CN201274375Y

CN201274375Y - 沿面闪络真空crowbar开关

Info

Publication number: CN201274375Y
Application number: CNU2008200295050U
Authority: CN
Inventors: 姚学玲; 陈景亮; 孙伟
Original assignee: Xian Jiaotong University
Current assignee: Xian Jiaotong University
Priority date: 2008-06-30
Filing date: 2008-06-30
Publication date: 2009-07-15
Anticipated expiration: 2018-06-30

Abstract

沿面闪络真空CROWBAR开关，包括绝缘外壳和设置在绝缘外壳内的上下电极，绝缘壳体内的压力为10^－2～10^－5Pa，在下电极内开设有镶嵌触发电极的沿面闪络电介质材料，沿面闪络电介质材料为“T”型结构，其中心轴开有安装柱状触发电极的圆孔，圆孔上端的内侧表面镀有金属层，触发电极与沿面闪络电介质材料之间构成了沿面放电间隙，且在触发电极的外侧还设置有绝缘管，下电极表面开有圆孔，且圆孔的直径小于沿面闪络电介质材料上表面的直径。本实用新型的上电极或下电极与触发极之间设置有沿面闪络电介质材料，在真空环境中，在触发脉冲作用下具有很强的电荷释放能力，非常宽的电压工作范围、很高的耐压、极小的工作电压及较大的通流容量。

Description

沿面闪络真空CROWBAR开关

技术领域

本实用新型涉及一种脉冲功率技术、核聚变技术以及高能激光等技术领域的具有沿面闪络触发的真空开关，特别涉及一种沿面闪络真空CROWBAR开关。

背景技术

高能脉冲放电开关是脉冲功率技术、核聚变及高能激光技术中常用的关键器件之一，国内用于脉冲功率技术的放电开关，其电荷转移量一般为0.2库仑左右，国外脉冲功率技术研究中，放电开关的单次电荷转移量已达1库仑。随着脉冲功率技术等强电磁脉冲技术的发展，高能脉冲发生装置将发挥愈来愈大的作用，单次通过放电开关的电荷量转移量及脉冲能量也在逐渐增加。如脉冲功率技术中，单次通过放电开关的电荷转移量达1库仑以上；而用于核爆炸效应模拟研究的放电开关，单次电荷转移量高达上百库仑。

在电容储能且放电回路中又有电感元件存在的场合需要一种CROWBAR放电开关，这种开关起着延长回路中储能元件向负载释放电荷时间的作用，因此这种开关必须具备如下工作特性：(1)工作电压高，工作电流大，即要求放电开关具有很高的耐压和通流能力。(2)宽的工作范围，理想情况下工作范围为0～100％，即要求开关在具有很高的耐压和非常低的工作电压；(3)工作寿命长。而目前使用的各种放电开关很难同时满足以上工作要求。

综合上述两种应用情况，真空沿面闪络真空开关具有显著优点，它兼有工作电压高、工作电流大以及很宽的工作范围等诸多优点，其工作寿命主要取决于真空沿面触发器的寿命。早期的真空沿面触发材料选用聚酯薄膜一类的有机绝缘材料，由于绝缘材料的ε_r较小，因而要求触发电极间距离非常小，经过不多的脉冲触发放电后，在绝缘材料表面就会出现明显的炭痕烧蚀，一方面污染空心电极，另一方面改变空心阴极内的气压而导致开关性能发生变化。后来用Al₂O₃陶瓷材料和ZnO半导体材料代替原有的有机绝缘材料，但半导体ZnO触发材料由晶粒和晶界组成，其中晶粒呈现电阻特性，晶界呈现电容特性，当触发脉冲经过ZnO半导体表面多次放电后，在半导体ZnO表面会形成一永久的导电通道，从而影响PSS的触发性能；Al₂O₃陶瓷管作为沿面触发材料，其ε_r只有几十，在触发器的金属—真空—陶瓷材料三者交接处的电场畸变程度不高，对触发器性能的改变有限。接下来采用高介电常数的介质材料作为沿面闪络触发材料，其触发器的特性改善很大，工作范围非常宽，达到0.5％～99％。总之，半导体和陶瓷介质沿面闪络触发材料相比，在多次脉冲触发放电后，能自行恢复其绝缘性能，对稳定真空沿面闪络真空开关的性能非常有益，但是多次脉冲触发放电后，陶瓷材料表面也会形成一黑色的、颗粒状的物质，这种黑色物质具有比较高的电导，使得沿面触发材料的绝缘强度降低，从而影响沿面闪络真空开关的寿命。

