CN111613970B - 一种大容量四电极紫外预电离气体开关 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种大容量四电极紫外预电离气体开关，筒体设置在绝缘法兰上，筒体与绝缘法兰之间形成密闭腔体，开关电极设置在密闭腔体内，开关电极包括触发电极，触发电极水平设置在上电极和下电极之间，触发电极距离上电极的距离大于等于触发电极距离下电极的距离，筒体的一侧设置有穿墙端子，另一侧对应设置有预电离针，预电离针与一侧的触发电极连接，预电离针的一端引出至开关外部用于触发电压输入。本发明满足大电流、高转移库伦量的通流要求，同时兼具宽工作系数条件下短时延、低抖动的触发特性，耐烧蚀和触发特性稳定性，在多路气体开关并联放电的紧凑型脉冲功率装置中具有很好的应用前景。

Description

一种大容量四电极紫外预电离气体开关

技术领域

本发明属于高压气体开关技术领域，具体涉及一种大容量四电极紫外预电离气体开关。

背景技术

基于低电感电容器组、传输线、负载发展的多路汇流的紧凑型脉冲功率装置，工作电压通常在百千伏及以下，放电电流数兆安培，直接驱动负载产生脉冲大电流，在高能量密度物理、材料科学、动高压物理等领域广泛应用。

装置的运行需要多组并联气体开关同步导通，在负载上产生亚微秒至微秒，具有最高峰值的负载电流，实现预期的研究目标。实际工作中，多个气体开关导通时间会存在差异，如果开关导通时延抖动大，由负载带来开关工作系数的降低，较慢的气体开关可能会被抑制导通，使输出电流波形畸变以及峰值电流降低。另外，在大电流、高转移库伦量条件下，数十次的工作次数即可导致开关结构可靠性下降、开关触发特性劣化严重，无法满足装置正常运行的要求。

因此，通流能力达到几百kA，电荷转移量几十库伦，宽工作系数系数下导通特性稳定的耐烧蚀气体开关成为装置可靠运行的关键。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种大容量四电极紫外预电离气体开关，实现宽工作系数下开关短时延、低抖动导通；解决大电流、高转移库伦量条件下开关结构可靠性，触发特性稳定性以及耐烧蚀的难题，满足工程技术要求。

本发明采用以下技术方案：

一种大容量四电极紫外预电离气体开关，气体开关整体为圆柱体结构，包括筒体，筒体设置在绝缘法兰上，筒体与绝缘法兰之间形成密闭腔体，开关电极设置在密闭腔体内，开关电极包括触发电极，触发电极水平设置在上电极和下电极之间，触发电极距离上电极的距离大于等于触发电极距离下电极的距离，筒体的一侧设置有穿墙端子，另一侧对应设置有预电离针，预电离针与一侧的触发电极连接，预电离针的一端引出至开关外部用于触发电压输入。

具体的，触发电极为带中心孔的圆盘形电极，触发电极的外壁间隔设置有矩形切面，触发电极的外壁沿径向开有孔并与中心孔连通，孔心位于侧面长方形切面的中心，预电离针设置在孔内。

进一步的，中心孔与预电离针的外绝缘直径为过盈配合。

进一步的，矩形切面间隔60°、90°或120°设置。

进一步的，触发电极距上电极的距离与距下电极的距离之比为1:1、3:2或2:1。

具体的，筒体整体呈U型结构，下电极固定于U型结构内的U型底部中心，上电极设置在下电极的下方，通过电极座与绝缘法兰固定连接，触发电极通过绝缘支柱与筒体固定连接。

进一步的，绝缘支柱为圆柱形结构，沿筒体的圆周对应触发电极的固定支撑点设置，绝缘支柱的轴线与筒体的筒壁轴线倾斜设置，绝缘支柱的侧面设置有伞裙结构。

更进一步的，绝缘支柱的一端设置有用于固定触发电极的卡槽，另一端与筒体的内壁面贴合连接。

进一步的，绝缘支柱上对应预电离针开有通孔。

进一步的，绝缘法兰与筒体和电极座之间分别设置有密封圈。

与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：

本发明一种大容量四电极紫外预电离气体开关，解决现有气体开关耐烧蚀和宽工作系数快导通中存在的难题，引入预电离针，在触发过程中产生初始电子和紫外光照射，极大的改善了开关的触发特性，开关在较宽的工作范围内保持短时延、低抖动的触发特性，隐藏式的预电离针结构，避免了大电流、高转移库伦量条件下电极针的烧蚀问题，开关满足长寿命的同时具有稳定的触发特性。

进一步的，预电离针通过触发电极的侧面开孔引入中心孔，并距中心孔壁≥0.5mm的距离，预电离针隐藏在中心孔壁后面，避免大电流，高转移库伦量条件下预电离针的烧蚀。

进一步的，预电离针的外绝缘直径与触发电极的侧面开孔直径过盈配合，保证预电离针的位置不发生变动设置的目的或好处。

进一步的，矩形切面间隔60°、90°或120°，和触发电极绝缘支柱配合，实现不同通流条件下触发电极的稳定可靠，大通流条件下选择更小的切面间隔。

进一步的，优选的触发电极距上电极的距离与距下电极的距离之比为1:1、3:2或2:1，此时开关具有更好的触发特性。

进一步的，采用具有倾角带伞群结构的绝缘支柱固定触发电极，可以增加爬电距离，提升抗污能力，并在开关放电时，能够承受大电流产生巨大的电动力，消除触发电极的振动，保证开关触发盘水平固定牢固，确保开关的结构可靠性。

