CN107888174B - 一种高压四断口激光触发真空开关 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种高压四断口激光触发真空开关，属于高压大容量脉冲功率开关技术领域。一种高压四断口激光触发真空开关，包括四个首尾依次连接的平板型激光触发真空间隙及其同步触发系统；四个真空间隙分别位于一等腰梯形的四个顶点；本发明将四个激光触发真空间隙串联组成高压激光触发真空开关，设置串联间隙的布置方式使间隙间电压均匀分布，配合多触发极结构的激光触发真空间隙及同步触发系统，提升高压四断口激光触发真空开关的同步导通性能及其应用电压等级；采用多路平行激光同时轰击电极表面的多个靶电极，以产生更多初始等离子体，提升开关的导通性能与使用寿命。

Description

一种高压四断口激光触发真空开关

技术领域

本发明属于高压大容量功率开关技术领域，涉及一种高压四断口激光触发真空开关。

背景技术

近年来我国国防、科研、电力系统保护等多个关键技术领域对脉冲功率技术的应用与研究需求不断增长，研发一种大功率、高重频、工作性能优异的脉冲功率开关器件势在必行。目前针对脉冲功率系统中闭合开关的研究主要可分为气体触发开关和真空触发开关两个方向，按其触发方式区分又有电脉冲触发和激光触发两种类型。电脉冲触发开关主要依赖其触发极与主电极间的高能脉冲放电来产生初始等离子体导通主间隙，具有结构简单、通流量大的优点；但维持其良好工作性能所需的触发能量过高，且电弧对其触发极及触发极涂覆材料存在严重的烧蚀作用，影响电脉冲触发开关的应用范围和使用寿命。激光触发开关采用激光脉冲作为触发源，具有触发系统电气隔离、重复触发控制简单的特点。激光触发气体开关受其绝缘气体电气特性的影响，重频开断能力相对较差；此外，为获得良好的工作性能，激光触发气体开关需维持较高的工作欠压比及一定充气压力，限制了其应用范围。

激光触发真空开关是一种综合了电脉冲触发真空开关和激光触发气体开关技术优点的一种新型脉冲功率闭合开关器件，其以高能量密度的激光脉冲轰击靶电极中触发靶材，产生大量初始等离子体使真空间隙能快速导通；利用真空短间隙良好的绝缘性能和极为优异灭弧能力获得更佳的重频开断特性。相较于激光触发气体开关，激光触发真空开关具有导通延时短、触发精度高、工作电压范围宽、触发可靠性高、重频开断特性优良、工作寿命长、抗干扰能力强等优点，在诸多应用领域都展现出了极大的发展潜力。但受限于真空间隙耐压水平与其间隙距离间存在非线性增长关系，提升单断口激光触发真空开关的电压等级较为困难。国内外现有的激光触发真空开关产品的电压等级相对较低且性能有限，难以满足高压系统对大容量激光触发真空开关的工作性能需求。

基于高压多断口真空开关技术的研究基础，若将多个激光触发真空间隙串联，组成一种新型多断口激光触发真空开关以提升其应用电压等级；设置串联真空间隙的布置方式使间隙间获得更为均匀的电压分布关系，满足多断口激光触发真空开关的同步导通需求；改变真空间隙内靶电极的数量和位置，使间隙内能产生更多初始等离子体以提升开关的同步导通性能；设计开关的同步触发系统，控制激光器同时产生多路能量相等的平行激光，实现多个激光触发真空间隙的同步触发，以此获得性能更优、容量更大的激光触发真空开关产品。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种高压四断口激光触发真空开关，通过设置四个串联的激光触发真空间隙的布置方式来优化间隙间电压分布关系，满足多断口激光触发真空开关的同步导通需求；改变真空间隙内靶电极数量使间隙内能产生更多初始等离子体，提升激光触发真空开关的同步导通性能；设计同步触发系统，使激光器同时发出多路能量相等的平行激光，实现高压四断口激光触发真空开关快速、同步导通。

本发明的技术方案：

一种高压四断口激光触发真空开关，包括同步触发系统、四个串联的平板电极结构的激光触发真空间隙、高压接线端子、接线端子、低压接线端子、支撑绝缘子、空心绝缘支柱、双层架台和底座；

所述的四个激光触发真空间隙分别位于架台的上、下两层上，四个激光触发真空间隙经三个接线端子首尾相连，形成一个等腰梯形，各激光触发真空间隙分别位于等腰梯形的顶点处，同一侧两个激光触发真空间隙的连线与地面的夹角为45°，此布置方式可使串联真空间隙间的电压均匀分布，避免不同欠压比下各激光触发真空间隙的导通延时及触发精度差异对高压四断口激光触发真空开关的同步导通性能的影响，同时可在一定程度上提升开关的应用电压等级；高压四断口激光触发真空开关经高压接线端子、低压接线端子与外部系统连接；各激光触发真空间隙通过支撑绝缘子和/或绝缘支柱被分别竖直固定在双层架台上，保证开关的机械稳定性及外绝缘需求，底座设置于双层架台下方，用于支撑整个高压四断口激光触发真空开关；

