CN107395173A - 一种低触发阈值的多间隙气体开关 - Google Patents
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Abstract
本发明提出一种低触发阈值的多间隙气体开关，解决了现有气体开关对触发脉冲幅值的要求较高的技术问题。该低触发阈值的多间隙气体开关，在开关各间隙引入电容电阻网络，即并联外接电阻和电容，能够降低多间隙开关触发阈值，使开关在较低幅值触发脉冲作用下能够低抖动可靠导通，有利于简化FLTD触发系统、改善气体开关触发性能，促进FLTD脉冲功率源的应用。通过在气体开关各间隙并联容值不同的电容，使得开关在触发过程中电压较集中分配于并联电容最小的间隙，导致该间隙更容易击穿，可有效降低开关触发阈值。
Description
技术领域
本发明涉及一种多间隙气体开关。
背景技术
开关是脉冲功率装置的核心器件之一，其性能直接影响装置的输出特性，气体开关具有工作电压高、传导电流大、触发响应快、触发抖动低、造价低等优点，在脉冲功率技术领域和高压电工技术领域有广泛应用。
目前气体开关一般采用电脉冲触发，要求触发脉冲具有较高的电压幅值。以FLTD(Fast Linear Transformer Driver)用的±100kV多间隙气体开关为例(姜晓峰，孙凤举，梁天学等.一种多间隙气体开关击穿特性的实验研究[J].高电压技术,2009(01):103-107)，该气体开关由2个高压电极及5个环形电极组成，形成6个间距相同的气体间隙，最中间的环形电极为触发电极。在触发前，高压电极的电势分别为+100kV和-100kV，触发电极的电势为0，每个间隙承受电压约为33kV。当触发电极上施加触发脉冲时，与触发脉冲极性相反的3个间隙同时承受过电压击穿，剩余3个间隙在放电紫外光的环境下过电压击穿，开关导通。为保证开关触发抖动小于5ns，一般要求触发脉冲幅值大于140kV。
由于气体开关对触发脉冲幅值要求较高，导致触发系统复杂庞大，触发电缆可靠性难以保证。目前触发系统一般多级升压、逐级触发的技术路线，所需的触发脉冲幅值决定了触发系统升压级数。以FLTD用±100kV气体开关多路同步触发系统为例(陈林，王勐等.中物院快脉冲直线型变压器驱动源技术研究进展[J].高电压技术,2015(06):1798-1806),为保证触发系统输出脉冲在匹配负载上电压幅值大于100kV(施加在触发电极上电压200kV)，触发系统由同步机、点火机、触发Marx及可拓展触发单元四级升压结构构成。触发系统体积庞大复杂，难以保证其可靠性及稳定性，已成为FLTD装置发展的主要制约因素。
发明内容
本发明提出一种基于电阻电容网络的低触发阈值的多间隙气体开关，解决了现有气体开关对触发脉冲幅值的要求较高的技术问题。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案：
低触发阈值的多间隙气体开关，包括多间隙气体开关本体，有别于现有技术的是：多间隙气体开关本体的每个间隙均并联有外接电阻和外接电容，所有外接电容中至少有一个电容与其他电容的值不同。
基于以上方案，本发明还进一步作了如下优化：
所有外接电阻的阻值相同。
各外接电阻R取值根据开关工作电压U、最大允许泄漏电流Im及间隙数目n确定，
各外接电容取值根据开关间隙分布电容容值确定，所有外接电容容值至少比开关间隙分布电容容值高一个量级。
所述多间隙气体开关本体主要由高压电极、中间电极、触发电极和绝缘外壳组成，其中，高压电极与中间电极沿轴向分布形成多个串联气体间隙，在绝缘外壳的侧面分别对应于每个中间电极的位置处开孔、放置有电极引出针，电极引出针一端与对应中间电极接触，电极引出针另一端位于绝缘外壳外，用于连接所述外接电阻和外接电容、同时也用于触发脉冲的引入。
所述外接电阻为玻璃釉电阻。
所述外接电容为陶瓷电容。
本发明的有益效果：
本发明在开关各间隙引入电容电阻网络，即并联外接电阻和电容，能够降低多间隙开关触发阈值，使开关在较低幅值触发脉冲作用下能够低抖动可靠导通，有利于简化FLTD触发系统、改善气体开关触发性能，促进FLTD脉冲功率源的应用。
通过在气体开关各间隙并联容值不同的电容，使得开关在触发过程中电压较集中分配于并联电容最小的间隙，导致该间隙更容易击穿，可有效降低开关触发阈值。
通过在气体开关各间隙并联相同阻值电阻，使得开关在直流耐压过程中各间隙电压分配更加均匀，可有效降低开关自放电概率。
附图说明
图1是本发明气体开关的纵剖面结构图。
