CN108183392B - 一种可预电离触发的场畸变型高压气体开关 - Google Patents

一种可预电离触发的场畸变型高压气体开关 Download PDF

Info

Publication number
CN108183392B
CN108183392B CN201711424594.9A CN201711424594A CN108183392B CN 108183392 B CN108183392 B CN 108183392B CN 201711424594 A CN201711424594 A CN 201711424594A CN 108183392 B CN108183392 B CN 108183392B
Authority
CN
China
Prior art keywords
switch
trigger
pressure gas
gas switch
field distortion
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
CN201711424594.9A
Other languages
English (en)
Other versions
CN108183392A (zh
Inventor
江进波
杨文�
杨林森
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
China Three Gorges University CTGU
Original Assignee
China Three Gorges University CTGU
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by China Three Gorges University CTGU filed Critical China Three Gorges University CTGU
Priority to CN201711424594.9A priority Critical patent/CN108183392B/zh
Publication of CN108183392A publication Critical patent/CN108183392A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN108183392B publication Critical patent/CN108183392B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01T—SPARK GAPS; OVERVOLTAGE ARRESTERS USING SPARK GAPS; SPARKING PLUGS; CORONA DEVICES; GENERATING IONS TO BE INTRODUCED INTO NON-ENCLOSED GASES
    • H01T2/00—Spark gaps comprising auxiliary triggering means
    • H01T2/02—Spark gaps comprising auxiliary triggering means comprising a trigger electrode or an auxiliary spark gap
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01T—SPARK GAPS; OVERVOLTAGE ARRESTERS USING SPARK GAPS; SPARKING PLUGS; CORONA DEVICES; GENERATING IONS TO BE INTRODUCED INTO NON-ENCLOSED GASES
    • H01T1/00—Details of spark gaps
    • H01T1/20—Means for starting arc or facilitating ignition of spark gap
    • H01T1/22—Means for starting arc or facilitating ignition of spark gap by the shape or the composition of the electrodes
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01T—SPARK GAPS; OVERVOLTAGE ARRESTERS USING SPARK GAPS; SPARKING PLUGS; CORONA DEVICES; GENERATING IONS TO BE INTRODUCED INTO NON-ENCLOSED GASES
    • H01T15/00—Circuits specially adapted for spark gaps, e.g. ignition circuits

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Combustion & Propulsion (AREA)
  • Generation Of Surge Voltage And Current (AREA)
  • Plasma Technology (AREA)

Abstract

本发明提供一种可预电离触发的场畸变型高压气体开关，所述场畸变型高压装置包括绝缘板、铜预电离针、触发盘、绝缘筒、主电极、固定杆。绝缘板和绝缘筒围成腔体结构，腔体结构中装设有主电极、铜火花针，火花针与触发盘构成了预电离间隙，当施加触发脉冲时，火花针与触发盘之间会预放电，火花放电产生的带电粒子可为主间隙放电提供初始种子电子，实现触发时的多电子引燃；此外，火花放电过程中的紫外光照将引起空间光电离，以及电极材料逸出自由电子，使开关的主间隙放电过程快速稳定。本发明通过在开关端盖处装设火花针，巧妙的构建了一个预电离间隙，使得开关的触发性能更加稳定，开关导通的时延和抖动明显减小。本发明为了配合可预电离触发的场畸变型高压气体开关合理使用，提供了该高压气体开关的应用电路图，所述电路图中的触发系统，可保证此开关稳定可靠的工作。