申请号为：200710017400.3“基于高介沿面闪络的高能真空CROWBAR开关”，公开了一种具有沿面闪络的，其沿面触发器的电介质材料为“T”型结构或“V”型结构，但电介质材料的上表面为敞开式，也就是说沿面触发器的沿面闪络通道完全暴露于上、下主电极的电弧通道中，因此，当开关导通时，主电极之间形成的脉冲电弧直接作用于沿面触发器的沿面闪络通道，从而污染沿面闪络通道，造成沿面闪络通道由原有的高阻绝缘状态转变为低阻的导通状态，沿面闪络真空CROWBAR开关的使用寿命终结。

发明内容

本实用新型的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供了一种应用于脉冲功率技术、核聚变技术以及高能激光等技术领域的能够提高沿面闪络真空开关使用寿命，使得真空放电开关具有高的耐受电压、较大的通流容量、宽的工作电压范围及较小放电时延和抖动的沿面闪络真空CROWBAR开关。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：包括绝缘外壳和设置在绝缘外壳内的上电极、下电极，上电极和下电极之间构成主放电间隙，上电极和下电极通过上端法兰和下端法兰设置在绝缘外壳内，由绝缘外壳及设置在绝缘外壳两端的上、下端法兰构成的密闭壳体内的压力为10^-2～10^-5Pa，上电极为活动电极，下电极为固定电极，在下电极内开设有镶嵌触发电极的沿面闪络电介质材料，沿面闪络电介质材料为“T”型结构，其中心轴开有安装柱状触发电极的圆孔，圆孔上端的内侧表面镀有金属层，触发电极与沿面闪络电介质材料之间构成了沿面放电间隙，且在触发电极的外侧还设置有绝缘管，下电极表面开有圆孔，且圆孔的直径小于沿面闪络电介质材料上表面的直径。

本实用新型的上电极通过波纹管与上端法兰相连接，波纹管与上电极之间还设置有波纹管屏蔽罩；上电极、下电极和触发电极的周围的绝缘壳体内壁上设置有金属屏蔽罩；沿面闪络介质材料的上表面低于下电极内表面1-5mm；沿面闪络电介质材料的上表面与下电极的上端内平面紧密配合，其上端外侧面与下电极紧密配合，且下电极表面圆孔的直径大于沿面闪络材料中心轴上圆孔的直径；沿面闪络电介质材料的上表面与下电极的上端内平面紧密配合，其上端外侧面与下电极紧密配合，且下电极表面圆孔的直径小于沿面闪络材料中心轴上圆孔的直径；沿面闪络电介质材料的上端外侧面与下电极紧密配合，且沿面闪络电介质材料的上表面为“V”型斜面，且下电极表面圆孔的直径大于沿面闪络材料中心轴上圆孔的直径；沿面闪络电介质材料的上端外侧面与下电极紧密配合，且沿面闪络电介质材料的内侧面金属化层与外侧面形成一梯形结构的沿面放电间隙，且下电极上表面的圆孔的侧面和沿面闪络材料的边沿相齐平；沿面闪络电介质材料的上端外侧面与下电极紧密配合，且沿面闪络电介质材料的内侧面金属化层与外侧面形成一梯形结构的沿面放电间隙，且下电极上表面的圆孔大于沿面闪络材料上端面的内孔直径；沿面闪络电介质材料的上端外侧面与下电极紧密配合，触发电极的高度高于沿面放电间隙，且触发电极的上端面直径大于沿面闪络材料的上端面的内孔直径。