所述的平板型激光触发真空间隙包括绝缘外壳、上端盖法兰、下端盖法兰、阳极导电杆、阴极导电杆、隔挡盖、高透光学玻璃、密封可阀、屏蔽罩、阳极触头、阴极触头、通光孔、触发靶材和靶电极；

所述的绝缘外壳为带伞群的圆柱状腔体，其上下两端分别由上端盖法兰、下端盖法兰密封；阳极导电杆为空心圆柱，通过上端盖法兰实现密封；阴极导电杆与下端盖法兰密封连接；阳极导电杆顶部接有隔档盖，隔档盖内嵌有高透光学玻璃和密封可阀，高透光学玻璃经密封可阀密封连接在阳极导电杆的顶部，在保证触发间隙内真空度的同时提供激光通道；

屏蔽罩位于绝缘外壳内部，用于优化激光触发真空间隙内电场分布；阳极触头与阳极导电杆底部直连，阴极触头接于阴极导电杆顶部，阳极触头与阴极触头相对布置，均位于屏蔽罩内；

阳极触头中心设有多个通光孔，各通光孔位于一个与阳极触头同心的正多边形顶点，各通光孔与阴极触头表面多个靶电极的位置一一对应；触发靶材经压制后填充于靶电极内，触发靶材的位置略低于阴极触头表面，以减弱电弧烧蚀对靶材使用寿命的影响；

所述的通光孔与靶电极的数量及位置可根据工程需要进行调整，增大通光孔与靶电极的数量可增大激光与触发靶材的直接作用面积，提升激光触发真空开关的导通性能，同时在一定程度上减小激光烧蚀对靶材寿命的影响；入射激光经高透光学玻璃及阳极导电杆下的通光孔作用于靶电极内触发靶材。

所述的同步触发系统，包括触发控制器、通信光纤、两台激光器、两组第一分光镜片A、两组全反镜片A和四条结构相同的分光光路；所述的第一分光镜片A为透过率50％的1:1分光镜片；

所述的触发控制器通过通信光纤分别控制两台激光器，每台激光器对应一组第一分光镜片A、一组全反镜片A和两条分光光路，激光器发出的激光首先经第一分光镜片A分光成为两路能量相等的激光，经第一分光镜片A反射的激光进入第一条分光光路，透过第一分光镜片A的另一路激光经全反镜片A反射进入第二条分光光路；

每条分光光路包括多个分光镜片、多个全反镜片和多个聚焦镜片，分光光路将入射激光分光成多束能量相等的平行激光；分光镜片的分光比例、位置与数量与全反镜片的位置、数量以及聚焦镜片的位置和数量相配合，使最终射入激光触发真空间隙内的激光束的数目与通光孔数目相同；

触发控制器经远程光纤接收外部系统的动作指令后，经通信光纤分别向两台激光器发送触发信号，激光器发出的激光分别进入四条分光光路进行分光，分光后的激光经过各聚焦镜片聚焦后，穿过高透光学玻璃、通光孔后聚焦于触发靶材表面，实现四个激光触发真空间隙同步导通。

分光光路的优选方案：

每条分光光路包括第二分光镜片、全反镜片B、第一分光镜片B、全反镜片C和三个聚焦镜片；所述的第二分光镜片为透过率66％的2:1分光镜片，所述的第一分光镜片B为透过率50％的1:1分光镜片；

当触发控制器向两台激光器发送动作指令，激光器发出的激光脉冲先经第一分光镜片A进行一次分光，经第一分光镜片A反射的激光经第二分光镜片进行二次分光；经第二分光镜片反射的激光又经全反镜片B反射后射向一个聚焦镜片，透过第二分光镜片的激光又被第一分光镜片B进行三次分光，透过第一分光镜片B的激光射向另一聚焦镜片，被第一分光镜片B反射的激光经全反镜片C反射后射向第三个聚集镜片；最终，分光后能量相等的平行激光经各自聚焦镜片分别聚焦后，穿过高透光学玻璃、通光孔后聚焦于触发靶材表面；透过第一分光镜片A的激光经全反镜片A反射，射入另一相同的分光光路。

四条分光光路共产生十二路能量相等的平行激光，每条分光光路产生的三路平行激光射入同一激光触发真空间隙内，作用于阴极表面的三个触发靶材。

本发明的有益效果：本发明采用四个平板型激光触发真空间隙串联，通过设置各间隙合理的串联布置方式，使四个真空间隙间电压均匀分布，满足高压四断口激光触发真空开关的同步导通需求，提升其应用电压等级；设计带多个靶电极的激光触发真空间隙，通过增大激光与触发靶材的作用面积使真空间隙获得更短的导通延时，提升激光触发真空开关的同步导通性能，同时可在一定程度上减弱激光烧蚀对触发靶材使用寿命的影响；设计同步触发系统，能同时产生多路能量相等的平行激光，实现串联的激光触发真空间隙同步导通。

附图说明

图1是四断口高压激光触发真空开关结构示意图。

图2是平板型激光触发真空间隙内部结构示意图。

图3是平板型激光触发真空间隙内阴极表面俯视图。

图4是同步触发系统示意图。

图中：1激光触发真空间隙A；2激光触发真空间隙B；3激光触发真空间隙C；4激光触发真空间隙D；5高压接线端子；6低压接线端子；7接线端子；8支撑绝缘子；9绝缘支柱；10阴极导电杆；11阳极导电杆；12入射激光；13底座；14双层架台；15绝缘外壳；16上端盖法兰；17下端盖法兰；18隔档盖；19高透光学玻璃；20密封可阀；21屏蔽罩；22阳极触头；23阴极触头；24通光孔；25触发靶材；26靶电极；27触发控制器；28通信光纤；29激光器；30第一分光镜片A；31全反镜片A；32第二分光镜片；33全反镜片B；34第一分光镜片B；35全反镜片C；36聚焦镜片。

具体实施方式

以下结合技术方案和附图详细叙述本发明的具体实施方式。

结合图1～图4，一种高压四断口激光触发真空开关，包括四个串联的平板型激光触发真空间隙和同步触发系统；

高压四断口激光触发真空开关通过真空间隙A1阳极上的高压接线端子5与真空间隙D4阴极上的低压接线端子6与外部系统连接；四个真空间隙分别位于等腰梯形的四个顶点，两侧斜边上的两个真空间隙连线与地面夹角为45°，此布置方式可使间隙间电压分布关系更为均匀；四个真空间隙均竖直放置，各间隙经若干个接线端子7依次首尾相连，通过多个支撑绝缘子8或空心的绝缘支柱9被分别固定在两层架台14上，双层架台14上预留有激光通道；为使高压激光触发真空开关获得最佳导通性能，四个真空间隙均采用正极性触发方式。

两台激光器发出的高能激光脉冲经四条分光光路形成十二路能量相等的平行激光，每条分光光路产生三路平行激光，共组成四组入射激光12，入射激光12穿过经密封可阀20密封在阳极导电杆11顶部的高透光学玻璃19、空心阳极导电杆11内激光通道、阳极触头22表面的三个通光孔24后，垂直轰击阴极触头23表面的三个触发靶材25，激光与触发靶材相互作用产生大量初始等离子体，使平板型激光触发真空间隙快速导通；为避免户外使用时中空气杂物或污秽对光路激光透过率的影响，可对光路中各部分做密封处理，聚焦镜片前的分光光路部分置于低电位，通过十二条激光光纤将分光后的十二路激光传输至聚焦镜片前，再经聚焦镜片聚焦，将激光作用于触发靶材。

触发控制器27收到外部系统动作指令后，经通信光纤28同时向两台激光器29发送动作指令，激光器29发出的激光脉冲经过光路分光、聚焦后形成多路平行激光，分别同时作用于各真空间隙内触发靶材25表面，产生大量初始等离子体，四个激光触发真空间隙在相近的工作电压作用下迅速同时导通，高压激光触发真空开关快速、同步的完成闭合动作。

Claims (2)

1.一种高压四断口激光触发真空开关，其特征在于，包括同步触发系统、四个串联的平板型激光触发真空间隙、高压接线端子（5）、接线端子（7）、低压接线端子（6）、支撑绝缘子（8）、空心绝缘支柱（9）、双层架台（14）和底座（13）；

所述的四个平板型激光触发真空间隙首尾相连，形成一个等腰梯形，各平板型激光触发真空间隙分别位于等腰梯形的顶点处，同一侧两个平板型激光触发真空间隙的连线与地面的夹角为45°；高压四断口激光触发真空开关经高压接线端子（5）、低压接线端子（6）与外部系统连接；各平板型激光触发真空间隙通过支撑绝缘子（8）和/或空心绝缘支柱（9）被分别竖直固定在双层架台（14）上，保证开关的机械稳定性及外绝缘需求，底座（13）设置于双层架台（14）下方，用于支撑整个高压四断口激光触发真空开关；

所述的平板型激光触发真空间隙包括绝缘外壳（15）、上端盖法兰（16）、下端盖法兰（17）、阳极导电杆（11）、阴极导电杆（10）、隔挡盖（18）、高透光学玻璃（19）、密封可阀（20）、屏蔽罩（21）、阳极触头（22）、阴极触头（23）、通光孔（24）、触发靶材（25）和靶电极（26）；

所述的绝缘外壳（15）为带伞群的圆柱状腔体，其上下两端分别由上端盖法兰（16）、下端盖法兰（17）密封；阳极导电杆（11）为空心圆柱，通过上端盖法兰（16）实现密封；阴极导电杆（10）与下端盖法兰（17）密封连接；阳极导电杆（11）顶部接有隔挡盖（18），隔挡盖（18）内嵌有高透光学玻璃（19）和密封可阀（20），高透光学玻璃（19）经密封可阀（20）密封连接在阳极导电杆（11）的顶部，保证触发间隙内真空度的同时提供激光通道；

阳极触头（22）与阴极触头（23）相对布置，均位于屏蔽罩（21）内，阳极触头（22）中心设有多个通光孔（24），各通光孔（24）位于一个与阳极触头同心的正多边形顶点，各通光孔（24）与阴极触头（23）表面多个靶电极（26）的位置一一对应；触发靶材（25）经压制后填充于靶电极（26）内，触发靶材（25）的位置略低于阴极触头（23）表面；入射激光（12）经高透光学玻璃（19）及阳极导电杆（11）下的通光孔（24）作用于靶电极（26）内触发靶材（25）；

所述的同步触发系统，包括触发控制器（27）、通信光纤（28）、两台激光器（29）、两组第一分光镜片A（30）、两组全反镜片A（31）和四条结构相同的分光光路；所述的第一分光镜片A（30）为透过率50%的1:1分光镜片；

所述的触发控制器（27）通过通信光纤（28）分别控制两台激光器（29），每台激光器（29）对应一组第一分光镜片A（30）、一组全反镜片A（31）和两条分光光路，激光器（29）发出的激光首先经第一分光镜片A（30）分光成为两路能量相等的激光，经第一分光镜片A（30）反射的激光进入第一条分光光路，透过第一分光镜片A（30）的另一路激光经全反镜片A（31）反射进入第二条分光光路；

每条分光光路包括多个分光镜片、多个全反镜片和多个聚焦镜片，分光光路将入射激光分光成多束能量相等的平行激光；分光镜片的分光比例、位置与数量与全反镜片的位置、数量以及聚焦镜片的位置和数量相配合，使最终射入平板型激光触发真空间隙内的激光束的数目与通光孔（24）数目相同；

触发控制器（27）经远程光纤接收外部系统的动作指令后，经通信光纤（28）分别向两台激光器（29）发送触发信号，激光器（29）发出的激光分别进入四条分光光路进行分光，分光后的激光经过各聚焦镜片（36）聚焦后，穿过高透光学玻璃（19）、通光孔（24）后聚焦于触发靶材（25）表面，实现四个平板型激光触发真空间隙同步导通。

2.根据权利要求1所述的一种高压四断口激光触发真空开关，其特征在于，所述的分光光路包括第二分光镜片（32）、全反镜片B（33）、第一分光镜片B（34）、全反镜片C（35）和三个聚焦镜片（36）；所述的第二分光镜片（32）为透过率66%的2:1分光镜片，所述的第一分光镜片B（34）为透过率50%的1:1分光镜片；

当触发控制器（27）向两台激光器（29）发送动作指令，激光器（29）发出的激光脉冲先经第一分光镜片A（30）进行一次分光，经第一分光镜片A（30）反射的激光经第二分光镜片（32）进行二次分光；经第二分光镜片（32）反射的激光又经全反镜片B（33）反射后射向一个聚焦镜片（36），透过第二分光镜片（32）的激光又被第一分光镜片B（34）进行三次分光，透过第一分光镜片B（34）的激光射向另一聚焦镜片（36），被第一分光镜片B（34）反射的激光经全反镜片C（35）反射后射向第三个聚焦镜片（36）；最终，分光后能量相等的平行激光经各自聚焦镜片（36）分别聚焦后，穿过高透光学玻璃（19）、通光孔（24）后聚焦于触发靶材（25）表面；透过第一分光镜片A（30）的激光经全反镜片A（31）反射，射入另一相同的分光光路；

四条分光光路共产生十二路能量相等的平行激光，每条分光光路产生的三路平行激光射入同一平板型激光触发真空间隙内，作用于阴极表面的三个触发靶材。