CN108448380B - 一种激光触发的兆伏级低电感气体开关 - Google Patents

Abstract

为了解决激光触发开关单通道放电电感较大和电脉冲触发气体开关工程实施难度大、易绝缘失效的技术问题，本发明提供了一种激光触发的兆伏级低电感气体开关。本发明开关的预触发间隙击穿过程采用激光触发，实现了光电隔离，回避了电脉冲触发引入和触发系统绝缘保护的技术难题；主间隙为场畸变三电极结构，在触发电极的盘状部电势反转后因强电场畸变诱发放电，形成多个放电通道，从而减小开关电感，提高开关寿命。

Description

一种激光触发的兆伏级低电感气体开关

技术领域

本发明涉及一种采用激光触发的兆伏(MV)级低电感气体开关。

背景技术

大型脉冲功率装置通常需要多路脉冲源同步运行，并联驱动负载获得电流叠加，或利用电磁感应方式获得电压叠加。由于负载上电脉冲宽度仅为数十纳秒(ns)，为获得高效叠加，对脉冲源时间同步精度提出了严格要求。当前发展趋势之一是单路1012瓦级脉冲的产生从多级压缩简化为一级，其中兆伏(MV)级触发气体开关既决定每路脉冲输出时刻，又影响脉冲波形与幅值，是装置最核心的部件。

现有兆伏(MV)级气体开关大多采用激光触发多电极多间隙结构，开关尺寸大，电感大。即使采用高气压单间隙结构，因为激光触发时仅能形成单个放电通道，开关电感依然较高，如英国原子武器研究院研制的两种单间隙激光触发气体开关(Corcoran P.等人发表在第15届国际脉冲功率会议第308页，“Design of an induction voltage adder basedon gas-switched pulse forming lines”)，标称工作电压2.5MV，开关电感分别为230nH、250nH。而电脉冲触发气体开关可以通过多通道放电而降低电感，如中国西北核技术研究所研制的2.8MV低电感电触发气体开关(尹佳辉等人发表在《IEEE Transactions on PlasmaScience》期刊第44卷第10期第2045页，“2.8-MV low-inductance low-jitterelectrical-triggered gas”)，开关电感约150nH；由于电脉冲触发气体开关需要引入电脉冲，开关与触发系统之间需要电气连接，故需要隔离开关的MV级脉冲，以避免损坏触发系统。因此，当采用电脉冲触发兆伏(MV)级开关时，触发系统与开关之间既需要良好电气连接以确保数百kV触发脉冲有效施加，同时还需要隔离保护措施以避免开关导通后的兆伏(MV)级脉冲耦合进触发系统造成绝缘损坏，这无疑增加了工程实施难度和绝缘失效的概率，同时也不利于降低开关击穿时延和抖动。

发明内容

为了解决激光触发开关单通道放电电感较大和电脉冲触发气体开关工程实施难度大、易绝缘失效的技术问题，本发明提供了一种激光触发的兆伏级低电感气体开关。

本发明的技术方案是：

激光触发的兆伏级低电感气体开关，其特殊之处在于：包括高压电极、触发电极、第一地电极、半球状地电极、外筒体、第一绝缘安装座、第二绝缘安装座和置地电感；

高压电极、触发电极、第一地电极、半球状地电极沿外筒体轴向依次设置在外筒体中部，且任意二者之间具有间距；触发电极包括盘状部和杆部，其盘状部远离所述半球状地电极，杆部靠近所述半球状地电极，杆部远离盘状部的一端为球头；半球状地电极包括球头、限位凸部和杆部，其杆部中心沿轴向开设有激光引入孔；

第一绝缘安装座有两个，相对安装在外筒体内，定义其与外筒体内壁接触的端面为外端面，与外端面相对的端面为内端面，所述高压电极和第一地电极均固定安装在两个所述第一绝缘安装座的内端面上，从而固定设置于所述外筒体中部；

第二绝缘安装座有两个，相对安装在所述第一地电极上，位于所述第一地电极内侧；触发电极和半球状地电极分别固定安装在两个所述第二绝缘安装座上，从而固定设置于所述外筒体中部；

置地电感设置在所述半球状地电极和第一地电极之间，其一端接半球状地电极，另一端接第一地电极；

第一绝缘安装座、高压电极、第一地电极和第二绝缘安装座形成主间隙；第二绝缘安装座、触发电极和半球状地电极形成预触发间隙；主间隙和预触发间隙内均充有绝缘气体。

进一步地，高压电极与第一地电极之间沿轴向的距离为100～120mm；触发电极与第一地电极之间沿径向的距离为20～50mm；触发电极与半球状地电极之间沿轴向的距离为20～40mm。较佳的，高压电极与第一地电极之间沿轴向的距离为100mm；触发电极与第一地电极之间沿径向的距离为27.5mm；触发电极与半球状地电极之间沿轴向的距离为20mm。