综上所述，本发明设计的气体开关满足大电流、高转移库伦量的通流要求，同时兼具宽工作系数条件下短时延、低抖动的触发特性，耐烧蚀和触发特性稳定性，在多路气体开关并联放电的紧凑型脉冲功率装置中具有很好的应用前景。

下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

附图说明

图1为本发明结构示意图；

图2为本发明实验得到的开关触发特性数据图；

图3为本发明气体开关的通流实验数据图；

图4为本发明20路开关同步放电装置的电路原理图。

其中：1.上电极；2.下电极；3.触发电极；4.预电离针；5.筒体；6.电极座；7.绝缘支柱；8.绝缘法兰；9.穿墙端子；10.密封圈；11.螺母。

具体实施方式

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“一侧”、“一端”、“一边”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在附图中示出了根据本发明公开实施例的各种结构示意图。这些图并非是按比例绘制的，其中为了清楚表达的目的，放大了某些细节，并且可能省略了某些细节。图中所示出的各种区域、层的形状及它们之间的相对大小、位置关系仅是示例性的，实际中可能由于制造公差或技术限制而有所偏差，并且本领域技术人员根据实际所需可以另外设计具有不同形状、大小、相对位置的区域/层。

本发明提供了一种大容量四电极紫外预电离气体开关，上下电极为采用圆柱平头球电极结构，触发电极为带中心孔的圆盘形电极，处于上电极和下电极之间，通过触发盘绝缘支柱与筒状外壳固定，触发级距上电极的距离大于等于距下电极的距离。预电离针经触发电极侧面开孔引入中心孔，并隐藏在中心孔壁后面，触发针与触发电极之间采用固体绝缘。绝缘支柱具有倾角并设计有伞裙结构，实现宽工作系数下开关短时延、低抖动导通；大电流、高转移库伦量条件下开关结构可靠性，触发特性稳定性以及耐烧蚀的目标，在紧凑型性脉冲功率装置中具有很好的应用前景，可满足工程技术要求。

请参阅图1，本发明一种大容量四电极紫外预电离气体开关，气体开关整体结构为圆柱体，采用同轴心设计结构，包括上电极1，下电极2，触发电极3，预电离针4，筒体5、电极座6、绝缘支柱7、绝缘法兰8、穿墙端子9、密封圈10和螺母11。

筒体5设置在绝缘法兰8上，筒体5的一侧设置有穿墙端子9，另一侧对应设置有预电离针4，开关电极设置在筒体5与绝缘法兰8之间形成的密闭腔体内，满足气密性要求以及大电流、高转移库伦量条件下结构可靠性要求，开关电极包括上电极1、下电极2和触发电极3，上电极1和下电极2采用圆柱平头球电极结构，触发电极3处于上电极1和下电极2之间，触发电极3为带中心孔的圆盘形电极，预电离针4设置在中心孔内，触发电极3距离上电极1 的距离大于等于触发电极3距离下电极2的距离。

上电极1和下电极2选择耐烧蚀的电极材料，如石墨、铜钨合金。

优选的，触发电极3距上电极1的距离与距下电极2的距离之比为1:1，3:2，2:1。

触发电极3圆盘外壁每隔一定角度加工有矩形切面，作为触发电极3的固定支撑点，角度可选60°、90°、120°，中心开孔可设计为带倒角或不带倒角的结构。

触发电极3外壁沿径向有开孔，开孔与中心孔连通，孔心位于侧面长方形切面的中心，开孔用于预电离针4的引入，开孔直径与预电离针4的外绝缘直径过盈配合，保证预电离针4 的位置不发生变动。

触发电极3通过绝缘支柱7固定于金属材料制成的筒体5内，选择耐烧蚀的电极材料，如石墨、铜钨合金。

预电离针4与触发电极3、筒体5之间采用固体绝缘；预电离针4和触发电极3之间的距离≥1mm，当施加触发电压时，随着触发针上电压的升高，触发针很快会和触发电极发生击穿，触发针和触发电极击穿的过程中会产生初始电子和紫外光照射，通过触发电极3带倒角的中心孔照射上电极1和下电极2，有助于开关的快速导通，预电离针4的一端穿过触发电极用绝缘支柱7、筒体5引到气体开关外部，用于触发电压输入。

