CN106877178A - 一种平面触发型低抖动长寿命气体火花隙开关 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种平面触发型低抖动长寿命气体火花隙开关，属于脉冲功率技术领域，包括一个触发盘、两个绝缘盖板、两个放电电极、两个导电电极，所述触发盘的两侧各自设置一个绝缘盖板，所述每个绝缘盖板的两侧各自设置一个放电电极和一个导电电极，所述绝缘盖板与触发盘通过螺栓紧固为一体；本发明气体火花隙开关将触发盘设计为两底面内凹的圆柱形，圆柱形触发盘的外直径略小于整个气体火花隙开关直径，其高度直接决定放电电极距离，开关性能一致性好。平面触发电极、碗状放电电极设计有利于气体火花隙开关电场的均匀分布、周期性凸起绝缘盖板设计有利于绝缘气体气流的均匀分布，从而有效提升开关稳定性，降低输出抖动。

Description

一种平面触发型低抖动长寿命气体火花隙开关

技术领域

本发明涉及脉冲功率技术领域，特别是涉及一种输出抖动低、稳定性高的重复频率气体火花隙开关。

背景技术

脉冲功率技术通过将初始能量在较长的时间内缓慢存储起来，然后在很短的时间内快速释放，从而实现瞬时高功率输出。脉冲功率技术由于其高功率、短脉冲特性，使其能够产生一些特殊的作用效果，目前广泛应用于核爆炸模拟、环境保护、食品加工、高功率激光/微波等领域。

脉冲功率系统是获得脉冲功率的主要手段，其核心是储能器件和开关器件。脉冲功率电路的主要功能是脉冲压缩和脉冲成形，即通过开关的控制，将所需的能量在指定的时间内释放。故开关器件是决定能量释放速率、传递效率等能量转移特性的关键因素，也是目前限制脉冲功率系统重复频率和寿命的主要瓶颈所在，开关器件的发展水平在很大程度上决定了脉冲功率系统的发展水平。脉冲功率用开关的主要特点是耐电压值高、通流能力强，此外还应具有较高的开/关转换速率、稳定的运行能力等。按其绝缘介质状态不同，脉冲功率用开关可分为气态、液态和固态开关等。其中，气态开关由于原理及结构简单、成本低廉，并能够很好的平衡高工作电压、大工作电流和高功率容量等特殊要求，得以广泛研究和应用，是目前脉冲功率系统的主流开关类型。

目前脉冲功率系统的主要参数性能如重复运行频率、输出稳定性和寿命等主要受开关性能制约。随着脉冲功率技术向着小型化、重复频率、长时间连续稳定运行等方向发展，气体火花隙开关的重复频率运行和长时间连续运行能力、输出抖动等特性成为关注的焦点。为提高气体火花隙开关输出抖动和稳定性，一般将气体火花隙开关设计为触发结构，使用一个外部触发信号触发气体火花隙开关导通。触发极一般设计为针状、杆状等具有高畸变场的尖端结构，以促使气体火花隙开关快速导通。这种触发极设计的电极烧蚀现象较严重，寿命较短，且触发放电端空间位置的很小改变会造成开关性能的明显变化，导致开关一致性较差，难以实现长时间连续、稳定运行。

发明内容

本发明的目的是提供一种输出稳定性高、输出抖动低的重复频率气体火花隙开关，以显著降低多级高功率脉冲功率源的输出抖动，并提升其稳定性和使用寿命。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种平面触发型低抖动长寿命气体火花隙开关，包括一个触发盘、两个绝缘盖板、两个放电电极、两个导电电极，所述触发盘的两侧各自设置一个绝缘盖板，所述每个绝缘盖板的两侧各自设置一个放电电极和一个导电电极，所述绝缘盖板与触发盘通过螺栓紧固为一体。

所述放电电极设置在开关内部，绝缘盖板与触发盘之间，导电电极设置在绝缘盖板外侧，放电电极穿过绝缘盖板上的中心通孔与导电电极紧固连接为一体；

所述触发盘为两底面内凹的圆柱形，触发盘中心位置设置有通孔，两个放电电极与该通孔设置在同一轴线上。

在上述技术方案中，所述绝缘盖板以中心通孔为原点，绝缘盖板的外侧面上设置有圆形的内凹台面，绝缘盖板的内侧面上设置有若干个同心圆环。

在上述技术方案中，所述每一个同心圆环均沿着绝缘盖板的轴线凸起相同高度，且凸起高度小于触发盘内凹深度。

在上述技术方案中，所述导电电极直径略小于绝缘盖板圆形内凹台面直径。

在上述技术方案中，所述触发盘的两个底面上均设置有内凹台面，两底面边缘处设置有密封用凹槽。

在上述技术方案中，所述触发盘的圆周面上设置有通孔，通孔与触发盘的内凹台面连通。

在上述技术方案中，所述绝缘盖板上的最外圈凸起圆环直径小于触发盘内凹台面直径。

在上述技术方案中，所述放电电极与导电电极连接的一端为圆柱形，另一端为扁平的碗状结构。

在上述技术方案中，两个放电电极的碗状结构与触发盘的两个内凹台面相对，且与内凹台面的中心通孔设置在同一轴线上。

在上述技术方案中，两个放电电极的碗状结构与触发盘内凹台面之间的距离远小于绝缘盖板直径。

综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：

本发明的气体火花隙开关将触发盘设计为两底面内凹的圆柱形，圆柱形触发盘的外直径略小于整个气体火花隙开关直径，其高度直接决定放电电极距离，开关性能一致性好。平面触发电极、碗状放电电极设计有利于气体火花隙开关电场的均匀分布、周期性凸起绝缘盖板设计有利于绝缘气体气流的均匀分布，从而有效提升开关稳定性，降低输出抖动。

附图说明

附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：

附图1是本发明气体火花隙开关示意图；

附图2是本发明气体火花隙开关触发盘示意图；

附图3是本发明气体火花隙开关绝缘盖板示意图；

附图4是本发明气体火花隙开关剖面结构示意图；

其中：1是两底面对称内凹的圆柱形触发盘，2是有机玻璃绝缘盖板，3是导电电极，4是放电电极，5是O型胶圈，6是尼龙螺钉。

具体实施方式

下面结合附图1-4对本发明做进一步的说明。

本发明的结构如图1所示，包括触发盘和位于触发盘两侧的两个有机玻璃绝缘盖板，利用尼龙螺钉将两个有机玻璃绝缘盖板拉紧，并将触发盘固定在其中间。

如图2所示，触发盘的两个底面上均设置有内凹台面，两底面边缘处设置有密封用凹槽，圆周面对称分布一对通孔和若干螺纹孔。

如图3所示，绝缘盖板的内侧面上设置有若干个同心圆环，每一个同心圆环均沿着绝缘盖板的轴线凸起相同高度。

如图4所示，绝缘盖板的外侧面设置有内凹台面，内侧面设置有若干个凸起同心圆环，中心处设置有一个通孔。外导电电极可部分嵌入绝缘盖板外侧内凹台面内，且外导电电极的中心位置设置有螺纹孔，碗状放电电极中心位置设置有螺栓，放电电极螺栓可穿过绝缘盖板上的中心通孔与导电电极螺纹孔紧固连接为一体。绝缘盖板内侧面上的最外圈凸起圆环直径小于触发盘内凹台面直径，且凸起圆环高度小于触发盘内凹台面深度，使得有机玻璃绝缘盖板边缘可与触发盘边缘贴合。沿着触发盘直径方向上的圆周面中心对称设置有螺纹直通口。

当两个有机玻璃绝缘盖板与触发盘被一组螺栓紧固为一个完整的气体火花隙开关后，O型胶圈分别位于导电电极、触发盘边缘的凹槽内，将整个气体火花隙开关内部空间密封。两个螺纹直通口使气体火花隙开关内部可被充气，且气体可循环流动。螺纹直通口被触发盘的触发平面均分为两半，以实现上、下两个腔室的同步、对称气体循环置换。

以一个本发明气体火花隙开关为例，搭建了两级Marx发生器，以30Hz重复频率连续运行10s，该气体火花隙开关能够连续、稳定导通300次，无自击穿及误触发现象，输出抖动低至4.7ns。该两级Marx发生器的重复频率可达50Hz，连续运行时间可达20s，间隔10s可重复运行，具有很低的输出抖动和较高的稳定性。

本发明气体火花隙开关呈类圆饼状，体积仅0.9L，工作电压大于90kV，工作电流大于10kA，重复频率最高可达50Hz。能够以30Hz重复频率稳定连续运行10s，输出抖动小于5ns，间隔10s可重复运行，使用寿命大于10万次。本发明气体火花隙开关亦表现出优异的多级串联输出特性，如将20个本发明气体火花隙开关进行串联输出，以30Hz重复频率工作1s的输出抖动低至4ns，达到国际先进水平。本发明气体火花隙开关能够显著降低Marx型高功率脉冲功率源的输出抖动，并具备规模化生产能力、结构简单、成本低廉。

本发明中，气体火花隙开关的低抖动、稳定输出特性得益于创新设计的两底面内凹的圆柱形金属触发盘，和扁平的碗状放电电极结构设计。本发明气体火花隙开关首先以可靠性高的平面触发电极替代稳定性差的尖端放电电极，使得充电过程中电极的静电场分布较为均匀，可有效避免开关自放电现象；其次，放电电极与触发盘内凹台面距离远小于其他导电电极间距，确保了高压触发脉冲施加于整个触发盘后，该处可最先导通，有利于提高开关导通的稳定性；再次，平面放电形式有利于形成多通道放电以降低开关导通电阻和导通电感，并缓解电极烧蚀现象。最后，触发盘的中心位置留孔，使得触发盘与其中一个内放电电极由于过压击穿后，所产生的等离子体可迅速扩散至另一侧，同时放电所产生的紫外光辐射等可以起到预电离另一侧气体的作用，从而促进气体火花隙开关快速导通，降低输出抖动。

本发明中，为了实现气体火花隙开关小型化设计和长时间稳定连续输出，还采用了以下多种措施：①设计了内嵌式导电电极，可进一步降低开关高度；②绝缘盖板上不同直径的同圆心环形凸起周期结构设计，能够有效增加触发盘与放电电极间的绝缘距离，并阻止绝缘气体电离产生的沉积物在绝缘盖板内表面的均匀沉积，有效避免沉积物造成的沿面闪络现象；③气体火花隙开关导电电极与触发极位置固定，其距离由触发盘高度唯一决定，有效避免了人为装配误差等造成的开关一致性较差现象；④考虑到电极连续放电会导致金属粉末和氟硫化物生成，并使绝缘气体恢复时间变长，从而降低气体火花隙开关的稳定性。为此，将开关设计为流动式循环充气结构。触发盘的内凹台面与有机玻璃盖板的周期性凸起结构设计可避免湍流形成，使绝缘气体在开关腔内平稳流动、均匀分布。通过绝缘气体的循环流动可起到提高气体绝缘恢复性能、将部分生成物杂质转移到开关腔外、主动散热等多重效果，从而显著提升本发明气体火花隙开关长时间工作的稳定性。

本发明并不局限于前述的具体实施方式。本发明扩展到任何在本说明书中披露的新特征或任何新的组合，以及披露的任一新的方法或过程的步骤或任何新的组合。

Claims (10)

1.一种平面触发型低抖动长寿命气体火花隙开关，包括一个触发盘、两个绝缘盖板、两个放电电极、两个导电电极，所述触发盘的两侧各自设置一个绝缘盖板，所述每个绝缘盖板的两侧各自设置一个放电电极和一个导电电极，所述绝缘盖板与触发盘通过螺栓紧固为一体，其特征在于：

所述放电电极设置在开关内部，位于绝缘盖板与触发盘之间，导电电极设置在绝缘盖板外侧，放电电极穿过绝缘盖板上的中心通孔与导电电极紧固连接为一体；

所述触发盘为两底面内凹的圆柱形，触发盘中心位置设置有通孔，两个放电电极与该通孔设置在同一轴线上。

2.根据权利要求1所述的一种平面触发型低抖动长寿命气体火花隙开关，其特征在于所述绝缘盖板以中心通孔为原点，绝缘盖板的外侧面上设置有圆形的内凹台面，绝缘盖板的内侧面上设置有若干个同心圆环。

3.根据权利要求2所述的一种平面触发型低抖动长寿命气体火花隙开关，其特征在于所述每一个同心圆环均沿着绝缘盖板的轴线凸起相同高度，且凸起高度小于触发盘内凹深度。

4.根据权利要求1或2所述的一种平面触发型低抖动长寿命气体火花隙开关，其特征在于所述导电电极直径略小于绝缘盖板圆形内凹台面直径。

5.根据权利要求1所述的一种平面触发型低抖动长寿命气体火花隙开关，其特征在于所述触发盘的两个底面上均设置有内凹台面，两底面边缘处设置有凹槽。

6.根据权利要求1或5所述的一种平面触发型低抖动长寿命气体火花隙开关，其特征在于所述触发盘的圆周面上设置有通孔，通孔与触发盘的内凹台面连通。

7.根据权利要求3或5所述的一种平面触发型低抖动长寿命气体火花隙开关，其特征在于绝缘盖板上的最外圈凸起圆环直径小于触发盘内凹台面直径。

8.根据权利要求1所述的一种平面触发型低抖动长寿命气体火花隙开关，其特征在于所述放电电极与导电电极连接的一端为圆柱形，另一端为扁平的碗状结构。

9.根据权利要求5或8所述的一种平面触发型低抖动长寿命气体火花隙开关，其特征在于两个放电电极的碗状结构与触发盘的两个内凹台面相对，且与触发盘的中心通孔设置在同一轴线上。

10.根据权利要求1或8所述的一种平面触发型低抖动长寿命气体火花隙开关，其特征在于两个放电电极的碗状结构与触发盘内凹台面之间的距离远小于绝缘盖板直径。