CN113783108B - 一种气体火花开关、金属丝电爆炸回路及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种气体火花开关、金属丝电爆炸回路及其控制方法，气体火花开关包括上座体、下座体和外壳；上座体、下座体和外壳形成内部具有空腔的密封结构，外壳的侧壁设有气嘴；上座体和下座体均包括电极座和石墨电极，石墨电极伸入外壳的内部，电极座安装于外壳的端部；两个石墨电极相对且间隔设置。金属丝电爆炸回路包括上述的气体火花开关、以及充电电源、储能电容、泄放单元、金属丝负载和压缩空气泵；金属丝电爆炸回路的控制方法包括步骤：气密性检查；储能电容的充电；金属丝负载的工作；储能电容的放电；本申请解决了传统的气体火花开关通过电荷量过大时，气体火花开关的电极和绝缘材料存在严重烧蚀的问题。

Description

一种气体火花开关、金属丝电爆炸回路及其控制方法

技术领域

本申请属于脉冲功率技术领域，具体涉及一种气体火花开关、金属丝电爆炸回路及其控制方法。

背景技术

在水中金属丝电爆炸实验中，气体火花开关作为脉冲源中的能量控制部，气体火花开关击穿性能和稳定性能对金属丝电爆炸的效果和重复性具有重要意义。在目前百千焦级电容储能下的金属丝电爆炸应用时，通过开关的电流最大达到百千安级别，脉宽达到600微秒以上，通过电荷量在数十库仑以上。而传统的小型两电极气体火花开关和触发开关已经不再适合金属丝电爆炸的通过电荷量，传统的气体火花开关会引起电极和绝缘材料的严重烧蚀，从而导致开关提前报废。

发明内容

本申请实施例通过提供一种气体火花开关、金属丝电爆炸回路及其控制方法，解决了传统的气体火花开关应用于金属丝电爆炸时，存在通过电荷量过大而导致气体火花开关的电极和绝缘材料严重烧蚀的问题。

本发明实施例提供了一种气体火花开关，包括上座体、下座体、以及筒状结构的外壳；

所述上座体和所述下座体的结构相同，所述上座体和所述下座体对称设置于所述外壳上端和下端，所述上座体、所述下座体、以及所述外壳形成内部具有空腔的密封结构，所述外壳的侧壁设置有用于向外壳内部空腔充放气的气嘴；

所述上座体和所述下座体均包括电极座、以及连接于所述电极座一端的石墨电极，所述石墨电极伸入所述外壳的内部，所述电极座安装于所述外壳的端部；

所述上座体的石墨电极和所述下座体的石墨电极相对且间隔设置。

在一种可能的实现方式中，所述上座体的石墨电极和所述下座体的石墨电极以9～11mm的间距间隔设置。

在一种可能的实现方式中，所述石墨电极和所述电极座之间还设置有垫片，所述垫片用于调节所述上座体的石墨电极和所述下座体的石墨电极的间距。

在一种可能的实现方式中，所述石墨电极和所述电极座通过螺纹连接，所述石墨电极的端部设置有螺纹孔，所述电极座的端部设置有用于与所述螺纹孔配合的螺柱。

在一种可能的实现方式中，还包括用于固定所述上座体和所述下座体的保护壳，螺栓依次穿过所述保护壳和所述电极座上的孔后旋入所述外壳上的螺纹孔。

在一种可能的实现方式中，所述外壳的外侧壁设置有多个球型凸起。

在一种可能的实现方式中，所述垫片采用紫铜材料，所述电极座采用黄铜材料，所述外壳采用尼龙材料。

本发明实施例还提供了一种金属丝电爆炸回路，包括上述的气体火花开关、以及充电电源、储能电容、泄放单元、金属丝负载和压缩空气泵；

所述充电电源和所述泄放单元并联于所述储能电容的两端，所述泄放单元包括串联连接的泄放开关和泄放电阻；

所述气体火花开关的下座体的电极座连接于所述储能电容的一端，所述气体火花开关的上座体的电极座通过高压电缆连接于所述金属丝负载的一端，所述金属丝负载的另一端分出两路分别连接于所述储能电容的另一端和大地；