Description

一种可预电离触发的场畸变型高压气体开关
技术领域
本发明属于一种高压气体开关，特别是一种可预电离触发的场畸变型高压气体开关。
背景技术
场畸变开关以其工作范围广、易于使用、通流能力强等特点成为脉冲功率技术领域的研究热点。快前沿、大功率脉冲的获得与场畸变开关的放电特性密不可分。要使开关放电抖动低、放电迅速，可采用紫外预电离的方式，预电离间隙火花放电产生的带电粒子可为主间隙放电提供初始种子电子，实现触发时的多电子引燃，提高开关导通的稳定性。
常用的预电离技术主要有：电子束预电离、射频预电离、紫外光预电离、以及放射性源预电离等。在气体开关上应用较多的是紫外光预电离技术，通过紫外线灯、火花放电、表面电晕放电为开关间隙提高紫外线照射。紫外光预电离，通过对接在触发电极中的火花针施加触发脉冲时，由于隔离电阻的存在，火花针和触发电极之间将形成一个压差，在这种空间电场畸变的影响下，火花针和触发极间的气隙将先被击穿，形成火花放电。预电离对开关主间隙形成紫外线照射的效果并为气体开关的主间隙提供了大量的游离电子，从而为气体开关主间隙的导通创造有利的条件。
目前在研究高气体开关寿命的具体途径上，研究一种加装预电离电极的场畸变开关，通过对开关的基本试验表明，开关整体静态稳定性良好，触发可靠，导通分散性小，多次放电后，开关的自击穿电压没有显著变化，且与普通场畸变开关相比，触发可靠性大大提高。
开关的导通性能与触发脉冲性能密切相关，场畸变开关触发脉冲的上升陡度、峰值电压及触发脉冲注入能量等都是重要因素。研究表明，随着触发脉冲陡度的增加，开关延时及其分散性相应减小；增加触发脉冲能量将缩短开关的开通时间；开关工作稳定可靠也依赖于电压幅值高、上升时间短的高压触发脉冲。场畸变开关是由两个主电极和触发盘组成，它需要合适的触发系统与其配合使用，畸变型高压气体开关应用电路图需要合理的设置触发系统，当触发系统输出的脉冲幅值不小于开关电压的1/3，陡度在3～5kV/ns，能量大于5mJ，此外，触发电路需要保证了铜火花针与触发盘之间先放电，产生的紫外光照射到开关的主电极，使得金属电极材料更易发射电子，从而开关能够可靠工作。本发明专利的触发装置通过电容放电后经脉冲变压器升压陡化后获得上升前沿为5.5kV/ns，幅值为开关工作电压一半的触发脉冲，主电路与触发电路之间安全隔离，触发控制方式灵活、抗干扰能力强、系统结构简单、紧凑，工作稳定可靠。
公布号为CN103400717A的中国专利公开了一种多电极场畸变气体开关及多开关同步触发方法，它是一种普通的场畸变气体开关，本专利设计的带预电离的场畸变气体开关，触发盘的厚度较薄，通过引入预电离放电，可以扩大开关的工作范围，降低开关对触发脉冲的要求，提高开关工作的稳定性缺陷。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种可预电离触发的场畸变型高压气体开关，目的是对触发脉冲的幅值和陡度要求降低，有效的减小开关的击穿时延和抖动，使得开关更容易导通。
为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：
一种可预电离触发的场畸变型高压气体开关，它包括高压气体开关，高压气体开关包括绝缘外壳、上电极、下电极以及触发盘，绝缘外壳包括绝缘板、绝缘筒，绝缘板和绝缘筒围成腔体结构，上电极、下电极以及触发盘均设置在腔体结构中，包括预电离针，预电离针一端固定在绝缘板上，另一端朝触发盘方向延伸。
上述预电离针的自由端与触发盘间隙为2mm。
上述预电离针与主电极中的阴极水平设置，预电离针与阴极之间的间隙为5mm。
它包括开关应用电路，开关触发电路包括储能电容，该储能电容以及可控硅串接在变压器的低压回路中。
它包括高压气体开关，能够为高压气体开关提供能量的储能电容，该储能电容置串接在变压器的高压回路中。
包括第两个等值的高压电阻，两个高压电阻的一端共同与触发盘连接，另一端分别与上电极以及下电极连接。
上述隔离电阻、阻尼电阻串接在高压气体开关的触发盘与变压器之间，隔离电阻与阻尼电阻之间与预电离针连接。
在变压器的高压回路中设有两个高压陶瓷电容。
上述可控硅为双向可控硅。
上述开关触发电路包括储能电容，采用CBB电容，电压为400V，电容值为0.1uF，开关触发电路的脉冲能量约为5mJ，陡度为5.5kV/ns。
上述为高压气体开关提供能量的储能电容，电容值为0.2μF，它由高压直流电源充电，电压为30kV。
采用上述技术方案，本发明具有如下技术效果：
1)、装设有铜火花针，火花针与触发盘构成了预电离间隙，当施加触发脉冲时，火花针与触发盘之间会预放电，火花放电产生的带电粒子可为主间隙放电提供初始种子电子，实现触发时的多电子引燃；
2)、火花放电过程中的紫外光照将引起空间光电离，以及电极材料逸出自由电子，使开关的主间隙放电过程快速稳定；
3)、可预电离触发的场畸变型高压气体开关合理使用，提供了该高压气体开关的应用电路图，所述电路图中的触发系统，可保证此开关稳定可靠的工作。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明：
图1为本发明的整体结构示意图；
图2为本发明的电路图。
具体实施方式