本实用新型采用特殊路径的沿面闪络放电间隙，有效屏蔽放电电弧对沿面闪络触发器的影响，减少了强脉冲电弧对触发结构的烧蚀，使其具有较长的使用寿命。具有很高的耐受电压、较大的通流容量、非常宽的工作电压范围，特别具有长的使用寿命的优点，可以使用在满足脉冲功率技术、核聚变技术等场合。

附图说明

图1是本实用新型的具有高介沿面闪络技术的真空CROWBAR开关。

图2是本实用新型具有高介沿面闪络真空CROWBAR开关沿面闪络触发器的第一种结构。

图3是本实用新型CROWBAR开关沿面闪络触发器的第二种结构。

图4是本实用新型CROWBAR开关沿面闪络触发器的第三种结构。

图5是本实用新型CROWBAR开关沿面闪络触发器的第四种结构。

图6是本实用新型CROWBAR开关沿面闪络触发器的第五种结构。

图7是本实用新型CROWBAR开关沿面闪络触发器的第六种结构。

图8是本实用新型CROWBAR开关沿面闪络触发器的第七种结构。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型的结构原理和工作原理作进一步详细说明。

参见图1、图2，实施例1，本实施例包括绝缘外壳11和设置在绝缘外壳11内的上电极1、下电极2，上电极1和下电极2之间构成主放电间隙5，上电极1和下电极2通过上端法兰9和下端法兰10设置在绝缘外壳11内，且由绝缘外壳11及设置在绝缘外壳11两端的上、下端法兰9、10构成的密闭壳体内的压力为10^-2～10^-5Pa，上电极1为活动电极，下电极2为固定电极，在下电极内开设有镶嵌柱状触发电极3的沿面闪络电介质材料4，柱状触发电极3与下电极2的内侧面之间沿沿面闪络电介质材料4形成了沿面放电间隙12。沿面闪络介质材料4的上表面低于下电极2的内表面一定高度13，高度13一般为1mm～5mm。在触发电极3的外面有绝缘管14，绝缘管14可以是玻璃或陶瓷。绝缘管14与下电极2的底部平面密封。上电极1通过波纹管6与端法兰9相连接，波纹管6的上端还设置有波纹管屏蔽罩8，波纹管屏蔽罩8可防止金属蒸汽沉积在波纹管6上，影响波纹管6的特性和寿命，在上电极1、下电极2和触发电极3的周围设置有安装在绝缘密闭外壳11内壁上的屏蔽罩7，屏蔽罩7可防止金属蒸汽沉积在绝缘密闭外壳11上，造成上电极1和下电极2短路，屏蔽罩7可以用金属材料，如无氧铜制作。

参见图2，下电极2表面开有圆孔15，沿面闪络电介质材料4的结构为“T”型，其中心轴开有圆孔16，用于安装触发电极3，沿面闪络材料中心轴上圆孔16的上端的内侧表面镀有金属化层17，如银层，以便与触发电极3上端的外侧面钎焊在一起。主电极2表面的圆孔15的直径稍小于或大于沿面闪络材料中心轴上圆孔16的直径。沿面闪络电介质材料4的上表面为平面，其上端外侧面18与下主电极2的左、右内侧面紧密配合在一起，沿面闪络电介质材料4的内侧面17和外侧面18之间的沿面闪络触发材料的上表面构成沿面放电间隙12。

参见图1、图3，实施例2，沿面闪络触发材料4的上端平面紧顶在主电极2的内上端平面上，沿面闪络触发材料4的上端外侧面18与主电极2的内侧面紧密配合在一起，主电极2表面的圆孔15的直径大于沿面闪络材料中心轴上圆孔16的直径，因此，触发电极3和主电极2上表面的圆孔15的内侧面之间通过沿面闪络触发材料4形成的沿面闪络放电间隙12为正“之”和反“之”字通道。由于沿面闪络放电间隙12中间一段垂直于主电极2上表面，因此，当主电极1和主电极2之间形成放电电弧时，放电间隙12的一段垂直放电间隙受到放电电弧的烧蚀影响较少，可以延长沿面闪络触发器的寿命，也即延长沿面闪络触发真空CROWBAR开关的寿命。