所述压缩空气泵的出气管连接于所述气嘴，所述出气管上设置有气压计和泄压阀。

本发明实施例还提供了一种金属丝电爆炸回路的控制方法，采用上述的金属丝电爆炸的回路，具体包括以下步骤：

气密性检查：检查回路的气密性，若气密性完好，则进行储能电容的充电步骤；

储能电容的充电：通过所述充电电源向所述储能电容进行充电，使所述储能电容达到设定的电压值；

金属丝负载的工作：通过所述泄压阀排出所述气体火花开关内的气体，使所述气压计达到第一设定压力，此时所述气体火花开关击穿，所述储能电容向所述金属丝负载放电，所述金属丝负载工作，使金属丝发生电爆炸；

储能电容的放电：通过所述泄放单元将所述储能电容剩余的电能进行释放。

在一种可能的实现方式中，气密性检查的步骤具体包括：

启动所述压缩空气泵，通过出气管向所述气体火花开关内部空腔充气，所述气压计达到第二设定压力后观察气压计读数；

若所述读数能够保持恒定不变，则气密性完好，然后进行储能电容的充电步骤；

若所述读数发生变化，则重新连接出气管，然后再次进行气密性检查步骤。

本发明实施例中提供的一个或多个技术方案，至少具有如下技术效果或优点：

本发明实施例提供了一种气体火花开关、金属丝电爆炸回路及其控制方法，该气体火花开关采用了较大面积的石墨电极，石墨电极直接气化能大幅减少金属电极融蚀带来的污染。石墨电极放电区域正对且较集中，因此电场均匀性好。气体火花开关在放电时，电流通过的热量直接使石墨由固态转为气态，因此降低了石墨转换为液态使电极烧蚀而导致开关提前报废的几率。相比现有技术，本发明的气体火花开关放电带来的烧蚀污染更小，安装拆卸也更加方便，因此能够满足百千焦级电容储能的金属丝电爆炸时的控制需求。

本发明采用空气作为绝缘气体，有利于野外现场装备的运输、以及安装，同时安全性高；石墨电极与空气在电弧作用下，主要生成二氧化碳，二氧化碳具有一定的绝缘性能，因此空气作为绝缘气体能够满足气体火花开关的使用需求。

传统金属电极固-液的烧蚀变化，会伴随较多的漂浮金属粉末粘连在绝缘内壁上，金属电极的转为液态时会在电极表面留下不均匀的烧蚀坑，进而改变了两个电极表面距离和电极之间的电场不均匀度，从而对放电的稳定性造成影响。而本发明的气体火花开关导通时，两个石墨电极之间会因为电弧放电而产生表面烧蚀坑，石墨电极的烧蚀更多以升华的形式脱离电极表面，从而可避免电极表面出现凹坑，同时气体烧蚀产物可大幅度减少对绝缘的污染。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对本发明实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的气体火花开关的结构示意图。

图2为本发明实施例提供的金属丝电爆炸回路的结构示意图。

附图标记：1-上座体；2-下座体；3-外壳；4-气嘴；5-电极座；6-石墨电极；7-垫片；8-保护壳；9-凸起；10-气体火花开关；11-充电电源；12-储能电容；13-泄放单元；14-金属丝负载；15-压缩空气泵。

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的一部分实施例，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。

在本发明实施例的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“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实施例和简化描述，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。术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。此外，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，可以根据具体情况理解上述术语在本发明实施例中的具体含义。

如图1所示，本发明实施例提供的气体火花开关，包括上座体1、下座体2、以及筒状结构的外壳3。

上座体1和下座体2的结构相同，上座体1和下座体2对称设置于外壳3上端和下端，上座体1、下座体2、以及外壳3形成内部具有空腔的密封结构，外壳3的侧壁设置有用于向外壳3内部空腔充放气的气嘴4。

上座体1和下座体2均包括电极座5、以及连接于电极座5一端的石墨电极6，石墨电极6伸入外壳3的内部，电极座5安装于外壳3的端部。

上座体1的石墨电极6和下座体2的石墨电极6相对且间隔设置。

需要说明的是，上座体1和下座体2的电极属性根据回路的连接方式决定，上座体1和下座体2均可作为正电极或者负电极，该设置便于气体火花开关的连接，能够提高安装效率。

在百千焦电容储能的水中金属丝电爆炸中，回路电流的电荷转移量能达到数十库仑以上，经试验，较低库仑电荷转移量下，石墨电极6相较于金属电极烧蚀率更大一些。而在高库仑电荷转移量下，石墨电极6相较于金属电极烧蚀率更小一些。因此本发明选取了石墨作为电极材料。石墨材料重量轻，熔点高，耐热性好，抗热冲击性能优良，具有良好化学稳定性以及导热和导电性能，可以降低开关的重量，满足设备小型化、轻量化的需求。

如图1所示，本发明采用了较大面积的石墨电极6，石墨电极6直接气化能大幅减少金属电极融蚀带来的污染。石墨电极6放电区域正对且较集中，因此电场均匀性好。

外壳3内部空腔的空气因为放电而产生化学反应，主要生成具有绝缘性能一般的二氧化碳。同时由于加工质量控制和烧蚀反应不完全，同样还会存在极少部分脱落的石墨小颗粒粉末，石墨小颗粒粉末悬浮于腔体空气中或粘连在绝缘内壁上，因此需要对腔体内部进行换气，从而设置了气嘴4。同时，为了能够达到设定的绝缘电压值，避免气体火花开关10提前击穿，需要向外壳3内部空腔加入的气压一般较大，因此设置一个气嘴4来实现单向充放气，从而使得击穿电压也相对较高。在达到设定的绝缘电压值后，还需要进行放气操作，将击穿电压降低至设定的绝缘电压值之下。放气时，外壳3内部空腔的气体被排出，同时内部的石墨小颗粒也被带出，从而有利于腔体内部绝缘性能的恢复，进而提高了气体火花开关10的使用寿命。

本发明提供的气体火花开关10在放电时，电流通过的热量直接使石墨由固态转为气态，因此降低了石墨转换为液态使电极烧蚀而导致开关提前报废的几率。相比现有技术，本发明的气体火花开关10放电带来的烧蚀污染更小，安装拆卸也更加方便，因此能够满足百千焦级电容储能的金属丝电爆炸时的控制需求。

本实施例中，上座体1的石墨电极6和下座体2的石墨电极6以10mm的间距间隔设置。

需要说明的是，经试验，上座体1的石墨电极6和下座体2的石墨电极6以10mm的间距布置，能够使石墨电极6放电区域正对且较集中，电场均匀性好。

本实施例中，石墨电极6和电极座5之间还设置有垫片7，垫片7用于调节上座体1的石墨电极6和下座体2的石墨电极6的间距。

需要说明的是，通过垫片7来调节上座体1的石墨电极6和下座体2的石墨电极6之间距离，不仅方便，且能够保证气体火花开关10使用时的性能。

本实施例中，石墨电极6和电极座5通过螺纹连接，石墨电极6的端部设置有螺纹孔，电极座5的端部设置有用于与螺纹孔配合的螺柱。

需要说明的是，通过螺纹连接的石墨电极6和电极座5能够提高电流传输效率，保证气体火花开关10的性能。

本实施例中，还包括用于固定上座体1和下座体2的保护壳8，螺栓依次穿过保护壳8和电极座5上的孔后旋入外壳3上的螺纹孔。

需要说明的是，外壳3可为柱状或者立方体结构，外壳3的端部设置有用于安装电极座5的台阶，将石墨电极6伸入外壳3的内部后，电极座5卡接于台阶上，保护壳8中心设置有供电极座5连接端通过的孔，保护壳8的周向设置有多个安装孔。通过螺栓能够将保护壳8和电极座5牢固地固定在外壳3上，固定用的螺栓上还可安装弹簧垫片7防止螺栓松动，从而实现气体火花开关10的结构稳定性和密封性，同时该设置还便于拆卸和维护。

本实施例中，外壳3的外侧壁设置有多个球型凸起9。

需要说明的是，球型凸起9可增加外壳3的摩擦系数和绝缘距离，方便人员持握、以及增加爬电距离。

本实施例中，垫片7采用紫铜材料，电极座5采用黄铜材料，外壳3采用尼龙材料。

需要说明的是，垫片7和电极座5采用的材料能够保证电流传输时的效率，外壳3采用的材料绝缘性能好，强度高，适用于本发明的气体火花开关10的使用需求。

如图1和图2所示，本发明实施例还提供了一种金属丝电爆炸回路，包括上述的气体火花开关10、以及充电电源11、储能电容12、泄放单元13、金属丝负载14和压缩空气泵15。

充电电源11和泄放单元13并联于储能电容12的两端，泄放单元13包括串联连接的泄放开关和泄放电阻。

气体火花开关10的下座体2的电极座5连接于储能电容12的一端，气体火花开关10的上座体1的电极座5通过高压电缆连接于金属丝负载14的一端，金属丝负载14的另一端分出两路分别连接于储能电容12的另一端和大地。

压缩空气泵15的出气管连接于气嘴4，出气管上设置有气压计和泄压阀。

需要说明的是，采用压缩空气泵15体积小、便于携带，能够减小工作人员外出携带设备的体积和重量，有利于野外现场装备的运输、以及安装，同时安全性高。泄放单元13能够将储能电容12剩余的电能进行释放。

空气具有良好的绝缘性能，其绝缘性能可以简略用1mm对应3kV描述，同时气压对于击穿电压也有明显的影响，简单来说，随着气压的升高，气体火花开关10的直流稳态击穿电压逐歩升高，二者之间呈线性关系。现设定的绝缘电压值一般在15～30kV之间，绝缘气压值一般选择0.4～0.6MPa，因此也无需选择绝缘性能十分优异的其它绝缘气体，选取空气即可，且石墨电极6与空气在电弧作用下，主要生成二氧化碳，二氧化碳具有一定的绝缘性能能够满足气体火花开关10的使用需求。

如图1和图2所示，本发明实施例还提供了一种金属丝电爆炸回路的控制方法，采用上述的金属丝电爆炸的回路，具体包括以下步骤：

气密性检查：检查回路的气密性，若气密性完好，则进行储能电容12的充电步骤。气密性检查能够保证气体火花开关10处于良好的工作状态。

储能电容12的充电：通过充电电源11向储能电容12进行充电，使储能电容12达到设定的电压值。

金属丝负载14的工作：通过泄压阀排出气体火花开关10内的气体，使气压计达到第一设定压力，此时气体火花开关10击穿，储能电容12向金属丝负载14放电，金属丝负载14工作，使金属丝发生电爆炸。

储能电容12的放电：通过泄放单元13将储能电容12剩余的电能进行释放。闭合泄放开关，剩余的电能通过泄放电阻释放。

需要说明的是，传统金属电极固-液的烧蚀变化，会伴随较多的漂浮金属粉末粘连在绝缘内壁上，金属电极转为液态时会在电极表面留下不均匀的烧蚀坑，进而改变了两个电极表面距离和电极之间的电场不均匀度，从而对放电的稳定性造成影响。而本发明的气体火花开关10导通时，两个石墨电极6之间会因为电弧放电而产生表面烧蚀坑，石墨电极6的烧蚀更多以升华(固-气)的形式脱离电极表面，从而可避免电极表面出现凹坑，同时气体烧蚀产物可大幅度减少对绝缘的污染。

本实施例中，气密性检查的步骤具体包括：

启动压缩空气泵15，通过出气管向气体火花开关10内部空腔充气，气压计达到第二设定压力后观察气压计读数。

若读数能够保持十秒钟时长的恒定不变，则气密性完好，然后进行储能电容12的充电步骤。

若读数发生变化，则重新连接出气管，然后再次进行气密性检查步骤。气密性检查是保证气体火花开关10正常工作的前提，确保气体火花开关10内部空腔能够达到设定的绝缘电压值，避免气体火花开关10提前击穿。

本说明书中的各个实施方式采用递进的方式描述，各个实施方式之间相同或相似的部分互相参见即可，每个实施方式重点说明的都是与其他实施方式的不同之处。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何限制，凡是根据本发明技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以及等效结构变化，均仍属于本发明技术方案的保护范围内。

Claims (8)

1.一种金属丝电爆炸回路的控制方法，其特征在于：

金属丝电爆炸回路包括气体火花开关、充电电源(11)、储能电容(12)、泄放单元(13)、金属丝负载(14)和压缩空气泵(15)；

气体火花开关包括上座体(1)、下座体(2)、以及筒状结构的外壳(3)；

所述上座体(1)和所述下座体(2)的结构相同，所述上座体(1)和所述下座体(2)对称设置于所述外壳(3)上端和下端，所述上座体(1)、所述下座体(2)、以及所述外壳(3)形成内部具有空腔的密封结构，所述外壳(3)的侧壁设置有用于向外壳(3)内部空腔充放气的气嘴(4)；

所述上座体(1)和所述下座体(2)均包括电极座(5)、以及连接于所述电极座(5)一端的石墨电极(6)，所述石墨电极(6)伸入所述外壳(3)的内部，所述电极座(5)安装于所述外壳(3)的端部；

所述上座体(1)的石墨电极(6)和所述下座体(2)的石墨电极(6)相对且间隔设置；

所述充电电源(11)和所述泄放单元(13)并联于所述储能电容(12)的两端，所述泄放单元(13)包括串联连接的泄放开关和泄放电阻；

所述气体火花开关(10)的下座体(2)的电极座(5)连接于所述储能电容(12)的一端，所述气体火花开关(10)的上座体(1)的电极座(5)通过高压电缆连接于所述金属丝负载(14)的一端，所述金属丝负载(14)的另一端分出两路分别连接于所述储能电容(12)的另一端和大地；

所述压缩空气泵(15)的出气管连接于所述气嘴(4)，所述出气管上设置有气压计和泄压阀；

该控制方法具体包括以下步骤：气密性检查：检查回路的气密性，若气密性完好，则进行储能电容的充电步骤；

储能电容的充电：通过所述充电电源(11)向所述储能电容(12)进行充电，使所述储能电容(12)达到设定的电压值；

金属丝负载的工作：通过所述泄压阀排出所述气体火花开关(10)内的气体，使所述气压计达到第一设定压力，此时所述气体火花开关(10)击穿，气体火花开关(10)在放电时，电流通过的热量直接使石墨由固态转为气态，所述储能电容(12)向所述金属丝负载(14)放电，所述金属丝负载(14)工作，使金属丝发生电爆炸；通过气嘴(4)对气体火花开关(10)腔体内部进行换气，将内部的石墨小颗粒排出，恢复气体火花开关(10)腔体内绝缘性能；

储能电容的放电：通过所述泄放单元(13)将所述储能电容(12)剩余的电能进行释放。

2.根据权利要求1所述的金属丝电爆炸回路的控制方法，其特征在于，气密性检查的步骤具体包括：

启动所述压缩空气泵(15)，通过出气管向所述气体火花开关(10)内部空腔充气，所述气压计达到第二设定压力后观察气压计读数；

若所述读数能够保持恒定不变，则气密性完好，然后进行储能电容(12)的充电步骤；

若所述读数发生变化，则重新连接出气管，然后再次进行气密性检查步骤。

3.根据权利要求1所述的金属丝电爆炸回路的控制方法，其特征在于：所述上座体(1)的石墨电极(6)和所述下座体(2)的石墨电极(6)以9～11mm的间距间隔设置。

4.根据权利要求3所述的金属丝电爆炸回路的控制方法，其特征在于：所述石墨电极(6)和所述电极座(5)之间还设置有垫片(7)，所述垫片(7)用于调节所述上座体(1)的石墨电极(6)和所述下座体(2)的石墨电极(6)的间距。

5.根据权利要求4所述的金属丝电爆炸回路的控制方法，其特征在于：所述石墨电极(6)和所述电极座(5)通过螺纹连接，所述石墨电极(6)的端部设置有螺纹孔，所述电极座(5)的端部设置有用于与所述螺纹孔配合的螺柱。

6.根据权利要求1所述的金属丝电爆炸回路的控制方法，其特征在于：还包括用于固定所述上座体(1)和所述下座体(2)的保护壳(8)，螺栓依次穿过所述保护壳(8)和所述电极座(5)上的孔后旋入所述外壳(3)上的螺纹孔。

7.根据权利要求1所述的金属丝电爆炸回路的控制方法，其特征在于：所述外壳(3)的外侧壁设置有多个球型凸起(9)。

8.根据权利要求4所述的金属丝电爆炸回路的控制方法，其特征在于：所述垫片(7)采用紫铜材料，所述电极座(5)采用黄铜材料，所述外壳(3)采用尼龙材料。