CN106099644B - 一种耐高温高可靠性的自击穿气体开关 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种耐高温高可靠性的自击穿气体开关，适用于高温、高压以及对可靠性要求较高的场合。其主要包括长电极杆，电极，绝缘套管，不锈钢外筒，连接垫圈以及充气阀孔，整个装置由阴极和阳极两部分构成且呈轴对称设置。电极放电表面为椭圆导角，电极通过连接垫圈焊接在电极杆一端，绝缘套管紧套于长电极杆外部，并通过连接垫圈与不锈钢外筒进行无缝焊接，在保证气密性的同时，可提供更加可靠的机械强度，从而避免气体开关因多次持续放电冲击而导致结构松动的情况。本发明在保证开关电气性能的同时，使开关在高温高压环境下仍可稳定可靠地工作，显著地提高了气体开关在特殊工作条件下的适用性。

Description

一种耐高温高可靠性的自击穿气体开关

技术领域

本发明涉及高压开关与脉冲功率技术领域，更具体地，涉及一种耐高温高可靠性的自击穿气体开关。

背景技术

脉冲功率技术是指将很大的能量储存在储能元件中，然后通过高速开关将能量在瞬间内释放到负载上，以得到极高的瞬时功率。随着脉冲功率技术的迅猛发展，不断提高的能量、功率和充放电次数，对开关的稳定性和寿命也提出了更高的要求。气体开关具有响应快、损耗小、电压等级高、稳定性好、结构简单、造价低廉等优点，因而在高压开关及脉冲功率技术领域中得到广泛的应用，其性能对整个脉冲功率装置的工作效率有着较大影响。

传统的气体开关受加工材料、结构设计及制造工艺的限制，通常只工作在常温常压下，且受电极间电场分布均匀程度的影响，使得电极本身将出现比较明显的烧蚀现象，将严重影响开关的寿命及稳定性，在多次大电流放电的情况下，电极、电极座、电极套筒等部位经常会发生金属烧蚀粘连，最终导致开关出现不可修复的性能缺陷，甚至不得不进行整体更换。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种耐高温高可靠性的自击穿气体开关，工作条件更加宽泛，可在高温高静压条件下正常工作，在不影响开关导通性能的情况下，提供了更加可靠的结构刚度及放电稳定性。

本发明提供了一种自击穿气体开关，包括第一长电极杆、第二长电极杆、第一电极、第二电极、第一绝缘套管、第二绝缘套管、不锈钢外筒、 充气阀孔；所述不锈钢外筒为长方体型结构，内部形成了气体空腔，在所述不锈钢外筒中相对的两侧分别设置有第一通孔和第二通孔；所述第一绝缘套管紧套于所述第一长电极杆的外侧后并部分通过所述第一通孔，所述第一长电极杆中位于气体空腔内的一端与所述第一电极进行无缝焊接，且所述第一绝缘套管与所述不锈钢外筒在所述第一通孔处进行无缝焊接，在所述不锈钢外筒开设有所述第一通孔的一侧设置有两路充气阀孔；所述第二绝缘套管紧套于所述第二长电极杆的外侧后并部分通过所述第二通孔，所述第二长电极杆中位于气体空腔内的一端与所述第二电极进行无缝焊接，且所述第二绝缘套管与所述不锈钢外筒在所述第二通孔处进行无缝焊接。

更进一步地，通过连接垫圈将所述第一长电极杆中位于气体空腔内的一端与所述第一电极无缝焊接；通过连接垫圈将所述第二长电极杆中位于气体空腔内的一端与所述第二电极无缝焊接。

更进一步地，通过连接垫圈将第一绝缘套管与所述不锈钢外筒进行无缝焊接；通过连接垫圈将第二绝缘套管与所述不锈钢外筒进行无缝焊接。

更进一步地，所述第一电极与所述第二电极为轴对称设置，且在两电极相对应的上、下表面平板边缘均采用倒角处理后形成圆柱椭圆倒角平板电极。所述第一电极上表面和所述第二电极下表面的倒角形式为圆形倒角，所述第一电极下表面和所述第二电极上表面的倒角形式为椭圆倒角。在不改变电极大小的情况下，减小电场的边缘效应，让开关电场分布尽量均匀，提高开关的稳定性。