金属材料制成的筒体5整体呈U型结构，优选不锈钢材质，下电极2固定于内部U型底部中心，侧壁设计的穿墙端子9分别用于充放气以及预电离针4的引出。

金属材料制成的电极座6用于固定上电极1，并通过紧固螺母11固定在绝缘法兰8的中心开孔处，通过密封圈10保证金属电极座6和绝缘法兰8之间的气密性。

绝缘支柱7整体为圆柱形，其轴线与筒体5的筒壁轴线呈30°～60°设置，触发电极绝缘支柱7倾角设置增加了触发电极绝缘支柱7到筒体5的沿面绝缘距离。

绝缘支柱7的侧面加工有伞裙，可以增加爬电距离，进一步增加开关的绝缘距离，其中一个绝缘支柱7上开孔，配合触发电极3将预电离针4引出。

绝缘支柱7沿筒体5圆周按确定角度分布，角度与触发电极3的固定支撑点相配合，触发电极绝缘支柱7的一端结构加工为卡槽型，用于固定触发电极3，另一端与筒体5的内壁面贴合，最终实现将触发电极3水平固定于上电极1和下电极2之间。

伞裙结构沿触发电极绝缘支柱的侧面内外交替连续分布，或仅沿侧面内(或外)分布，形状为抛物线形或圆锥形，每个伞裙的高度与底部宽度的比值一般为0.5～1.5，伞裙底部宽度为≤15mm，伞裙个数≥2。

绝缘支柱7采用机械强度高、耐冲击、对交变应力具有优良耐疲劳性以及具有良好绝缘性能的绝缘材料。

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中的描述和所示的本发明实施例的组件可以通过各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

请参阅图2，实验得到的开关触发特性数据，t为触发电压与开关工作电压的比值，t＝2.8 时，40％～70％工作系数下，开关具有短时延、低抖动的导通特性，40％工作系数时，开关导通时延＜40ns，抖动＜1.5ns，70％工作系数时，开关导通时延＜26ns，抖动＜1.1ns，随着开关工作系数的升高，开关导通时延的抖动逐渐减小。

请参阅图3，为气体开关的通流实验数据，振荡电流最大峰值230kA，脉宽50us，开关转移库伦量≥18C/shot，寿命＞100次。

请参阅图4，为20路开关同步放电装置的电路原理图，S1～S20为本发明所设计的气体开关，L1～L20为回路电感，装置储能电容器组由20个模块组成，每个模块包含1台40uF电容器，工作电压50kV，每台电容器通过1台气体开关与负载相连，气体开关与负载之间可采用同轴电缆或平行板传输线进行连接，气体开关通流≥200kA，装置工作时控制各模块气体开关同步触发，使20台气体开关导通放电产生所需的电流波形，输出电流峰值可达4MA。通过负载形式的不同可实现电爆炸金属丝，高温高密度等离子体，脉冲强磁场，电磁发射，材料等熵压缩，泵浦激光的脉冲供电等物理学方面的研究。

综上所述，本发明一种大容量四电极紫外预电离气体开关，设计的气体开关耐烧蚀、触发特性稳定，解决了大容量和宽工作系数短时延、低抖动的难题，多路气体开关并联放电的紧凑型脉冲功率装置中具有很好的应用前景，满足工程设计要求。

以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种大容量四电极紫外预电离气体开关，其特征在于，气体开关整体为圆柱体结构，包括筒体（5），筒体（5）设置在绝缘法兰（8）上，筒体（5）与绝缘法兰（8）之间形成密闭腔体，开关电极设置在密闭腔体内，开关电极包括触发电极（3），触发电极（3）水平设置在下电极（1）和上电极（2）之间，筒体（5）的一侧设置有穿墙端子（9），另一侧对应设置有预电离针（4），预电离针（4）通过触发电极（3）的侧面开孔引入中心孔，并距中心孔壁≥0.5mm的距离，预电离针（4）隐藏在中心孔壁（3）的后面，预电离针（4）的一端引出至开关外部用于触发电压输入；

触发电极（3）为带中心孔的圆盘形电极，触发电极（3）的外壁间隔设置有矩形切面，矩形切面间隔60°、90°或120°设置，触发电极（3）的外壁沿径向开有孔并与中心孔连通，孔心位于侧面矩形切面的中心，预电离针（4）设置在触发电极（3）外壁沿径向开的孔内，触发电极（3）外壁沿径向开的孔与预电离针（4）的外绝缘直径为过盈配合；

筒体（5）整体呈U型结构，上电极（2）固定于U型结构内的U型底部中心，下电极（1）设置在上电极（2）的下方，通过电极座（6）与绝缘法兰（8）固定连接，触发电极（3）通过绝缘支柱（7）与筒体（5）固定连接，绝缘支柱（7）为圆柱形结构，沿筒体（5）的圆周对应触发电极（3）的固定支撑点设置，绝缘支柱（7）的轴线相对于 筒体（5）的轴线倾斜设置，绝缘支柱（7）的侧面设置有伞裙结构，绝缘支柱（7）的一端设置有用于固定触发电极（3）的卡槽，另一端与筒体（5）的内壁面贴合连接，绝缘支柱（7）上对应预电离针（4）开有通孔；

触发电极（3）距下电极（1）的距离与距上电极（2）的距离之比为1:1、3:2或2:1。

2.根据权利要求1所述的大容量四电极紫外预电离气体开关，其特征在于，绝缘法兰（8）与筒体（5）和电极座（6）之间分别设置有密封圈（10）。

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