CN113745974B - 一种四电极自触发陡化气体开关 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种四电极自触发陡化气体开关，绝缘套筒的上部设置有上电极，上电极上套装有上中间电极，上电极与上中间电极之间设置有上绝缘法兰，上绝缘法兰与上电极与上中间电极之间分别设置有密封垫；绝缘套筒的下部对应上电极设置有下电极，下电极上套装有下中间电极，下电极与下中间电极之间设置有下绝缘法兰，下绝缘法兰与下中间电极和下电极之间分别设置有密封垫；绝缘套筒的一侧设置有进气口，另一侧对应设置有出气口。本发明实现两个中间电极间隙先行击穿，进一步辅助主间隙击穿，各电极之间的击穿不烧蚀内部绝缘材料，可在重频模式下运行，开关工作特性稳定且长寿命；结构紧凑，导通电感低。

Description

一种四电极自触发陡化气体开关

技术领域

本发明属于气体开关技术领域，具体涉及一种四电极自触发陡化气体开关。

背景技术

气体开关作为脉冲功率源中连接容性储能器件与负载的关键部件，其工作特性决定着脉冲功率源的输出性能。高稳定性、高重复频率脉冲功率源的发展，要求气体开关具备稳定的击穿性能和重频运行能力，开关一般采用外部触发和自触发陡化两种工作模式。其中，外部触发模式通过增加外部触发单元的方式，使其与脉冲功率源精确配合，在确定的时刻外部触发单元输出触发脉冲，实现气体开关导通，脉冲功率源的输出，但外部触发单元会增加脉冲功率源的实现难度，使装置变得更加复杂。自触发陡化模式通过在开关内部设置预电离结构，气体开关可以在无外部触发单元的条件下重频稳定工作，开关结构简单，具有较大的应用优势。

现有自触发陡化气体开关多采用多间隙结构或Trigatron型结构，多间隙结构自触发陡化气体开关间隙长，整体电感偏大，使脉冲功率源输出前沿变慢，影响输出性能；Trigatron型结构自触发陡化开关，触发间隙的放电会造成触发电极与主电极之间绝缘材料的烧蚀，开关预电离稳定性降低，进而影响开关自击穿电压稳定性。

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，提供一种四电极自触发陡化气体开关，通过结构设计以及外部电路参数选择，开关两个中间电极间隙先行击穿，击穿产生的初始电子处于主电极通道，产生的紫外线均匀照射主电极间隙，使开关主电极稳定击穿。所设计的四电极自触发陡化气体开关间隙小，结构紧凑，电感低，各电极之间采用空气绝缘，电极材料耐烧蚀，开关自击穿电压稳定且长寿命。

本发明采用以下技术方案：

一种四电极自触发陡化气体开关，包括绝缘套筒，绝缘套筒的上部设置有上电极，上电极上套装有上中间电极，上电极与上中间电极之间设置有上绝缘法兰，上绝缘法兰与上电极与上中间电极之间分别设置有密封垫；

绝缘套筒的下部对应上电极设置有下电极，下电极上套装有下中间电极，下电极与下中间电极之间设置有下绝缘法兰，下绝缘法兰与下中间电极和下电极之间分别设置有密封垫；

绝缘套筒的一侧设置有进气口，另一侧对应设置有出气口。

具体的，上电极、下电极、上绝缘法兰和下绝缘法兰的中心均开有孔，上中间电极和下中间电极分别经上绝缘法兰和下绝缘法兰固定于上电极和下电极的中心开孔处。

具体的，上电极、下电极、上绝缘法兰、下绝缘法兰、上中间电极和下中间电极在绝缘套筒内同轴设置。

具体的，上中间电极和下中间电极中间位置的直径大于上中间电极和下中间电极两端的直径。

具体的，上绝缘法兰和下绝缘法兰的内部沿轴线方向加工有沉头通孔。

具体的，上中间电极的一端经上绝缘法兰的通孔穿出，并通过第一固定螺帽与上绝缘法兰固定连接；上绝缘法兰与上中间电极的接触平面上设置有用于放置密封圈的第三密封槽；下中间电极的一端经下绝缘法兰的通孔穿出，并通过第二固定螺帽与下绝缘法兰固定连接，下绝缘法兰与下中间电极的接触平面上设置有用于放置密封圈的第六密封槽。

具体的，上绝缘法兰与上电极的接触平面上设置有用于放置密封圈的第二密封槽；下绝缘法兰与下电极的接触平面上设置有用于放置密封圈的第五密封槽。

具体的，上电极和下电极分别通过第一固定螺栓和第二固定螺栓与绝缘套筒连接；绝缘套筒与上电极的接触侧设置有用于放置密封圈的第一密封槽，绝缘套筒与下电极的接触侧设置有用于放置密封圈的第四密封槽。

具体的，上电极和上中间电极的一端，以及下电极和下中间电极的一端均位于绝缘套筒内部的密闭腔体内，上中间电极和下中间电极位于密闭腔体内一端的端部处均设置有倒角。

具体的，绝缘套筒内设置有干燥绝缘气体。

与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：

本发明一种四电极自触发陡化气体开关，开关上中间电极和下中间电极先行击穿，促进上电极和下电极击穿，实现开关稳定可靠导通。

进一步的，上中间电极和下中间电极分别经上绝缘法兰和下绝缘法兰固定于上电极和下电极的中心开孔处，上中间电极和下中间电极之间电场不均匀系数大于上电极和下电极电场不均匀系数，脉冲电压作用下，实现上中间电极和下中间电极的优先击穿，保证开关正确的击穿顺序。

进一步的，开关在绝缘套筒内实现同轴设置，上中间电极和下中间电极击穿后，均匀照射上电极和下电极，上电极和下电极之间随机形成放电通道，实现开关电极的均匀烧蚀，提升开关寿命。

进一步的，上中间电极和下中间电极中间位置直径大于两端，用于将上中间电极、下中间电极分别固定于上绝缘法兰和下绝缘法兰。

进一步的，上绝缘法兰和下绝缘法兰内部沿轴线方向加工有沉头通孔，用于安装上中间电极和下中间电极，实现上中间电极和下中间电极的同轴布置。

进一步的，上中间电极的一端经上绝缘法兰的通孔穿出，并通过第一固定螺帽与上绝缘法兰固定连接；上绝缘法兰与上中间电极的接触平面上设置有用于放置密封圈的第三密封槽；下中间电极的一端经下绝缘法兰的通孔穿出，并通过第二固定螺帽与下绝缘法兰固定连接，下绝缘法兰与下中间电极的接触平面上设置有用于放置密封圈的第六密封槽，保证可靠固定以及气密性。

进一步的，上绝缘法兰与上电极的接触平面上设置有用于放置密封圈的第二密封槽；下绝缘法兰与下电极的接触平面上设置有用于放置密封圈的第五密封槽；用于接触面的密封，实现开关内部的气密性。

进一步的，上电极和下电极分别通过第一固定螺栓和第二固定螺栓与绝缘套筒连接；绝缘套筒与上电极的接触侧设置有用于放置密封圈的第一密封槽，绝缘套筒与下电极的接触侧设置有用于放置密封圈的第四密封槽，将上电极和下电极可靠固定并保证接触面的密封。

进一步的，上电极和上中间电极的一端，以及下电极和下中间电极的一端均位于绝缘套筒内部的密闭腔体内，上中间电极和下中间电极位于密闭腔体内一端的端部处均设置有倒角，优化开关内部电极的电场分布，进一步降低自击穿电压的分散性。

进一步的，绝缘套筒内设置有干燥绝缘气体，通过改变气压实现开关自击穿电压的改变。

综上所述，本发明所设计的四电极自击穿气体开关，通过结构设计以及外部电路参数选择，实现两个中间电极间隙先行击穿，进一步辅助主间隙击穿，各电极之间的击穿不烧蚀内部绝缘材料，可在重频模式下运行，开关工作特性稳定且长寿命；结构紧凑，导通电感低。

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为本发明的结构示意图；

图2为本发明实施例1的电路连接图；

图3为本发明实施例2的电路连接图；

图4为本发明重频运行间隙导通图。

其中：1.绝缘套筒；2.进气口；3.上绝缘法兰；4.上中间电极；5.上电极；6.下绝缘法兰；7.下中间电极；8.下电极；9.出气口；10.第一固定螺帽；11.第二固定螺帽；12.第一固定螺栓；13.第二固定螺栓；14.第一密封槽；15.第二密封槽；16.第三密封槽；17.第四密封槽；18.第五密封槽；19.第六密封槽。

具体实施方式

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。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做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。

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，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。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。

应当理解，当在本说明书和所附权利要求书中使用时，术语“包括”和“包含”指示所描述特征、整体、步骤、操作、元素和/或组件的存在，但并不排除一个或多个其它特征、整体、步骤、操作、元素、组件和/或其集合的存在或添加。

还应当理解，在本发明说明书中所使用的术语仅仅是出于描述特定实施例的目的而并不意在限制本发明。如在本发明说明书和所附权利要求书中所使用的那样，除非上下文清楚地指明其它情况，否则单数形式的“一”、“一个”及“该”意在包括复数形式。

还应当进一步理解，在本发明说明书和所附权利要求书中使用的术语“和/或”是指相关联列出的项中的一个或多个的任何组合以及所有可能组合，并且包括这些组合。

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。

本发明提供了一种四电极自触发陡化气体开关，电极采用耐烧蚀材料，通过结构设计以及外部电路参数选择，开关工作时，两个中间电极间隙先行击穿，击穿产生的初始电子处于主电极通道，产生的紫外线均匀照射主电极间隙，使开关稳定击穿；各电极之间的击穿不烧蚀内部绝缘材料，可在重频模式下运行，开关工作特性稳定且长寿命；结构紧凑，导通电感低。

请参阅图1，本发明一种四电极自触发陡化气体开关，包括绝缘套筒1、进气口2、上绝缘法兰3、上中间电极4、上电极5、下绝缘法兰6、下中间电极7、下电极8、出气口9，固定螺帽10、固定螺帽11、固定螺栓12、固定螺栓13以及密封槽。

上电极5和下电极8对应设置在绝缘套筒1的上部和下部，上电极5和下电极8上分别套装设置有上中间电极4和下中间电极7，上电极5和上中间电极4之间，以及下电极8和下中间电极7之间分别设置有上绝缘法兰3和下绝缘法兰6，上电极5和下电极8分别通过第一固定螺栓12和第二固定螺栓13与绝缘套筒1连接；绝缘套筒1的一侧设置有进气口2，另一侧对应设置有出气口9，上电极5和下电极8与上绝缘法兰3和下绝缘法兰6之间，以及上中间电极4和下中间电极7与上绝缘法兰3和下绝缘法兰6之间分别设置有密封垫。

上电极5、下电极8和上绝缘法兰3和下绝缘法兰6的中心均开孔，上中间电极4、下中间电极7分别经上绝缘法兰3、下绝缘法兰6固定于上电极5、下电极8中心开孔处；上电极5、下电极8，上绝缘法兰3、下绝缘法兰6，上中间电极4、下中间电极7和绝缘套筒整体同轴配合，沿轴线完全对称，各接触平面加工有密封槽，装配体经螺栓、螺帽固定，内部形成密闭腔体并设置有进出气孔，腔体内部各电极端部设置有倒角。

工作时，开关两个中间电极间隙先行击穿，击穿产生的初始电子处于主电极通道，产生的紫外线均匀照射主电极间隙，开关击穿。

上电极5和下电极8的外沿位置外加工有用于安装固定的平面以及沿圆周均布的通孔；内部沿轴线方向分别加工有螺纹孔和通孔，螺纹孔孔径大于通孔孔径。

绝缘套筒1的侧面对应设置有进气口2和出气口9，两端面加工有电极安装槽以及沿圆周均布的螺纹孔。

上中间电极4和下中间电极7中间位置的直径大于两端的直径，用于电极的固定和开关腔体的密封。

上绝缘法兰3和下绝缘法兰6的内部沿轴线方向加工有沉头通孔。

上中间电极4一端加工有外螺纹，经上绝缘法兰3的通孔穿出，由第一固定螺帽10固定，两者接触平面上设置有用于放置密封圈的第三密封槽16；下中间电极7的一端加工有外螺纹，经下绝缘法兰6的通孔穿出，由第二固定螺帽11固定，下绝缘法兰6的接触平面上设置有用于放置密封圈的第六密封槽19。

上绝缘法兰3与上电极5经螺栓固定，上绝缘法兰3的接触平面上设置有用于放置密封圈的第二密封槽15；下绝缘法兰6与下电极8通过螺栓固定，下绝缘法兰6的接触平面上设置有用于放置密封圈的第五密封槽18。

上电极5与下电极8分别通过第一固定螺栓12和第二固定螺栓13固定于绝缘套筒1上，绝缘套筒1与上电极5的接触侧设置有用于放置密封圈的第一密封槽14，绝缘套筒1与下电极8的接触侧设置有用于放置密封圈的第四密封槽17。

开关装配体保持同轴配合，沿轴线完全对称，上电极5、上中间电极4、下电极8、下中间电极7处于密闭腔体内部。上电极5、下电极8位于密闭腔体内部的开孔边缘处设置有倒角，上中间电极4、下中间电极7位于腔体内部的端部设置有倒角，降低主间隙的电场不均匀系数。

本发明自触发陡化气体开关的上电极5、下电极8、上中间电极4以及下中间电极7的电极头使用的材料是铜钨合金，以保证所述自击穿开关的寿命。

自击穿开关上中间电极4与下中间电极7之间的间隙先行击穿，提供充分的紫外预电离照射和初始电子，从而使得上电极5与下电极8间隙的击穿电压更加稳定。

开关腔体内部工作气体为干燥绝缘气体。一般为干燥空气、氮气或SF6。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，为本发明四电极的自触发陡化开关作为1路或多路脉冲形成线陡化输出开关的电路连接图；脉冲源具备单次或重频输出脉冲高电压的功能，脉冲形成线和脉冲传输线采用同轴电缆，两者长度分别相等，脉冲形成线左端芯线和屏蔽层分别接高压源高电位输出端和地，高压源对1路或多路脉冲形成线谐振充电，脉冲形成线右端芯线接至四电极自触发陡化开关的上电极5，下电极8连接脉冲传输线左端芯线，脉冲形成线右端屏蔽层和脉冲传输线左端的屏蔽层在所述自触发陡化开关绝缘套筒1筒壁外侧一一对应连接，从而形成同轴结构，进一步减小自触发陡化气体开关的电感；上电极5通过电阻R1与上中间电极4相连，脉冲传输线所有屏蔽层共电位，下中间电极7通过电阻R2接至脉冲传输线左端屏蔽层。

其中，控制电阻R1＝R2，从而保证上中间电极4与下中间电极7间隙先导通，提供充分的紫外预电离照射，从而使得上电极5与下电极8之间间隙的击穿电压更加稳定，同时电阻R1、R2确保脉冲形成线储能均经脉冲传输线输出。

前级脉冲形成线上慢前沿的波形经自触发开关，输出快前沿波形，实现输出波形前沿的陡化，脉冲传输线右端单次或重频稳定输出，输出1路快前沿、高幅值脉冲或多路快前沿、高幅值脉冲。开关充气500kPa，可输出前沿≤20ns，峰值55kV，80路同步脉冲电压。

请参阅图3，为本发明一种四电极的自触发陡化开关作为重频脉冲源中间储能电容放电开关的电路连接图，初级高压源经二极管D和电感L对中间储能电容C进行谐振充电，后级自触发陡化开关上电极5通过电阻R1与上中间电极4相连，下中间电极7通过电阻R2接地，电阻R1＝R2。初始时刻开关关断，当中间储能电容C电压升高的一定幅值，上中间电极4与下中间电极7间隙先导通，提供充分的紫外预电离照射，在储能电容C电压接近峰值时，上电极5与下电极8之间间隙击穿，中间储能电容C电压经陡化和整形后输出，并经脉冲变压器Tx升压输出，整个装置可实现重频稳定运行。

请参阅图4，为图3所示重频脉冲源50Hz重频运行时开关中间电极和主电极间隙的电弧放电图，开关电极之间形成两个放电通道，中间电极通道和主电极通道，开关工作模式为，在脉冲电压作用下，开关中间电极间隙先行击穿，由于电阻R1和R2的限流作用，流过中间电极的电流较小，中间电极弧道亮度较暗，脉冲能量受影响较小，中间电极击穿产生的初始电子和充分的紫外预电离照射，使得开关主电极间隙击穿，击穿电压稳定，抖动小，脉冲能量经主电极导通，导通电流大，弧道亮度高。

本发明四电极自触发陡化开关可用于开关触发器领域。

综上所述，本发明一种四电极自触发陡化气体开关，开关工作时，两个中间电极间隙先行击穿，击穿产生的初始电子处于主电极通道，产生的紫外线均匀照射主电极间隙，使开关稳定击穿。

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 (8)

1.一种四电极自触发陡化气体开关，其特征在于，包括绝缘套筒(1)，绝缘套筒(1)的上部设置有上电极(5)，上电极(5)上套装有上中间电极(4)，上电极(5)与上中间电极(4)之间设置有上绝缘法兰(3)，上绝缘法兰(3)与上电极(5)和上中间电极(4)之间分别设置有密封圈；

绝缘套筒(1)的下部对应上电极(5)设置有下电极(8)，下电极(8)上套装有下中间电极(7)，下电极(8)与下中间电极(7)之间设置有下绝缘法兰(6)，下绝缘法兰(6)与下中间电极(7)和下电极(8)之间分别设置有密封圈；

绝缘套筒(1)的一侧设置有进气口(2)，另一侧对应设置有出气口(9)；

上电极(5)、下电极(8)、上绝缘法兰(3)和下绝缘法兰(6)的中心均开有孔，上中间电极(4)和下中间电极(7)分别经上绝缘法兰(3)和下绝缘法兰(6)固定于上电极(5)和下电极(8)的中心开孔处；

上电极(5)、下电极(8)、上绝缘法兰(3)、下绝缘法兰(6)、上中间电极(4)和下中间电极(7)在绝缘套筒(1)内同轴设置，并且沿轴线完全对称，上电极(5)通过电阻R1与上中间电极(4)相连，下中间电极(7)通过电阻R2接地，电阻R1＝R2。

2.根据权利要求1所述的四电极自触发陡化气体开关，其特征在于，上中间电极(4)和下中间电极(7)中间位置的直径大于上中间电极(4)和下中间电极(7)两端的直径。

3.根据权利要求1所述的四电极自触发陡化气体开关，其特征在于，上绝缘法兰(3)和下绝缘法兰(6)的内部沿轴线方向加工有沉头通孔。

4.根据权利要求1所述的四电极自触发陡化气体开关，其特征在于，上中间电极(4)的一端经上绝缘法兰(3)的通孔穿出，并通过第一固定螺帽(10)与上绝缘法兰(3)固定连接；上绝缘法兰(3)与上中间电极(4)的接触平面上设置有用于放置密封圈的第三密封槽(16)；下中间电极(7)的一端经下绝缘法兰(6)的通孔穿出，并通过第二固定螺帽(11)与下绝缘法兰(6)固定连接，下绝缘法兰(6)与下中间电极(7)的接触平面上设置有用于放置密封圈的第六密封槽(19)。

5.根据权利要求1所述的四电极自触发陡化气体开关，其特征在于，上绝缘法兰(3)与上电极(5)的接触平面上设置有用于放置密封圈的第二密封槽(15)；下绝缘法兰(6)与下电极(8)的接触平面上设置有用于放置密封圈的第五密封槽(18)。

6.根据权利要求1所述的四电极自触发陡化气体开关，其特征在于，上电极(5)和下电极(8)分别通过第一固定螺栓(12)和第二固定螺栓(13)与绝缘套筒(1)连接；绝缘套筒(1)与上电极(5)的接触侧设置有用于放置密封圈的第一密封槽(14)，绝缘套筒(1)与下电极(8)的接触侧设置有用于放置密封圈的第四密封槽(17)。

7.根据权利要求1所述的四电极自触发陡化气体开关，其特征在于，上电极(5)和上中间电极(4)的一端，以及下电极(8)和下中间电极(7)的一端均位于绝缘套筒(1)内部的密闭腔体内，上中间电极(4)和下中间电极(7)位于密闭腔体内一端的端部处均设置有倒角。

8.根据权利要求1所述的四电极自触发陡化气体开关，其特征在于，绝缘套筒(1)内设置有干燥绝缘气体。

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