进一步地，考虑到电极的倒角越锐利，施加触发脉冲后电场越强，开关导通效果越好，但倒角锐利烧蚀也会比较严重，因此，为保证开关性能，触发电极盘状部的边缘倒角为R0.2mm，球头处倒角为SR10mm。半球状地电极球头处倒角为SR15mm，激光引入孔直径为Φ8mm。

进一步地，上述绝缘气体为SF6气体、干燥空气或氮气。

进一步地，主间隙内充0.7MPa SF6气体，预触发间隙内充0.5MPa SF6气体。

进一步地，上述第一绝缘安装座优选Y形盆式(纵向剖面为Y形)，有利于第一绝缘安装座在高气压下的力学安全和脉冲高电压下的电气绝缘安全；高压电极和第一地电极的外侧壁上均设有用于定位安装的第一凹凸部，均通过其各自的所述第一凹凸部固定安装在两个第一绝缘安装座的内端面上。

进一步地，上述触发电极的杆部上靠近所述盘状部处设有用于定位安装的第二凹凸部，触发电极通过所述第二凹凸部固定安装在两个第二绝缘安装座上。

与现有技术相比，本发明的优点：

1、本发明预触发间隙的击穿过程采用激光触发，实现了光电隔离，回避了电脉冲触发引入和触发系统绝缘保护的技术难题；

2、本发明主间隙为场畸变三电极结构，在触发电极的盘状部电势反转后因强电场畸变诱发放电，形成多个放电通道，从而减小开关电感，提高开关寿命。

附图说明

图1是本发明实施例的纵剖面结构图。

附图标记说明：1.主间隙，2.预触发间隙，3.高压电极，4.第一绝缘安装座，5.外筒体，6.第一地电极，7.触发电极，8.置地电感，9.聚焦的激光脉冲，10.半球状地电极，11.第二绝缘安装座，13.激光引入孔，14.第一凹凸部，15.第二凹凸部。

具体实施方式

以下结合附图及具体实例对本发明作详细说明。

参见图1，本发明激光触发的兆伏级低电感气体开关，包括高压电极3、触发电极7、第一地电极6、半球状地电极10、外筒体5、第一绝缘安装座4、第二绝缘安装座11和置地电感8。

高压电极3、触发电极7、第一地电极6、半球状地电极10沿外筒体5轴向依次设置在外筒体5中部，且任意二者之间具有设定的间距；高压电极3和第一地电极6的外侧壁上均设有用于定位安装的第一凹凸部14；触发电极7包括盘状部和杆部，其盘状部远离半球状地电极10位于高压电极3与第一地电极6之间，杆部靠近半球状地电极10，杆部上靠近盘状部处设有用于定位安装的第二凹凸部15，杆部远离盘状部的一端为球头；半球状地电极10包括球头、限位凸部和杆部，其杆部中心沿轴向开设有激光引入孔13；

第一绝缘安装座4有两个，优选Y型盆式，相对设置固定安装在外筒体5内，定义其与外筒体5内壁接触的端面为外端面，与外端面相对的端面为内端面，高压电极3和第一地电极6均通过其第一凹凸部14固定安装在两个第一绝缘安装座4的内端面上，通过两个第一绝缘安装座4固定设置于外筒体5中部；

第二绝缘安装座11有两个，均固定安装在第一地电极6上，位于第一地电极6内侧；触发电极7和半球状地电极10分别通过其第二凹凸部15和杆部固定安装在两个第二绝缘安装座11上，通过两个绝缘安装座11固定设置于外筒体5中部；

置地电感8设置在半球状地电极10和第一地电极6之间，其一端接半球状地电极10，另一端接第一地电极6；

第一绝缘安装座4、高压电极3、第一地电极6和第二绝缘安装座11形成主间隙1；第二绝缘安装座11、触发电极7和半球状地电极10形成预触发间隙2；主间隙1和预触发间隙2内均充有绝缘气体，例如SF6气体、干燥空气或氮气。

本发明工作原理：

本发明采用激光触发MV级气体开关，施加激光脉冲后，高功率激光在预触发间隙2内聚焦，预触发间隙2内的绝缘气体被电离形成等离子体，同时在电场作用下预触发间隙2击穿导通；预触发间隙2击穿后，触发电极7与第一地电极6构成的分布电容经置地电感8振荡放电，触发电极7电势在数十ns时间内从负极性反转为正极性；触发电极7电势反转后，触发电极7盘状部边缘的电场强度较触发前增加超过10倍；因强电场畸变作用高压电极3与触发电极7之间诱发放电击穿，进而触发电极7与第一地电极6之间过电压击穿，最终开关彻底导通；由于预触发间隙2通过外界施加的激光脉冲受控击穿，而主间隙1是在强电场畸变情况下诱发击穿，因此本发明能够兼顾光电隔离触发、多通道放电、低电感等优点。

在一个具体实施例中，高压电极3与第一地电极6之间沿轴向的最小距离为100mm；触发电极7与第一地电极6之间沿径向的最小距离为27.5mm；触发电极3与半球状地电极10之间沿轴向的最小距离为20mm；主间隙1内充0.7MPa SF6气体，预触发间隙2内充0.5MPaSF6气体；触发电极7盘状部的边缘倒角为R0.2mm，球头处倒角为SR10mm；半球状地电极10球头处倒角为SR15mm，激光引入孔13直径为Φ8mm；本实施例的工作电压可达-2.6MV。由于电极之间的距离、主间隙和预触发间隙内的气压主要影响工作电压，因而在其他实施例中，可通过改变电极之间的距离和/或改变主间隙和预触发间隙内的气压来改变开关的工作电压。

本实施例的工作过程如下：

(1)开关采用脉冲充电，当开关高压电极3电势达到-2.6MV时，触发电极7电势达到-540kV；(2)通过激光引入孔13施加激光脉冲并聚焦在预触发间隙2后，预触发间隙2内的SF6气体被电离，由于预触发间隙2内平均电场强度约270kV/cm，预触发间隙2击穿导通；(3)触发电极7与第一地电极6构成的分布电容约32pF，经10μH置地电感8放电，约75ns后触发电极7电势由-540kV反转为+450kV；(4)随着触发电极7电势反转，触发电极7盘状部边缘的电场强度较触发前增加超过10倍，在强电场畸变的引导下高压电极3与触发电极7发生击穿，随后触发电极7与第一地电极6击穿，至此开关彻底击穿导通。

Claims (9)

1.一种激光触发的兆伏级低电感气体开关，其特征在于：包括高压电极、触发电极、第一地电极、半球状地电极、外筒体、第一绝缘安装座、第二绝缘安装座和置地电感；

高压电极、触发电极、第一地电极、半球状地电极沿外筒体轴向依次设置在外筒体中部，且任意二者之间具有间距；触发电极包括盘状部和杆部，其盘状部远离所述半球状地电极，杆部靠近所述半球状地电极，杆部远离盘状部的一端为球头；半球状地电极包括球头、限位凸部和杆部，其杆部中心沿轴向开设有激光引入孔；

第一绝缘安装座有两个，相对安装在外筒体内，定义其与外筒体内壁接触的端面为外端面，与外端面相对的端面为内端面，所述高压电极和第一地电极均固定安装在两个所述第一绝缘安装座的内端面上，从而固定设置于所述外筒体中部；

第二绝缘安装座有两个，相对安装在所述第一地电极上，位于所述第一地电极内侧；触发电极和半球状地电极分别固定安装在两个所述第二绝缘安装座上，从而固定设置于所述外筒体中部；

置地电感设置在所述半球状地电极和第一地电极之间，其一端接半球状地电极，另一端接第一地电极；

第一绝缘安装座、高压电极、第一地电极和第二绝缘安装座形成主间隙；第二绝缘安装座、触发电极和半球状地电极形成预触发间隙；主间隙和预触发间隙内均充有绝缘气体。

2.根据权利要求1所述的激光触发的兆伏级低电感气体开关，其特征在于：高压电极与第一地电极之间沿轴向的距离为100～120mm；触发电极与第一地电极之间沿径向的距离为20～50mm；触发电极与半球状地电极之间沿轴向的距离为20～40mm。

3.根据权利要求2所述的激光触发的兆伏级低电感气体开关，其特征在于：高压电极与第一地电极之间沿轴向的距离为100mm；触发电极与第一地电极之间沿径向的距离为27.5mm；触发电极与半球状地电极之间沿轴向的距离为20mm。

4.根据权利要求1或2或3所述的激光触发的兆伏级低电感气体开关，其特征在于：触发电极盘状部的边缘倒角为R0.2mm，球头处倒角为SR10mm。

5.根据权利要求4所述的激光触发的兆伏级低电感气体开关，其特征在于：半球状地电极球头处倒角为SR15mm，激光引入孔直径为Φ8mm。

6.根据权利要求1或2或3所述的激光触发的兆伏级低电感气体开关，其特征在于：绝缘气体为SF₆气体、干燥空气或氮气。

7.根据权利要求6所述的激光触发的兆伏级低电感气体开关，其特征在于：主间隙内充0.7MPa SF₆气体，预触发间隙内充0.5MPa SF₆气体。

8.根据权利要求1所述的激光触发的兆伏级低电感气体开关，其特征在于：第一绝缘安装座为Y形盆式，纵向剖面为Y形；高压电极和第一地电极的外侧壁上均设有用于定位安装的第一凹凸部，均通过其各自的所述第一凹凸部固定安装在两个第一绝缘安装座的内端面上。

9.根据权利要求1所述的激光触发的兆伏级低电感气体开关，其特征在于：触发电极的杆部上靠近所述盘状部处设有用于定位安装的第二凹凸部，触发电极通过所述第二凹凸部固定安装在两个第二绝缘安装座上。