子体，提高喷射腔内的等离子体压力，进而提高了等离子体的喷射高度。

在本发明中，提出的触发器电路，脉冲变压器原方储能电容器，在低压直流下储能，然后可控开关导通，电容与变压器形成谐振。触发器的输出高压主要由副方高压绕组提供，这个触发高压击穿针电极和主电极之间的绝缘环沿面后，低压绕组负责维持沿面触发电流，确保脉冲变压器原方储能电容储存的能量都能释放到喷射腔内。如此，避免了触发器直接工作在高电压下，有利安全；且能确保触发电流不至于快速衰减，有利于形成更为充沛的等离子体，提高等离子体的喷射高度。

下面结合图对本发明作进一步说明。

图1中，根据剖面图所示，不包含等离子体喷射腔的第一主电极1仍然采用传统的平面电极或半球形电极，加工制造方法也与传统工艺无差异。包含等离子体喷射腔的第二主电极2则采用内凹的曲面电极，喷射腔的喷嘴口位于电极中间或中心的位置，喷嘴口直径很小。曲面电极在喷嘴口附近为内凹面的最低点，越往第二主电极2边缘越高，这就距离第一主电极1越近。不失一般性，如果主电极直径较大，趋近电极边缘也可形成平面电极形式。加工制作过程应使用精密数控机床或类似设备，确保曲面电极的剖面轮廓线平滑、光滑无任何折点和凸起。本发明建议，在电极设计实现时，结合电场仿真分析技术，评估第一主电极1和第二主电极2之间的主间隙电力线分布，确保间隙电场强度从电极中心向边缘渐变且无明显场强集中点。

图1中，根据剖面图所示，绝缘环3包裹着触发针电极4，与第二主电极2共同形成一个等离子体喷射腔。绝缘环3与已经公开报道的文献相同，采用有机材料，例如聚四氟乙烯等制作。触发针电极4使用金属电极制作，本发明强调针头形状为细长锥形，锥面与绝缘环3的内壁之间，形成一定间隙，且由于针头是细长锥面，则越接近喷嘴，针电极和绝缘环之间的间隙就越大。

为进一步描述喷射腔的设计，如图2所示，d是针电极直径，L是针电极与主电极之间，沿着绝缘环内壁构成的间隙沿面距离，h是针电极与主电极喷嘴之间的最小距离。本发明建议：

(1)为提高喷射等离子体的喷射高度，绝缘材料沿面烧蚀距离不应太短，选择L>5d，即沿面距离应大于5倍的针电极直径。同时，为提高喷射等离子体的喷射高度，喷射腔体积也不能太大，建议针电极直径取为2mm～5mm为宜。

(2)等离子体的喷射高度主要取决于沿面烧蚀绝缘材料所产生的气体量，故需保证喷射腔内首先发生沿面放电。针电极与主电极喷嘴之间的最小距离h应比较小，但h和L的大小选择应注意绝缘配合，绝缘配合的原则是，当触发电压施加的时候，应该确保沿面间隙L先发生沿面电弧烧蚀，而不是h先发生针电极和主电极之间的直接击穿。

在图1中的触发器原理电路，储能电容C先充至预充电压U0，开关K闭合，储能电容C和变压器原方绕组L0发生谐振，在副方绕组L1和L2上会分别感应出一个高电压U1和一个低电压U2，触发器的输出电压实为两个绕组输出电压的叠加。U0和U1以及U0和U2的关系与脉冲变压器原方、副方绕组的变比有关，且U0和U1的比值大于U0和U2的比值，也即提供大电流输出的原方绕组L0与副方绕组L2变比应比提供触发高压的原方绕组L0与副方绕组L1变比小。二极管D的存在是防止L1高压短路。

触发输出电压作用于等离子体喷射腔的沿面并发生闪络电弧后，相当于储能电容器C的能量通过L1和L2对沿面间隙放电，由于变压器的绕组电流和变比成反比，所以低压绕组能够提供更大的放电电流；同时由于限流电阻R存在，根据欧姆定律，电容器C的能量主要由阻抗较小的低压绕组回路向喷射腔释放，有利于喷射腔中形成更为充沛的等离子体。触发器的输出电流实为两个绕组输出电流的叠加。

与铁维昊、刘善红等人提出了喷射等离子体开关相比较，本发明所提出的等离子体喷射开关装置，能够将等离子体的喷射高度提高1～2倍。

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)

1.一种等离子体喷射开关装置，其特征在于，包括第一主电极(1)、第二主电极(2)、绝缘环(3)、触发针电极(4)和触发电路；

所述第一主电极(1)为平面电极或半球形电极；

所述第二主电极(2)为内凹的曲面电极；

所述绝缘环(3)包裹着所述触发针电极(4)，且所述绝缘环(3)、所述触发针电极(4)和所述第二主电极(2)共同形成等离子体喷射腔；

所述等离子体喷射腔的喷嘴出口位于所述第二主电极(2)内凹曲面的中心，且内凹曲面的轮廓线平滑延伸到所述第二主电极的边缘；所述触发针电极(4)为细长的锥面针头形；

所述触发电路包括变压器T、开关K、储能电容C、二极管D和限流电阻R；所述变压器T包括原方绕组L0、第一副方绕组L1和第二副方绕组L2；所述原方绕组L0的一端通过所述开关K与所述储能电容C的一端连接，所述原方绕组L0的另一端和所述储能电容C的另一端均直接接地；所述第一副方绕组L1和所述第二副方绕组L2串联连接，所述第一副方绕组L1的非串联连接端通过所述限流电阻R与所述触发针电极(4)连接；所述第二副方绕组L2的非串联连接端接地；所述二极管D的阳极连接至所述第一副方绕组L1与所述第二副方绕组L2的串联连接端，所述二极管D的阴极与所述触发针电极(4)连接。

2.如权利要求1所述的等离子体喷射开关装置，其特征在于，在所述触发针电极(4)和所述绝缘环(3)之间，且位于距离喷嘴较远处，形成有一定间隙，且越接近喷嘴，所述触发针电极(4)和所述绝缘环(3)之间的间隙越大；所述触发针电极(4)头部靠近喷嘴，且与喷嘴保持一定的距离，不直接接触。

3.如权利要求1所述的等离子体喷射开关装置，其特征在于，所述第二主电极(2)的喷嘴开口很小，喷嘴开口夹角为不大于90度的锐角。

4.如权利要求1所述的等离子体喷射开关装置，其特征在于，所述触发针电极(4)与所述第二主电极(2)之间且沿着绝缘环内壁构成的间隙沿面距离L大于5倍的触发针电极(4)直径。

5.如权利要求1-4任一项所述的等离子体喷射开关装置，其特征在于，所述针电极直径为2mm～5mm。

6.如权利要求4所述的等离子体喷射开关装置，其特征在于，针电极与主电极喷嘴之间的最小距离h与L的大小选择应满足绝缘配合原则，所述绝缘配合的原则为：当触发电压施加时，应确保沿面间隙L先发生沿面电弧烧蚀，而不是h先发生针电极和主电极之间的直接击穿。