CN112735910A - 一种基于双金属片热变形的间隙可调式三电极高压开关 - Google Patents

一种基于双金属片热变形的间隙可调式三电极高压开关 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种基于双金属片热变形的间隙可调式三电极高压开关，包括同方向平行设置且具有相同特性的第一双金属片和第二双金属片，第一双金属片一端通过第一锁紧螺钉夹放在第一绝缘支撑架中间，另一端通过第一连接头和第一绝缘杆连接有球形静触点，球形静触点球体正上表面安装有第一接线端子，第二双金属片的连接方式与第一双金属片类似，与第二双金属片另一端连接的第二绝缘杆另一端连接有球形动触点，球形动触点球体下外侧面安装有第二接线端子，球形动触点中心竖直通孔内插接有陶瓷绝缘管，陶瓷绝缘管内插接有针形电极，第二双金属片两端通过电流输出导线与配套加热电路连接。本高压开关具有温度补偿功能，自动复位无需反馈控制和抗干扰。

Description

一种基于双金属片热变形的间隙可调式三电极高压开关
技术领域
本发明涉及三电极高压开关技术领域，具体涉及一种基于双金属片热变形的间隙可调式三电极高压开关。
背景技术
三电极高压开关是一种可控制高电压电路开通或者关断的装置，普遍应用于各种高电压设备和电路中。三电极高压开关一般由两个主触点和一个辅助触点组成，通常是两个相同的球体构成主电极，然后其中一个球体从中间贯穿，用陶瓷管穿入针形的辅助触点构成辅助电极，还有一种常见的方式就是直接在两个球体间隙的中点设置一个针形的辅助触点作为触发电极。有的三电极高压开关两球体之间的间隙是不变的，有的是可以调整的。
而本领域技术人员知道，两球体之间距离固定不变的三电极高压开关结构简单，可靠稳定，两球体之间的间隙属于稍不均匀气隙，击穿电压在一定的小范围内变化，可以说是较为稳定的。但是在一般的情况下，开关控制的放电回路电压可能会有所调整，而且幅度可能还比较大。而这种距离固定不变的三电极高压开关的额定工作电压范围较窄，如果实际的工作电压比额定的工作电压低很多，那么高压开关肯定是不能导通的；如果实际的工作电压比额定的工作电压高很多，那么实际电压就会直接击穿高压开关。由此看来，普通的三电极高压开关由于两电极之间的距离固定，导致了所能控制的电压范围很窄。而在各种高电压实验或者压设备中，一般希望的高压开关能够根据所需要的电压等级来调节电极之间的距离，甚至调节的范围能足够宽。
目前，两球体之间距离可调的三电极高压开关，通常都是采用人为调整或者电子系统自动调整，人为调整一般都是调节球体的固定螺钉，电子系统自动调整就需要用到电机。而本发明的发明人经过研究发现，人为调节虽然简单，但是两球体之间的间隙不够准确、不能带电操作，而且对于操作员的技术要求还高；电子系统自动调整需要电机的配合，电机又必须要驱动控制电路，而且自动调整装置还需要与传感器配合使用或者检测复位情况，使得整个流程比较复杂，同时检测回路信号很弱，很容易受到外部高压电场或者大电流磁场的干扰，这无疑增加了检测与控制的难度；再一点就是，为了避免针形辅助电极触发之前开关被直接击穿，针形辅助电极前端的高压信号必须进行高压直流隔离，因此三个电极的相距离调整非常不方便。
发明内容
针对现有三电极高压开关电极间隙调整手动复位不准确，自动复位需要反馈控制和抗干扰，因而导致调整非常不方便的技术问题，本发明提供一种基于双金属片热变形的间隙可调式三电极高压开关。
为了解决上述技术问题，本发明采用了如下的技术方案：