图2是本发明包含外接电阻电容网络的低触发阈值气体开关外形示意图。
图3是本发明气体开关电路参数模型及触发过程中各间隙电压分配仿真结果。
图中，1.上高压电极，2.下高压电极，3.中间电极，4.触发电极，5.电极引出针，6.气嘴，7.绝缘外壳，8.电极支撑，9.电极绝缘插片，10外接电容，11外接电阻。
具体实施方式
下面结合附图与实施例对本发明进一步说明。
一种六间隙气体开关如图1所示。开关包括2个高压电极、4个中间电极、1个触发电极(位于中间位置的中间电极即为触发电极)、绝缘外壳、多个电极支撑、多个电极绝缘插片、5个电极引出针及多个外接电容、电阻。
高压电极与中间电极沿轴向分布形成多个串联气体间隙。在绝缘外壳的侧面，每个中间电极对应位置处开孔，放置电极引出针，电极引出针一端与对应中间电极接触，另一端位于绝缘外壳外，方便连接外接电阻及电容，触发电极对应的电极引出针同时用于触发脉冲的引入。外接电阻为玻璃釉电阻，各间隙外接电阻阻值相同，外接电容为陶瓷电容，各间隙并联容值不同的电容。
在开关各间隙并联外接电阻和电容。开关在直流耐压过程中各间隙电压分布主要受并联电阻影响，通过并联相同阻值的外接电阻，使电压在各间隙均匀分配。在触发过程中各间隙电压分配主要受并联电容影响，通过在各间隙并联不同容值电容，其中某个间隙分配到更高的触发电压，提高了该间隙过电压系数，使该间隙更易击穿，剩余间隙在放电紫外光的环境下依次过电压击穿，进而降低开关触发阈值，提高开关触发特性。
本发明的安装过程是，在下高压电极2上依次堆叠电极支撑8、电极绝缘插片9及中间电极3，然后将绝缘外壳7由上端套入，在此过程中注意绝缘外壳7与电极支撑8开孔位置相对应。分别将上高压电极1与下高压电极2与绝缘外壳连接，上高压电极1与下高压电极2上配有密封圈，绝缘外壳7上安装气嘴6。将电极引出针5插入绝缘外壳7侧面开孔处，确保与中间电极3良好接触。在各间隙连接外接电阻11、外接电容10。
本发明涉及的气体开关电路模型及各间隙电压分配仿真结果如图3所示，气体开关由间隙1～6构成，每个间隙均可等效为绝缘电阻RG及杂散电容Cp的并联，其中绝缘电阻RG约为10GΩ，杂散电容Cp约为3pF。每个间隙均并联外接电阻RH，阻值为300MΩ，间隙1与间隙6并联外接电容CH1分别为300pF，间隙2与间隙5并联外接电容CH2分别为100pF，间隙3与间隙4并联外接电容CH3分别为3pF。
0～100ns为开关直流耐压过程，开关充电±100kV，每个间隙耐受电压约33kV，在t＝100ns时刻施加触发脉冲至触发电极，触发脉冲幅值140kV，由图中可以看出电压较集中分配于间隙3上，与未引入电阻电容网络情况相比，间隙3场过电压系数由1.4增加至2.3，相同抖动下触发脉冲幅值可由140kV降低至约85kV。
本发明的说明书已经对发明内容给出了充分的说明，电阻电容网络的具体参数及安装方式可以根据实际需求设定，普通技术人员足以通过本发明说明书的内容加以实施。在权利要求的框架下，任何基于本发明思路的改进都属于本发明的权利范围。
Claims (7)
1.一种低触发阈值的多间隙气体开关，包括多间隙气体开关本体，其特征在于：多间隙气体开关本体的每个间隙均并联有外接电阻和外接电容，所有外接电容中至少有一个电容与其他电容的值不同。
2.根据权利要求1所述的低触发阈值的多间隙气体开关，其特征在于：所有外接电阻的阻值相同。
3.根据权利要求1或2所述的低触发阈值的多间隙气体开关，其特征在于：各外接电阻R取值根据开关工作电压U、最大允许泄漏电流Im及间隙数目n确定，
4.根据权利要求1所述的低触发阈值的多间隙气体开关，其特征在于：各外接电容取值根据开关间隙分布电容容值确定，所有外接电容容值至少比开关间隙分布电容容值高一个量级。
5.根据权利要求1所述的低触发阈值的多间隙气体开关，其特征在于：所述多间隙气体开关本体主要由高压电极、中间电极、触发电极和绝缘外壳组成，其中，高压电极与中间电极沿轴向分布形成多个串联气体间隙，在绝缘外壳的侧面分别对应于每个中间电极的位置处开孔、放置有电极引出针，电极引出针一端与对应中间电极接触，电极引出针另一端位于绝缘外壳外，用于连接所述外接电阻和外接电容、同时也用于触发脉冲的引入。
6.根据权利要求1所述的低触发阈值的多间隙气体开关，其特征在于：所述外接电阻为玻璃釉电阻。
7.根据权利要求1所述的低触发阈值的多间隙气体开关，其特征在于：所述外接电容为陶瓷电容。
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