如图1所示，一种可预电离触发的场畸变型高压气体开关，它包括高压气体开关，高压气体开关包括绝缘外壳、阳极1、阴极2以及触发盘3，绝缘外壳包括绝缘板4、绝缘筒5，绝缘板4和绝缘筒5围成腔体结构，阳极1、阴极2以及触发盘3均设置在腔体结构6中，包括预电离针7，预电离针7一端固定在绝缘板4上，另一端朝触发盘3方向延伸。
采用上述结构，首先，火花针与触发盘构成了预电离间隙，当施加触发脉冲时，火花针与触发盘之间会预放电，火花放电产生的带电粒子可为主间隙放电提供初始种子电子，实现触发时的多电子引燃，这样会对触发脉冲的幅值和陡度要求降低；
其次，火花放电过程产生的紫外光照射到开关的主电极，有助于开关主间隙的导通，可有效减小开关的击穿时延和抖动，使开关的主间隙放电过程快速稳定。
所述预电离针7头部为尖端与触发盘3间隙为2mm。
所述预电离针7与阴极2水平设置，预电离针7与阴极2之间的间隙为5mm。这样可以，防止因距离过大导致预电离间隙难以击穿，这样可以保证预电离间隙可靠的预放电。
如图2所示，整个应用电路包括高压气体开关以及触发电路，触发电路包括储能电容C3、双向可控硅SCR，二极管D2、电阻R5，储能电容C3以及双向可控硅SCR串接在变压器的低压回路中，二极管D2和电阻R5与储能电容C3以及可控硅SCR并联。C3提供触发脉冲的能量，SCR为双向可控硅，SCR导通时，C3短路放电，产生的脉冲信号经触发脉冲变压器TR升压到需要的幅值。
包括高压电阻R117以及高压电阻R218，高压电阻R117以及高压电阻R218的一端共同与触发盘3连接，另一端分别与上电极以及下电极连接。
设置高压电阻R117以及高压电阻R218相等时，它使开关在静态时处于开关电压的1/2。
包括隔离电阻R316、阻尼电阻R415串接在高压气体开关的触发盘3与变压器12之间，隔离电阻R316与阻尼电阻R415之间与预电离针7连接。阻尼电阻R415能够防止线路上的杂散电感，以及变压器的漏感与隔离电容以及开关的杂散电容形成振荡。R316为隔离电阻，它使铜火花针与触发盘之间形成电位差，保证火花针与触发盘之间先放电。
在变压器TR12高压端回路中设有为高压陶瓷电容C113、C214。高压陶瓷电容C113、C214可隔离保护脉冲变压器TR12和低压回路。
包括储能电容器C019，它由高压直流电源充电。这样，经过高压直流电源对储能电容器C019充电后，储能电容器C019能够位开关提供能量，作为电源的作用。
所述触发电路储能电容C38，它的电容值为0.1uF，开关触发电路的脉冲能量为5mJ至10mJ，陡度为3kV/ns至5kV/ns。这样，开关触发电路以及高压气体开关能稳定、可靠的工作，在所给出的电路参数中，高压气体开关没有出现不能导通或导通不稳定的状态。
具体的，场畸变型高压气体开关一般采用国外T-508结构，在场畸变型高压气体开关结构的基础上，加装铜针在绝缘筒和底部主电极之间，铜针用长螺钉固定在底端绝缘板上，铜材料具有导热导电性能好的特点，铜针的直径为5mm，铜针的头部为圆锥尖状，与触发盘构成的预电离间隙距离为2mm，铜针距离底部的主电极间的距离约为5至10mm。为了一种可预电离触发的场畸变型高压气体开关可靠的工作，需要保证火花针与触发盘之间先放电，然后才是主间隙导通。
具体的，为了很好的配合上述结构，使本发明中的可预电离触发的场畸变型高压气体开关稳定、可靠的工作，其中稳定、可靠指的是不出现场畸变型高压气体开关不能导通的情形，C0为储能电容器，C0＝0.2μF，它由高压直流电源充电，C0的电压为30kV，S为一种可预电离触发的场畸变型高压气体开关，R1，R2为等值高压电阻，R1＝R2＝50MΩ它使开关在静态时处于开关电压的1/2。开关S被触发导通时，主电容器通过开关S可对外接的负载放电。开关触发系统由触发电路中，开关触发系统由R3、R4、R5、C1、C2、TR、D2、SCR、C3组成，设有C3提供触发脉冲的能量，SCR为双向可控硅，SCR导通时，C3短路放电，产生的脉冲信号经触发脉冲变压器TR升压到需要的幅值。C1，C2为高压陶瓷电容，可隔离保护脉冲变压器TR和低压回路，C1＝C2＝500pF，R4为线路中的阻尼电阻，防止线路上的杂散电感，以及变压器的漏感与隔离电容以及开关的杂散电容形成振荡。R3为隔离电阻，它使铜火花针与触发盘之间形成电位差，从而产生预放电，预电离场畸变开关需要保证火花针与触发盘之间先放电，然后才是主间隙导通，所以R3不能选的太小，但选的太大会使主间隙电场畸变系数减小，所以需要进行综合考虑，此电路中R3＝6MΩ，R4＝2kΩ
具体的，在使用时，触发电路中的储能电容C3经市电整流后获得约为300V的电压，C3经可控硅对脉冲变压器的原边放电，在副边产生的脉冲电压幅值约为15kV，且极性为负极性。C3＝0.1uF，脉冲能量约为5mJ，陡度为5.5kV/ns，开关能很好、可靠工作。
加入铜火花针后，场畸变开关对触发脉冲的幅值和陡度要求降低，未施加触发脉冲时，开关中的电场强度未达到气体击穿阈值，开关处于断开状态；当施加触发脉冲时，预电离间隙放电，触发盘上的电位跳变为-15kV，使触发盘与上面主电极间的电位差变为30kV，上端主间隙过压击穿，触发盘上电位变为30kV，然后下端主间隙击穿。此击穿过程与场畸变击穿过程相同，但主间隙导通前的预放电产生的紫外照射，有利于金属表面的电子逸出，实现多电子引燃，而且流注放电过程中的空间光电离也更加剧烈，从而有效减小开关导通的时延和抖动。