更进一步地，所述第一电极和所述第二电极的材料为表面光滑的平板钨铜材料。

更进一步地，所述第一长电极杆和所述第二长电极杆为轴对称设置，所述第一长电极杆和所述第二长电极杆的材料为无氧铜材料。具体可以为为钨铜材料，相对于传统的石墨电极材料而言，钨铜电极具有耐高温、耐 烧蚀的特点，同时还具有很好的可塑性、导电性和导热性，有利于提高电极的寿命和导通稳定性。

更进一步地，所述第一绝缘套管和所述第二绝缘套管的材料均可以为陶瓷材料。陶瓷材料的熔点高、强度大，绝缘效果好，可塑性强，耐老化性极佳，在保证装置轻量化、小型化的同时，提高了其结构和绝缘的稳定性。

更进一步地，所述第一绝缘套管和所述第二绝缘套管的绝缘波纹截面为椭圆形。绝缘套管与长电极杆通过内壁光滑的通孔紧密配合，进行安装定位。

更进一步地，两路充气阀孔呈轴对称设置，用于气体空腔的腔内气体的充放。

在本发明实施例中，由于长电极杆置于陶瓷绝缘套管内，长电极杆一端通过连接垫圈与电极无缝焊接，陶瓷绝缘套管通过连接垫圈与不锈钢外筒无缝焊接，在保证气密性的同时，可提供更加可靠的机械强度，从而避免气体开关因多次持续放电冲击而导致结构松动的情况。

在本发明实施例中，电极且呈上下对称设置，两电极相对应的上下表面平板边缘均采用倒角处理，下电极下表面及上电极上表面倒角形式为圆形倒角，下电极上表面和上电极下表面倒角形式为椭圆倒角，使其放电表面呈椭圆导角，在不改变电极大小的情况下，减小电场的边缘效应，让开关电场分布尽量均匀，提高开关的稳定性。

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：选取陶瓷作为绝缘套管材料，在保证其绝缘性能的同时，使其具有熔点高、强度大，可塑性好，耐老化能优点，从本质上拓宽了其适用范围，提高了其工作的可靠性；因为采用了钨铜电极充当放电电极，使得其在大电流放电的情况下具有良好的抗烧蚀特性，同时，电极采用旋转椭圆近似法进行优化设计，使得开关电场分布尽量均匀，进而直接提高 了其导通稳定性。本发明能在保证开关导通及绝缘性能不受影响的条件下，拓宽了高压气体开关的适用范围，同时不影响其结构的刚度，提高了气体开关的经济性、稳定性和适用性。

附图说明

图1是本发明实施例的气体开关主视图；

图2是本发明实施例的气体开关俯视图；

图3是本发明实施例的圆柱体椭圆倒角平板电极；

图4是本发明实施例的自击穿试验测试结果；

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和图2所示，为本发明实施例的耐高温高可靠性的自击穿气体开关的主视图和俯视图。在不锈钢外筒4相对的两端均设置有开孔，用于使得套有绝缘套管3的长电极杆1通过；在不锈钢外筒4围成的气体空腔内，长电极杆1与电极2通过连接垫圈5进行无缝焊接，绝缘套管3紧套于长电极杆1外侧，绝缘套管3通过连接垫圈6与不锈钢外筒4进行无缝焊接，气体开关装置顶部开设有两路充气阀孔7，整个装置由上下两部分组成且呈轴对称设置。

具体地，绝缘套管3可以采用陶瓷材料，熔点高、强度大，绝缘效果好，可塑性强，耐老化性极佳，在保证装置轻量化、小型化的同时，提高了其结构和绝缘的稳定性。

长电极杆1置于陶瓷绝缘套管3内，长电极杆1一端通过连接垫圈5与电极2无缝焊接，陶瓷绝缘套管3通过连接垫圈6与不锈钢外筒4无缝 焊接，在保证气密性的同时，可提供更加可靠的机械强度，从而避免气体开关因多次持续放电冲击而导致结构松动的情况。

电极2材料为钨铜材料且呈上下对称设置，相对于传统的石墨电极材料而言，钨铜电极具有耐高温、耐烧蚀的特点，同时还具有很好的可塑性、导电性和导热性，有利于提高电极的寿命和导通稳定性。

如图2所示，装置顶部开设有两路充气阀孔7，分别用于腔内气体的充放。

如图3所示，两电极相对应的上下表面平板边缘均采用倒角处理，下电极下表面及上电极上表面倒角形式为圆形倒角，下电极上表面和上电极下表面倒角形式为椭圆倒角，使其放电表面呈椭圆导角，在不改变电极大小的情况下，减小电场的边缘效应，让开关电场分布尽量均匀，提高开关的稳定性。

整套自击穿气体开关装置基于30kV脉冲放电平台进行了分散性测试。本测试设计的自击穿开关采用氩气作为气体介质，间隙距离为7mm，试验储能电容为2.66μF，气体绝对压强在600kPa±2.5％范围内，共进行了300次自击穿试验。其测试结果如图4所示，在该放电条件下，其击穿电压的最大值34.0kV，最小值27.63kV，平均值为31.34kV，标准差为1.35。测试表明，上述气体开关击穿线性度较为良好，分散性较小，可靠性较高。

综上所述，本发明提供的一种耐高温高可靠性的自击穿气体开关，由于其选取陶瓷作为绝缘套管材料，在保证其绝缘性能的同时，使其具有熔点高、强度大，可塑性好，耐老化能优点，从本质上拓宽了其适用范围，提高了其工作的可靠性；因为采用了钨铜电极充当放电电极，使得其在大电流放电的情况下具有良好的抗烧蚀特性，同时，电极采用旋转椭圆近似法进行优化设计，使得开关电场分布尽量均匀，进而直接提高了其导通稳定性。本发明能在保证开关导通及绝缘性能不受影响的条件下，拓宽了高压气体开关的适用范围，同时不影响其结构的刚度，显著提高了气体开关 在特殊工况下的经济性、稳定性和适用性。

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 (5)

1.一种自击穿气体开关，其特征在于，包括第一长电极杆、第二长电极杆、第一电极、第二电极、第一绝缘套管、第二绝缘套管、不锈钢外筒、充气阀孔；

所述不锈钢外筒为长方体型结构，内部形成了气体空腔，在所述不锈钢外筒中相对的两侧分别设置有第一通孔和第二通孔；

所述第一绝缘套管紧套于所述第一长电极杆的外侧后并部分通过所述第一通孔，所述第一长电极杆中位于气体空腔内的一端与所述第一电极进行无缝焊接，且所述第一绝缘套管与所述不锈钢外筒在所述第一通孔处进行无缝焊接，在所述不锈钢外筒开设有所述第一通孔的一侧设置有两路充气阀孔；

所述第二绝缘套管紧套于所述第二长电极杆的外侧后并部分通过所述第二通孔，所述第二长电极杆中位于气体空腔内的一端与所述第二电极进行无缝焊接，且所述第二绝缘套管与所述不锈钢外筒在所述第二通孔处进行无缝焊接；所述第一绝缘套管和所述第二绝缘套管的材料均为陶瓷材料；所述第一电极与所述第二电极为轴对称设置，且在两电极相对应的上、下表面平板边缘均采用倒角处理后形成圆柱椭圆倒角平板电极；所述第一电极和所述第二电极的材料为表面光滑的平板钨铜材料；

通过连接垫圈将所述第一长电极杆中位于气体空腔内的一端与所述第一电极无缝焊接；通过连接垫圈将所述第二长电极杆中位于气体空腔内的一端与所述第二电极无缝焊接；

所述第一长电极杆和所述第二长电极杆为轴对称设置，所述第一长电极杆和所述第二长电极杆的材料为无氧铜材料。

2.如权利要求1所述的自击穿气体开关，其特征在于，通过连接垫圈将第一绝缘套管与所述不锈钢外筒进行无缝焊接；通过连接垫圈将第二绝缘套管与所述不锈钢外筒进行无缝焊接。

3.如权利要求1所述的自击穿气体开关，其特征在于，所述第一电极上表面和所述第二电极下表面的倒角形式为圆形倒角，所述第一电极下表面和所述第二电极上表面的倒角形式为椭圆倒角。

4.如权利要求1所述的自击穿气体开关，其特征在于，所述第一绝缘套管和所述第二绝缘套管的绝缘波纹截面为椭圆形。

5.如权利要求1所述的自击穿气体开关，其特征在于，两路充气阀孔呈轴对称设置，用于气体空腔的腔内气体的充放。