参见图1、图4，实施例3，沿面闪络触发材料4的上端平面紧顶在主电极2的内上端平面上，沿面闪络触发材料4的上端外侧面18与主电极2的内侧面紧密配合在一起，主电极2上表面的圆孔15的直径稍小于沿面闪络材料中心轴上圆孔16的直径，触发电极3和主电极2内上侧面之间通过沿面闪络触发材料4形成的沿面闪络放电间隙12为“L”和“倒L”字通道。由于沿面闪络放电间隙12中间一段垂直于主电极2表面，再加上主电极2上表面的圆孔15小于沿面闪络材料中心轴上圆孔16的直径，主电极2上表面的圆孔15对沿面闪络放电间隙12起到了“屏蔽”电弧的作用，沿面闪络放电间隙12受放电电弧的烧蚀影响大大减少，沿面闪络触发真空CROWBAR开关的寿命大大延长。

参见图1，5，实施例4，沿面闪络电介质材料的结构为“T”型，其中心轴开有圆孔16，用于安装放电开关的触发电极3，沿面闪络材料中心轴上圆孔16的上内侧表面镀有金属化层17，如银层，以便与放电开关的触发电极3上端钎焊在一起。沿面闪络电介质材料上端的左、右外侧面18分别与主电极2的左、右内侧紧密配合在一起，沿面闪络电介质材料的内侧面17和外侧面18之间构成“V”型沿面放电间隙12。主电极2上表面的圆孔15的直径小于沿面闪络材料4的直径，而稍大于沿面闪络材料中心轴上圆孔16的直径，因此，主电极2上表面的圆孔15对沿面闪络放电间隙12起到了“屏蔽”电弧的作用，沿面闪络放电间隙12受放电电弧的烧蚀影响大大减少，沿面闪络触发真空CROWBAR开关的寿命大大延长。

参见图1，6，实施例5，沿面闪络触发材料4的上端平面紧顶在主电极2的内上端平面上，沿面闪络电介质材料的内侧面17和主电极2的上内侧面之间构成一正“∠”和反“∠”型沿面放电间隙12。主电极2上表面的圆孔15的侧面和沿面闪络材料4边沿相齐平。因此，沿面闪络放电间隙12的结构自身就起到了“屏蔽”电弧的作用，使得沿面闪络放电间隙12受放电电弧的烧蚀影响大大减少，沿面闪络触发真空CROWBAR开关的寿命大大延长。

参见图1，7，实施例6，沿面闪络触发材料4的上端平面紧顶在主电极2的内上端平面上，触发电极3和主电极2上表面的圆孔15的内侧面之间通过沿面闪络触发材料4形成的沿面闪络放电间隙12为斜的正“之”和反“之”字通道。主电极2上表面的圆孔15未完全覆盖沿面闪络材料4的上表面。由于沿面闪络放电间隙12的“之”字结构起到了“屏蔽”电弧的作用，使得沿面闪络放电间隙12受放电电弧的烧蚀影响大大减少，放电开关的寿命大大延长。

参见图1，8，实施例7，和实施例6的差异就在于触发电极3伸出沿面放电间隙12之上，且触发电极3的上端面直径大于沿面闪络材料4的上端面的内孔直径。因此除了沿面闪络放电间隙12的“之”字结构起到了“屏蔽”电弧的作用外，触发电极3的上端面对沿面放电间隙12同样也起到了“屏蔽”电弧的作用，沿面闪络触发真空CROWBAR开关的寿命大大延长。