Claims (9)

1.一种可预电离触发的场畸变型高压气体开关，它包括高压气体开关，高压气体开关包括绝缘外壳、阳极(1)、阴极(2)以及触发盘(3)，绝缘外壳包括绝缘板(4)、绝缘筒(5)，绝缘板(4)和绝缘筒(5)围成腔体结构，阳极(1)、阴极(2)以及触发盘(3)均设置在腔体结构(6)中，其特征在于：包括预电离针(7)，预电离针(7)一端固定在绝缘板(4)上，另一端朝触发盘(3)方向延伸；当施加触发脉冲时，火花放电产生的带电粒子可为主间隙放电提供初始种子电子，实现触发时的多电子引燃，火花放电过程产生的紫外光照射到开关的主电极。
2.根据权利要求1所述的可预电离触发的场畸变型高压气体开关，其特征在于：所述预电离针(7)头部为尖端与触发盘(3)间隙为2mm。
3.根据权利要求1所述的可预电离触发的场畸变型高压气体开关，其特征在于：所述预电离针(7)与阴极(2)水平设置，预电离针(7)与阴极(2)之间的间隙为5mm。
4.根据权利要求1至3其中之一所述的可预电离触发的场畸变型高压气体开关，其特征在于：包括高压气体开关以及触发电路，触发电路包括储能电容C3(8)、双向可控硅SCR(9)、二极管D2(10)、电阻R5(11)，储能电容C3(8)以及双向可控硅SCR(9)串接在变压器的低压回路中，二极管D2(10)和电阻R5(11)与储能电容C3(8)以及可控硅SCR(9)并联。
5.根据权利要求4其中之一所述的可预电离触发的场畸变型高压气体开关，其特征在于：高压电阻R1(17)以及高压电阻R2(18)的一端共同与触发盘(3)连接，另一端分别与上电极以及下电极连接。
6.根据权利要求4所述的可预电离触发的场畸变型高压气体开关，其特征在于：包括隔离电阻R3(16)、阻尼电阻R4(15)串接在高压气体开关的触发盘(3)与变压器(12)之间，隔离电阻R3(16)与阻尼电阻R4(15)之间与预电离针(7)连接。
7.根据权利要求4所述可预电离触发的场畸变型高压气体开关，其特征在于：在变压器TR(12)高压端回路中设有为高压陶瓷电容C1(13)、C2(14)。
8.根据权利要求4所述的可预电离触发的场畸变型高压气体开关，其特征在于：包括储能电容器C0(19)，它由高压直流电源充电。
9.根据权利要求4所述的可预电离触发的场畸变型高压气体开关，其特征在于：所述触发电路储能电容C3(8)，它的电容值为0.05uF至0.15uF，开关触发电路的脉冲能量为5mJ至10mJ，陡度为3kV/ns至5kV/ns。
CN201711424594.9A 2017-12-25 2017-12-25 一种可预电离触发的场畸变型高压气体开关 Active CN108183392B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201711424594.9A CN108183392B (zh) 2017-12-25 2017-12-25 一种可预电离触发的场畸变型高压气体开关