一种基于双金属片热变形的间隙可调式三电极高压开关，包括同方向平行设置且具有相同特性的第一双金属片和第二双金属片，所述第一双金属片的一端被夹放在第一绝缘支撑架中间，所述第一绝缘支撑架上螺纹连接有锁紧第一双金属片的第一锁紧螺钉，所述第一双金属片的另一端通过第一连接头与第一绝缘杆的一端连接，所述第一绝缘杆的另一端连接有球形静触点，所述球形静触点的球体正上表面螺接安装有第一接线端子；所述第二双金属片的一端被夹放在第二绝缘支撑架中间，所述第二绝缘支撑架上螺纹连接有锁紧第二双金属片的第二锁紧螺钉，所述第二双金属片的另一端通过第二连接头与第二绝缘杆的一端连接，所述第二绝缘杆的另一端连接有球形动触点，所述球形动触点的球体下外侧面螺接安装有第二接线端子，所述球形动触点预设的中心竖直通孔内插接有陶瓷绝缘管，所述陶瓷绝缘管内插接有上端与球形动触点球面齐平的针形电极；所述第二双金属片的两端通过电流输出导线与配套加热电路连接，所述配套加热电路用于对第二双金属片加热变形，以调节球形静触点和球形动触点之间的电极距离，达到调节三电极高压开关的控制电压范围，所述球形静触点和球形动触点在未加热情况下，两球体刚好接触或者间隔预定距离，且动静触点处在同一水平面内。
与现有技术相比，本发明提供的基于双金属片热变形的间隙可调式三电极高压开关，一方面将球形静触点通过第一绝缘杆和第一连接头与第一双金属片连接，第一双金属片通过第一锁紧螺钉锁紧夹放在第一绝缘支撑架中间，另一方面将球形动触点通过第二绝缘杆和第二连接头与第二双金属片连接，第二双金属片通过第二锁紧螺钉锁紧夹放在第二绝缘支撑架中间，同时第二双金属片的两端通过电流输出导线与配套加热电路连接，由此当配套加热电路开始工作给第二双金属片加热时，由于第二双金属片的电阻率小，体积也小，使得整个第二双金属片就相当于一只微欧级别的纯电阻，电流通过第二双金属片导致发热，使得第二双金属片朝远离第一双金属片的方向弯曲，从而自动控制动触点和静触点之间的间隙距离，达到自动调节三电极高压开关击穿电压的目的；而在双金属片降温之后，又会自动的回到初始位置。因此，本申请能避免现有三电极高压开关手动复位不准确，自动复位需要反馈控制和抗干扰的问题，调整非常方便；同时，本三电极高压开关还具有结构简单、绝缘强度高和复位自动准确的特点，可广泛运用于许多高压设备或者电路中。
进一步，所述第一双金属片和第二双金属片包括相互层叠配置的主动层和被动层，所述主动层的膨胀系数比被动层的膨胀系数高。
进一步，所述主动层选用锰镍铜合金制成，所述被动层选用铁镍合金制成。
进一步，所述第一绝缘支撑架和第二绝缘支撑架上设有两个螺纹孔，所述第一锁紧螺钉和第二锁紧螺钉与螺纹孔螺纹连接后对应将第一双金属片和第二双金属片抵顶锁紧。
进一步，所述第一连接头、第一绝缘杆、第二连接头和第二绝缘杆采用玻璃纤维、陶瓷纤维和电木中的任意一种绝缘隔热材料制成。
进一步，所述球形静触点和球形动触点为直径相同的空心铜球或钢球。
进一步，所述第一接线端子和第二接线端子为紧固螺钉。
进一步，所述配套加热电路包括220V交流电源U、隔离型升流变压器T、双向晶闸管V、上拉电阻R、驱动电容器C、双向触发二极管D、限流电阻r和光控双向固态继电器P；所述220V交流电源U的一端与隔离型升流变压器T原边绕组首端连接，所述220V交流电源U的另一端与双向晶闸管V的第二阳极端和驱动电容器C的一端连接，所述隔离型升流变压器T的原边绕组尾端与双向晶闸管V的第一阳极端和上拉电阻R的一端连接，所述隔离型升流变压器T的副边绕组首尾两端通过电流输出导线分别与第二双金属片的两端连接，所述上拉电阻R的另一端与光控双向固态继电器P受控的一端连接，所述光控双向固态继电器P受控的另一端与驱动电容器C的另一端和双向触发二极管D的一端连接，所述双向触发二极管D的另一端与双向晶闸管V的门极连接，所述光控双向固态继电器P的控制端入线端子K+和出线端子K-与外部信号输出终端连接，且所述限流电阻r串联在入线端子K+或者出线端子K-上。
附图说明
图1是本发明提供的基于双金属片热变形的间隙可调式三电极高压开关结构和电路示意图。
图中，1、第一双金属片；2、第二双金属片；3、第一绝缘支撑架；4、第一锁紧螺钉；5、第一连接头；6、第一绝缘杆；7、球形静触点；8、第一接线端子；9、第二绝缘支撑架；10、第二锁紧螺钉；11、第二连接头；12、第二绝缘杆；13、球形动触点；14、第二接线端子；15、陶瓷绝缘管；16、针形电极；17、配套加热电路。
具体实施方式
为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体图示，进一步阐述本发明。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“纵向”、“径向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”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。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。
请参考图1所示，本发明提供一种基于双金属片热变形的间隙可调式三电极高压开关，包括同方向平行设置且具有相同特性的第一双金属片1和第二双金属片2，所述第一双金属片1的一端被夹放在第一绝缘支撑架3中间，所述第一绝缘支撑架3上螺纹连接有锁紧第一双金属片1的第一锁紧螺钉4，所述第一双金属片1的另一端通过第一连接头5与第一绝缘杆6的一端连接，所述第一绝缘杆6的另一端连接有球形静触点7，所述球形静触点7的球体正上表面螺接安装有第一接线端子8；所述第二双金属片2的一端被夹放在第二绝缘支撑架9中间，所述第二绝缘支撑架9上螺纹连接有锁紧第二双金属片2的第二锁紧螺钉10，所述第二双金属片2的另一端通过第二连接头11与第二绝缘杆12的一端连接，所述第二绝缘杆12的另一端连接有球形动触点13，即所述第二双金属片2、第二绝缘杆12和球形动触点13之间的连接方式与第一双金属片1类似，所述球形动触点13的球体下外侧面螺接安装有第二接线端子14，所述球形动触点13预设的中心竖直通孔内插接有陶瓷绝缘管15，所述陶瓷绝缘管15内插接有上端与球形动触点13球面齐平的针形电极16；所述第二双金属片2的两端通过电流输出导线与配套加热电路17连接，所述配套加热电路17用于对第二双金属片2加热变形，以调节球形静触点7和球形动触点13之间的电极距离，达到调节三电极高压开关的控制电压范围，所述球形静触点7和球形动触点13在未加热情况下，两球体刚好接触或者间隔预定距离，如果是间隔预定距离，则要保证开关间隙在最低电压下能被顺利点火击穿，且动静触点处在同一水平面内，由此可以方便计算各动静触点对间的距离。其中，所述第一双金属片1和第二双金属片2采用相同特性的双金属片且同方向平行设置，由此在环境温度升高或者温度降低时双金属片均向同一个方向变弯，且连接球形动触点13的第二双金属片2在加热弯曲时，球形动触点13会远离球形静触点7。
与现有技术相比，本发明提供的基于双金属片热变形的间隙可调式三电极高压开关，一方面将球形静触点通过第一绝缘杆和第一连接头与第一双金属片连接，第一双金属片通过第一锁紧螺钉锁紧夹放在第一绝缘支撑架中间，另一方面将球形动触点通过第二绝缘杆和第二连接头与第二双金属片连接，第二双金属片通过第二锁紧螺钉锁紧夹放在第二绝缘支撑架中间，同时第二双金属片的两端通过电流输出导线与配套加热电路连接，由此当配套加热电路开始工作给第二双金属片加热时，由于第二双金属片的电阻率小，体积也小，使得整个第二双金属片就相当于一只微欧级别的纯电阻，电流通过第二双金属片导致发热，使得第二双金属片朝远离第一双金属片的方向弯曲，从而自动控制动触点和静触点之间的间隙距离，达到自动调节三电极高压开关击穿电压的目的；而在双金属片降温之后，又会自动的回到初始位置。因此，本申请能避免现有三电极高压开关手动复位不准确，自动复位需要反馈控制和抗干扰的问题，调整非常方便；同时，本三电极高压开关还具有结构简单、绝缘强度高和复位自动准确的特点，可广泛运用于许多高压设备或者电路中。
作为具体实施例，请参考图1所示，所述第一双金属片1和第二双金属片2包括相互层叠配置的主动层和被动层，所述主动层的膨胀系数比被动层的膨胀系数高。作为优选实施例，所述主动层选用高膨胀系数、高比弯曲、低温、低阻的现有锰镍铜合金制成，所述被动层选用低膨胀系数的现有铁镍合金制成。而本领域技术人员针对不同的工作情况，也可以选择其他类型的双金属片如：主动层采用中阻高温的镍铬合金、镍锰合金或低阻高导热的铜锌合金等来实现。
作为具体实施例，请参考图1所示，所述第一绝缘支撑架3和第二绝缘支撑架9上设有两个螺纹孔，所述第一锁紧螺钉4和第二锁紧螺钉10与螺纹孔螺纹连接后对应将第一双金属片1和第二双金属片2抵顶锁紧，即第一锁紧螺钉4与螺纹孔螺纹连接后将第一双金属片1抵顶锁紧，第二锁紧螺钉10与螺纹孔螺纹连接后将第二双金属片2抵顶锁紧。由此通过调节第一双金属片1在第一绝缘支撑架3上的锁紧位置及调节第二双金属片2在第二绝缘支撑架9上的锁紧位置，可调节第一双金属片1和第二双金属片2自由端至绝缘支撑架处的长度，从而调节球形动触点13和球形静触点7的热变形间隙距离的放大倍数。
作为具体实施例，所述第一连接头5、第一绝缘杆6、第二连接头11和第二绝缘杆12采用现有玻璃纤维、陶瓷纤维和电木中的任意一种绝缘隔热材料制成，由此可以有效提高本三电极高压开关的绝缘强度。
作为具体实施例，所述球形静触点7和球形动触点13为直径相同的空心轻质铜球或钢球，由此在避免球体较重对双金属片带来额外变形影响的同时，使用空心球还可以减少双金属片的厚度成本。此外本领域技术人员应当明白，铜球或钢球的半径不能太小，以防球面电场畸变严重，影响间隙的击穿电压。
作为具体实施例，请参考图1所示，所述第一接线端子8和第二接线端子14为紧固螺钉，即采用现有紧固螺钉来作为第一触点接线端子和第二触点接线端子。
作为具体实施例，请参考图1所示，所述配套加热电路17包括220V交流电源U、隔离型升流变压器T、双向晶闸管V、上拉电阻R、驱动电容器C、双向触发二极管D、限流电阻r和光控双向固态继电器P；所述220V交流电源U的一端与隔离型升流变压器T原边绕组首端连接，所述220V交流电源U的另一端与双向晶闸管V的第二阳极端和驱动电容器C的一端连接，所述隔离型升流变压器T的原边绕组尾端与双向晶闸管V的第一阳极端和上拉电阻R的一端连接，所述隔离型升流变压器T的副边绕组首尾两端通过电流输出导线分别与第二双金属片的两端连接，所述上拉电阻R的另一端与光控双向固态继电器P受控的一端连接，所述光控双向固态继电器P受控的另一端与驱动电容器C的另一端和双向触发二极管D的一端连接，所述双向触发二极管D的另一端与双向晶闸管V的门极连接，所述光控双向固态继电器P的控制端入线端子K+和出线端子K-与外部信号输出终端如电脑或单片机连接，且所述限流电阻r串联在入线端子K+或者出线端子K-上。该配套加热电路17的工作原理为：控制端入线端子K+和出线端子K-接收到外部信号后，光控双向固态继电器P内部的发光二极管导通发光，使得光控双向固态继电器P内部的双向二极管导通，控制双向晶闸管V的导通与关断周波比或者导通相位，以控制隔离型升流变压器T副边输出电流，该输出电流直接对第二双金属片2进行加热，由于第二双金属片的电阻率小，体积也小，使得整个第二双金属片就相当于一只微欧级别的纯电阻，电流通过第二双金属片导致发热，使得第二双金属片朝远离第一双金属片的方向弯曲，即通过电流加热的方式让第二双金属片2产生加热变形，从而准确控制第二双金属片2自由端的位移量，实现间接通过第二双金属片2的加热变形程度来控制球形静触点7和球形动触点13的间隙距离，达到自动调节三电极高压开关击穿电压的目的。
作为具体实施例，所述隔离型升流变压器T属于降压升流型变压器，其输入绕组与输出绕组带电气隔离，如果绝缘杆被高压击穿，由此可以保护隔离型变压器T原边的元器件不受损坏。
作为具体实施例，本申请三电极高压开关的结构和电路可用绝缘外框架保护，以防止在各种环境中机械结构和电路元器件受到损害。
最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (8)

1.一种基于双金属片热变形的间隙可调式三电极高压开关，其特征在于，包括同方向平行设置且具有相同特性的第一双金属片和第二双金属片，所述第一双金属片的一端被夹放在第一绝缘支撑架中间，所述第一绝缘支撑架上螺纹连接有锁紧第一双金属片的第一锁紧螺钉，所述第一双金属片的另一端通过第一连接头与第一绝缘杆的一端连接，所述第一绝缘杆的另一端连接有球形静触点，所述球形静触点的球体正上表面螺接安装有第一接线端子；所述第二双金属片的一端被夹放在第二绝缘支撑架中间，所述第二绝缘支撑架上螺纹连接有锁紧第二双金属片的第二锁紧螺钉，所述第二双金属片的另一端通过第二连接头与第二绝缘杆的一端连接，所述第二绝缘杆的另一端连接有球形动触点，所述球形动触点的球体下外侧面螺接安装有第二接线端子，所述球形动触点预设的中心竖直通孔内插接有陶瓷绝缘管，所述陶瓷绝缘管内插接有上端与球形动触点球面齐平的针形电极；所述第二双金属片的两端通过电流输出导线与配套加热电路连接，所述配套加热电路用于对第二双金属片加热变形，以调节球形静触点和球形动触点之间的电极距离，达到调节三电极高压开关的控制电压范围，所述球形静触点和球形动触点在未加热情况下，两球体刚好接触或者间隔预定距离，且动静触点处在同一水平面内。
2.根据权利要求1所述的基于双金属片热变形的间隙可调式三电极高压开关，其特征在于，所述第一双金属片和第二双金属片包括相互层叠配置的主动层和被动层，所述主动层的膨胀系数比被动层的膨胀系数高。
3.根据权利要求2所述的基于双金属片热变形的间隙可调式三电极高压开关，其特征在于，所述主动层选用锰镍铜合金制成，所述被动层选用铁镍合金制成。
4.根据权利要求1所述的基于双金属片热变形的间隙可调式三电极高压开关，其特征在于，所述第一绝缘支撑架和第二绝缘支撑架上设有两个螺纹孔，所述第一锁紧螺钉和第二锁紧螺钉与螺纹孔螺纹连接后对应将第一双金属片和第二双金属片抵顶锁紧。
5.根据权利要求1所述的基于双金属片热变形的间隙可调式三电极高压开关，其特征在于，所述第一连接头、第一绝缘杆、第二连接头和第二绝缘杆采用玻璃纤维、陶瓷纤维和电木中的任意一种绝缘隔热材料制成。
6.根据权利要求1所述的基于双金属片热变形的间隙可调式三电极高压开关，其特征在于，所述球形静触点和球形动触点为直径相同的空心铜球或钢球。
7.根据权利要求1所述的基于双金属片热变形的间隙可调式三电极高压开关，其特征在于，所述第一接线端子和第二接线端子为紧固螺钉。
8.根据权利要求1所述的基于双金属片热变形的间隙可调式三电极高压开关，其特征在于，所述配套加热电路包括220V交流电源U、隔离型升流变压器T、双向晶闸管V、上拉电阻R、驱动电容器C、双向触发二极管D、限流电阻r和光控双向固态继电器P；所述220V交流电源U的一端与隔离型升流变压器T原边绕组首端连接，所述220V交流电源U的另一端与双向晶闸管V的第二阳极端和驱动电容器C的一端连接，所述隔离型升流变压器T的原边绕组尾端与双向晶闸管V的第一阳极端和上拉电阻R的一端连接，所述隔离型升流变压器T的副边绕组首尾两端通过电流输出导线分别与第二双金属片的两端连接，所述上拉电阻R的另一端与光控双向固态继电器P受控的一端连接，所述光控双向固态继电器P受控的另一端与驱动电容器C的另一端和双向触发二极管D的一端连接，所述双向触发二极管D的另一端与双向晶闸管V的门极连接，所述光控双向固态继电器P的控制端入线端子K+和出线端子K-与外部信号输出终端连接，且所述限流电阻r串联在入线端子K+或者出线端子K-上。
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