Claims

1、沿面闪络真空CROWBAR开关，包括绝缘外壳[11]和设置在绝缘外壳[11]内的上电极[1]、下电极[2]，上电极[1]和下电极[2]之间构成主放电间隙[5]，上电极[1]和下电极[2]通过上端法兰[9]和下端法兰[10]设置在绝缘外壳[11]内，由绝缘外壳[11]及设置在绝缘外壳[11]两端的上、下端法兰[9]、[10]构成的密闭壳体内的压力为10^-2～10^-5Pa，上电极[1]为活动电极，下电极[2]为固定电极，在下电极[2]内开设有镶嵌触发电极[3]的沿面闪络电介质材料[4]，沿面闪络电介质材料[4]为“T”型结构，其中心轴开有安装柱状触发电极[3]的圆孔[16]，圆孔[16]上端的内侧表面镀有金属层[17]，触发电极[3]与沿面闪络电介质材料[4]之间构成了沿面放电间隙[12]，且在触发电极[3]的外侧还设置有绝缘管[14]，其特征在于：下电极[2]表面开有圆孔[15]，且圆孔[15]的直径小于沿面闪络电介质材料[4]上表面的直径。

2、根据权利要求1所述的沿面闪络真空CROWBAR开关，其特征在于：所说的上电极[1]通过波纹管[6]与上端法兰[9]相连接，波纹管[6]与上电极[1]之间还设置有波纹管屏蔽罩[8]。

3、根据权利要求1所述的沿面闪络真空CROWBAR开关，其特征在于：所说的上电极[1]、下电极[2]和触发电极[3]的周围的绝缘壳体[11]内壁上设置有金属屏蔽罩[7]。

4、根据权利要求1所述的沿面闪络真空CROWBAR开关，其特征在于：所说的沿面闪络介质材料[4]的上表面低于下电极[2]内表面1-5mm。

5、根据权利要求1所述的沿面闪络真空CROWBAR开关，其特征在于：所说的沿面闪络电介质材料[4]的上表面与下电极[2]的上端内平面紧密配合，其上端外侧面[18]与下电极[2]紧密配合，且下电极[2]表面圆孔[15]的直径大于沿面闪络材料[4]中心轴上圆孔[16]的直径。

6、根据权利要求1所述的沿面闪络真空CROWBAR开关，其特征在于：所说的沿面闪络电介质材料[4]的上表面与下电极[2]的上端内平面紧密配合，其上端外侧面[18]与下电极[2]紧密配合，且下电极[2]表面圆孔[15]的直径小于沿面闪络材料[4]中心轴上圆孔[16]的直径。

7、根据权利要求1所述的沿面闪络真空CROWBAR开关，其特征在于：所说的沿面闪络电介质材料[4]的上端外侧面[18]与下电极[2]紧密配合，且沿面闪络电介质材料[4]的上表面为“V”型斜面，且下电极[2]表面圆孔[15]的直径大于沿面闪络材料[4]中心轴上圆孔[16]的直径。

8、根据权利要求1所述的沿面闪络真空CROWBAR开关，其特征在于：所说的沿面闪络电介质材料[4]的上端外侧面[18]与下电极[2]紧密配合，且沿面闪络电介质材料[4]的内侧面金属化层[17]与外侧面[18]形成一梯形结构的沿面放电间隙，且下电极[2]上表面的圆孔[15]的侧面和沿面闪络材料[4]的边沿相齐平。

9、根据权利要求1所述的沿面闪络真空CROWBAR开关，其特征在于：所说的沿面闪络电介质材料[4]的上端外侧面[18]与下电极[2]紧密配合，且沿面闪络电介质材料[4]的内侧面金属化层[17]与外侧面[18]形成一梯形结构的沿面放电间隙，且下电极[2]上表面的圆孔[15]大于沿面闪络材料[4]上端面的内孔直径。

10、根据权利要求1所述的沿面闪络真空CROWBAR开关，其特征在于：所说的所说的沿面闪络电介质材料[4]的上端外侧面[18]与下电极[2]紧密配合，触发电极的高度高于沿面放电间隙[12]，且触发电极[3]的上端面直径大于沿面闪络材料[4]的上端面的内孔直径。