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201711424594.9A CN108183392B (zh) 2017-12-25 2017-12-25 一种可预电离触发的场畸变型高压气体开关

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN108183392A CN108183392A (zh) 2018-06-19
CN108183392B true CN108183392B (zh) 2020-02-07

Family

ID=62547425

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201711424594.9A Active CN108183392B (zh) 2017-12-25 2017-12-25 一种可预电离触发的场畸变型高压气体开关

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN108183392B (zh)

Family Cites Families (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN100370565C (zh) * 2005-04-29 2008-02-20 西安交通大学 真空环境下可控三电极高能脉冲放电开关
CN103400717B (zh) * 2013-08-06 2015-12-23 国家电网公司 多电极场畸变气体开关及多开关同步触发方法
CN206164495U (zh) * 2016-11-08 2017-05-10 华中科技大学 一种带陡化间隙的触发真空开关触发源

Also Published As

Publication number Publication date
CN108183392A (zh) 2018-06-19

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN108736318B (zh) 预电离触发杆及采用该触发杆的气体开关
CN102176401B (zh) 电力电子脉冲变流用大功率类火花开关管
Li et al. Degradation of performance due to electrode erosion in field distortion gas switch in long-term repetitive operation
CN105057822B (zh) 高压脉冲除毛刺装置
CN108183392B (zh) 一种可预电离触发的场畸变型高压气体开关
CN207719586U (zh) 一种紫外灯照射的场畸变型高压气体开关
CN113285627B (zh) 一种脉冲电源系统及中子发生器
Lin et al. A 7.8 kV nanosecond pulse generator with a 500 Hz repetition rate
CN201450658U (zh) 一种二电极气体开关的Marx触发器的输出保护电路
Li et al. Development of a long-lifetime spark gap switch and its trigger generator for 2.0-MJ capacitive pulsed power supply module
Niedbalski High-voltage multichannel rail gap switch triggered by corona discharges
CN108448380B (zh) 一种激光触发的兆伏级低电感气体开关
SU410502A1 (zh)
CN202094076U (zh) 电力电子脉冲变流用大功率类火花开关管
RU2646845C2 (ru) Устройство формирования импульса сильноточного ускорителя электронов
Bingyan et al. Experimental study of secondary streamer energy in pulsed corona discharge
Korotkov et al. An PBЕ-73C vacuum spark gap with a control circuit based on an inductive energy storage
Lee et al. High repetitive switching of parallel micro-plasma spark gaps
RU2751542C1 (ru) Газоразрядный генератор высокочастотных импульсов
CN105307367B (zh) 一种延长两电极气体开关使用寿命次数的电路及方法
Zeng et al. Lifetime investigation of vacuum surface flashover switch
Li et al. Vacuum arc behavior and its development process under micro-second scale
Sun et al. Study on the conduction characteristics of SF 6 gas gap under capillary pulse plasma injection
Fengbo et al. A repetitive nanosecond pulse source for generation of large volume streamer discharge
Kolyada et al. The use of a magnetic switch for commutation of high-current pulse circuits

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant