CN210693885U - 一种激光触发快速闭合高压真空开关 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种激光触发快速闭合高压真空开关，属于高压大容量脉冲功率闭合开关技术领域。本实用新型通过激光触发系统产生脉冲激光，脉冲激光在开关组件中与触发材料作用产生等离子体，导通带通光孔静电极和下电极之间的间隙，随后机构联动组件驱动下电极运动，使带通光孔静电极和下电极闭合。本实用新型利用激光触发的方式确保真空间隙快速、高精度导通，在电流导通后快速闭合间隙，减少大电流对电极和触发材料的烧蚀，大幅提升真空开关的通流容量和使用寿命，同时满足脉冲功率系统重复动作需求；优化设计触发光路，进一步提升激光触发快速闭合真空开关的通流容量、使用寿命和重频特性。采用模块化设计提升开关运行可靠性和安装便捷性。
Description
技术领域
本实用新型属于高压大容量脉冲功率闭合开关技术领域，尤其涉及一种激光触发快速闭合高压真空开关。
背景技术
近年来脉冲功率技术在国防、科研、工业应用等多个重要领域取得广泛应用。随着脉冲功率装置容量的不断增长及对波形质量相关参数要求的不断提高，对脉系统中多种核心器件的性能均提出了更高更全面的要求。脉冲功率闭合开关作为系统末端器件，决定着系统容量、波形质量、运行稳定性等关键技术指标。研发综合性能更优、容量更大的脉冲功率闭合开关对未来我国脉冲功率系统的发展起到至关重要的作用。根据开关运行特点不同，可将目前常见的脉冲功率闭合开关分为气体开关、真空开关、电力电子开关几种。其中气体开关具有耐压高、导通时延短等优点，但受绝缘气体自身特性影响，气体开关通流能力及使用寿命相对有限；电力电子开关具有通流量大、触发时延短、精度高等优势，但其较高的通态损耗和生产成本限制其应用范围；真空开关以真空为绝缘介质，具有载流量大、重频特性好、体积小、免维护等优势。根据触发方式不同，脉冲功率闭合开关可分为多种类型。激光触发真空开关(laser triggered vacuum switch,LTVS)综合了激光触发气体开关与电脉冲触发真空开关的技术优点，利用高能脉冲激光与开关内触发材料相互作用产生初始等离子体快速闭合真空间隙，具有时延短、精度高、工作电压范围宽、使用寿命长等优点。此前研究表明，LTVS工作电压低至几十伏，载流量可达数百库伦，触发精度低于2ns，在电磁发射系统、直流系统保护等多种高耐压、宽电压范围下关合大电流领域均展现出绝佳的应用前景。
脉冲功率装置不断提升的系统参数要求其闭合开关具有更高的触发精度、更宽的电压范围、更强的通流能力、更优的重频特性和更长的使用寿命，部分大型脉冲功率系统单次释放的电流量可达数千库伦，且对开关动作精度和重复频率有一定要求。综上所述，受限于开关结构或工作原理等原因，现有的脉冲功率闭合开关通常难以较好满足这些技术指标。
真空断路器属于常闭型开关器件，主要负责在电力系统发生故障时能有效切断故障电流，其性能可靠对保障电力系统的安全稳定运行具有重要意义。目前在中低压输配电领域真空断路器占据了绝对领先地位。现有真空断路器多采用弹簧或永磁操动机构完成分闸动作，分闸速度相对较慢(一般为1m/s左右)。随着电力系统的不断发展，为满足部分应用场合的快速开断需求，有学者设计研制了快速操动机构，可大幅提升真空断路器的分闸速度。
针对大容量脉冲功率系统的需求，若能结合激光触发真空开关与真空断路器的技术特点设计一种新型激光触发快速闭合真空开关，接到系统闭合指令时利用激光触发的方式实现真空间隙快速高精度导通；同时控制快速操动机构与激光触发系统配合，在适当时刻驱动电极运动，使电流导通后两电极能快速接触并可靠闭合，完成真空间隙合闸动作，利用电极接触后极低的接触电阻实现系统后续大电流的可靠快速泄放。电流泄放完毕后控制操动机构驱动电极分闸，恢复真空间隙初始的绝缘状态，以满足脉冲功率系统的重复动作需求。通过优化开关内触发材料的材料种类、结构和数量实现其短时延、高精度快速导通，同时有效提升开关使用寿命。触发光路可采用空间光路或光纤光路可靠触发间隙导通，提升触发系统的可靠性和便捷性。利用特殊设计的触发控制系统实现激光触发系统与快速操动机构行程的协同配合，确保快速有效的闭合真空间隙。在此基础上获得高精度、大容量、高重频、长寿命的新型脉冲功率闭合开关。
实用新型内容
本实用新型要解决的技术问题是提供一种高压高性能、大容量的激光触发快速闭合真空开关；基于激光触发真空开关与快速真空断路器技术特点，设计触发系统使多路平行激光可靠作用于下电极上触发材料表面，快速导通真空间隙，同时控制操动机构驱动电极快速闭合，导通后续大电流；本实用新型减弱大电流对电极和触发材料的烧蚀，提升开关通流容量和使用寿命。
为实现上述目的，本实用新型所采用的技术方案是：
一种激光触发快速闭合高压真空开关，所述的激光触发快速闭合高压真空开关包括上接线端子16、上绝缘支撑杆17、下接线端子18、开关组件19、下绝缘支撑杆26、触发控制器27、机构电源模块28、储能电容29、底座30、机构联动组件和激光触发系统。
所述的开关组件19包括高透镜片2、上端盖法兰3、上辅助屏蔽罩4、空心上导电杆5、屏蔽罩6、绝缘外壳7、带通光孔静电极8、下电极9、触发材料10、下动导电杆11、波纹管12、下辅助屏蔽罩13、下端盖法兰14和动电极导向杆15。所述的屏蔽罩6为圆筒形，屏蔽罩6的外侧设置有环形法兰；所述的绝缘外壳7为圆筒形，屏蔽罩6通过环形法兰封接于绝缘外壳7内壁；所述的上端盖法兰3和下端盖法兰14为凹形壳体结构，分别安装在绝缘外壳7两端，上端盖法兰3和下端盖法兰14中心开有通孔；所述的空心上导电杆5和动电极导向杆15均为圆筒形，空心上导电杆5密封接于上端盖法兰3的通孔内，空心上导电杆5下端位于屏蔽罩6内部，动电极导向杆15安装在下端盖法兰14的通孔内；所述的高透镜片2密封安装在空心上导电杆5中心通孔内；所述的带通光孔静电极8同轴安装在空心上导电杆5下端、位于屏蔽罩6内部，带通光孔静电极8与空心上导电杆5的中心通孔对应的区域均匀开有n+1个通光孔，n为自然数，通光孔轴线与空心上导电杆5轴线平行；所述的下动导电杆11同轴安装在动电极导向杆15内，下动导电杆11上端位于屏蔽罩6内部；所述的下电极9安装在下动导电杆11上端，与带通光孔静电极8对称布置于屏蔽罩6内部；所述的下电极9与带通光孔静电极8的通光孔对应的位置处装有n+1个触发材料10，触发材料10与脉冲激光1作用产生等离子体导通带通光孔静电极8和下电极9之间的间隙；所述的波纹管12套装在下动导电杆11外部，波纹管12的两端分别密封接于下动导电杆11和下端盖法兰14上；所述的上辅助屏蔽罩4和下辅助屏蔽罩13分别安装在上端盖法兰3内表面和下端盖法兰14内表面，上辅助屏蔽罩4环绕在空心上导电杆5外部，下辅助屏蔽罩13环绕在下动导电杆11外部，用于优化间隙内电场分布；
所述的底座30为空心箱体结构，触发控制器27、机构电源模块28和储能电容29安装在底座30内部，触发控制器27作为激光触发快速闭合高压真空开关的控制器，触发控制器27与机构电源模块28通信连接，机构电源模块28与储能电容29通信连接；
所述的上接线端子16和下接线端子18均为板形结构，且中心处开有通孔；所述的下接线端子18通过多个下绝缘支撑杆26安装固定在底座30上方；所述的上接线端子16通过多个上绝缘支撑杆17安装固定在下接线端子18上方；所述的开关组件19通过上接线端子16和下接线端子18夹持固定，空心上导电杆5同轴穿过上接线端子16的通孔，且上端盖法兰3与上接线端子16等电位连接；所述动电极导向杆15同轴穿过下接线端子18的通孔，下端盖法兰14与下接线端子18等电位连接；
所述的机构联动组件包括软连接排线20、接线排21、绝缘拉杆22、超程簧23、超程连接件24和快速操动机构25；所述的快速操动机构25安装在底座30上部；所述的超程连接件24安装在快速操动机构25的上动端，超程连接件24经超程簧23与绝缘拉杆22连接，用于调整快速操动机构25的机械运动稳定性；所述的接线排21为导电圆盘，固定安装在绝缘拉杆22与下动导电杆11之间；所述的接线排21经软连接线排线20与下接线端子18固定连接，用于导通开关组件19上的大电流。
所述的激光触发系统包括激光器31、激光器电源32、通信光纤33和触发光路，所述的触发光路分为包括空间光触发光路和能量光纤触发光路，根据条件按需选择。所述的激光器电源32通过通信光纤33与触发控制器27通信连接，触发控制器27向激光器电源32发送指令控制激光器31输出脉冲激光1。
所述的空间光触发系统包括密封镜片34、分光镜筒35、全反镜片36和分光镜片37组成的n组分光镜片组、n+1个聚焦镜片38。所述的分光镜筒35为空心圆柱，其上端面中心开有一个通孔，上端面的通孔处安装密封镜片34，下端面开有n+1个通孔，下端面的通孔处安装n+1个聚焦镜片38，保证镜筒内密封清洁；所述的分光镜筒35安装在上接线端子16上部，聚焦镜片38与带通光孔静电极8上的通光孔对齐；所述的激光器31输出脉冲激光1经空间光传输后，沿分光镜筒35轴心线通过密封镜片34输入分光镜筒内，激光器31与分光镜筒35之间保持绝缘；每组全反镜片36和分光镜片37平行安装在分光镜筒35内；第一组镜片组的分光镜片37与穿过密封镜片34的脉冲激光1夹角为45°，脉冲激光1照射在分光镜片37后分成两路脉冲激光1，一路穿过分光镜片37并且方向与原脉冲激光1同向，另一路发生90°偏转照射在全反镜片36上，照射在全反镜片36上的脉冲激光1发生90°的二次偏转后与原脉冲激光1同向；根据需要设置的其他n-1组镜片组依次设置，每组镜片组将单路脉冲激光1转化成双路同向脉冲激光1，n组镜片组将单路脉冲激光1转换成n+1路脉冲激光1，n+1路脉冲激光1依次穿过聚焦镜片38、高透镜片2和带通光孔静电极8照射在触发材料10表面。
所述的能量光纤触发系统包括密封镜片34、n组分光镜片组、n+1个聚焦镜片38、光纤耦合镜筒39、n+1根能量光纤40、准直聚焦镜筒41、n+1个准直镜片42和n+1个光纤聚焦镜片43。所述的光纤耦合镜筒39为空心圆柱形，其上端面中心处开有一个通孔，用于安装密封镜片34，下端面开有n+1个通孔，用于插接能量光纤40；光纤耦合镜筒39安装在激光器31的激光出口处，光纤耦合镜筒39的轴线与激光器31输出的脉冲激光1重合，脉冲激光1穿过密封镜片34进入到光纤耦合镜筒39内部；所述的分光镜片组与空间光触发系统的分光镜片组相同，也包括全反镜片36和分光镜片37，全反镜片36和分光镜片37平行安装在光纤耦合镜筒39内部；第一组镜片组的分光镜片37与穿过密封镜片34的脉冲激光1夹角为45°，脉冲激光1照射在分光镜片37后分成两路脉冲激光1，一路穿过分光镜片37并且方向与原脉冲激光1同向，另一路发生90°偏转照射在全反镜片36上，照射在全反镜片36上的脉冲激光1发生90°的二次偏转后与原脉冲激光1同向；根据需要设置的其他n-1组镜片组依次设置，每组镜片组将单路脉冲激光1转化成双路同向脉冲激光1，n组镜片组将单路脉冲激光1转换成n+1路脉冲激光1，n+1路脉冲激光1通过对应的聚焦镜片38聚焦后耦合输入到n+1根能量光纤40内，通过能量光纤传输脉冲激光1；所述的准直聚焦镜筒41为空心圆柱，其两端均开有对应的n+1个通孔，一端的通孔用于插接能量光纤40，另一端的通孔内侧密封安装光纤聚焦镜片43，准直聚焦镜筒41安装在上接线端子16上部，准直聚焦镜筒41的通孔与带通光孔静电极8上的通光孔对齐；所述的能量光纤40的保护管为绝缘材料，光纤一端插接在光纤耦合镜筒39的通孔处，另一端插接在准直聚焦镜筒41端面的通孔处；所述的准直镜片42安装在准直聚焦镜筒41内部，准直镜片42与光纤聚焦镜片43对齐；n+1根能量光纤40传输的多路脉冲激光1输入准直聚焦镜筒41后，经准直镜片42和光纤聚焦镜片43准直、聚焦后输出，依次穿过高透镜片2和带通光孔静电极8照射在触发材料10表面。
进一步的，所述的触发材料10的材质为钛和氯化钾混合粉末。
进一步的，所述的n组分光镜片组中分光镜片37的分光比例不同，由上至下依次为n:1、(n-1):1、(n-2):1···2:1、1:1，将射入镜筒的脉冲激光1均匀等分为n+1束平行脉冲激光1。
本实用新型的有益效果是：本实用新型基于激光触发真空开关与快速真空断路器的技术特点，利用激光触发的方式确保真空间隙快速、高精度导通，快速操动机构与之配合驱动真空电极运动，在电流导通后快速闭合间隙，减少大电流对电极和触发材料的烧蚀，大幅提升真空开关的通流容量和使用寿命，同时满足脉冲功率系统重复动作需求；采用多个触发材料产生更多初始等离子体，使真空间隙获得更短的导通时延和更快的电流上升率；优化设计触发控制系统，使激光触发时刻和快速操动机构行程获得最佳协同配合方案，进一步提升激光触发快速闭合真空开关的通流容量、使用寿命和重频特性。
附图说明
图1是开关组件结构示意图；
图2是机构联动组件结构示意图；
图3是空间光触发系统结构示意图；
图4是能量光纤触发系统结构示意图。
图中：1、脉冲激光；2、高透镜片；3、上端盖法兰；4、上辅助屏蔽罩；5、空心上导电杆；6、屏蔽罩；7、绝缘外壳；8、带通光孔静电极；9、下电极；10、触发材料；11、下动导电杆；12、波纹管；13、下辅助屏蔽罩；14、下端盖法兰；15、导向杆；16、上接线端子；17、上绝缘支撑杆；18、下接线端子；19、开关组件；20、软连接排线；21、接线排；22、绝缘拉杆；23、超程簧；24、超程连接件；25、快速操动机构；26、下绝缘支撑杆；27、触发控制器；28、机构电源模块；29、储能电容；30、底座；31、激光器；32、激光器电源；33、通信光纤；34、密封镜片；35、分光镜筒；36、全反镜片；37、分光镜片；38、聚焦镜片；39、光纤耦合镜筒；40、能量光纤；41、准直聚焦镜筒；42、准直镜片；43、光纤聚焦镜片。
具体实施方式
为使得本实用新型的目的、特征、优点能够更加的明显和易懂，以下参照附图并结合具体实施方式来进一步描述本实用新型，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施，本实用新型保护范围并不受限于该具体实施方式。显然，下面所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而非全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，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它实施例，都属于本实用新型保护的范围。
一种激光触发快速闭合高压真空开关，所述的激光触发快速闭合高压真空开关包括上接线端子16、上绝缘支撑杆17、下接线端子18、开关组件19、下绝缘支撑杆26、触发控制器27、机构电源模块28、储能电容29、底座30、机构联动组件和激光触发系统。
所述的开关组件19属于常开型开关器件，如图1所示，包括高透镜片2、上端盖法兰3、上辅助屏蔽罩4、空心上导电杆5、屏蔽罩6、绝缘外壳7、带通光孔静电极8、下电极9、触发材料10、下动导电杆11、波纹管12、下辅助屏蔽罩13、下端盖法兰14和动电极导向杆15。所述的屏蔽罩6为圆筒形，屏蔽罩6的外侧设置有环形法兰；所述的绝缘外壳7为圆筒形，屏蔽罩6通过环形法兰封接于绝缘外壳7内壁；所述的上端盖法兰3和下端盖法兰14为凹形壳体结构，分别安装在绝缘外壳7两端，上端盖法兰3和下端盖法兰14中心开有通孔；所述的空心上导电杆5和动电极导向杆15均为圆筒形，空心上导电杆5密封接于上端盖法兰3的通孔内，空心上导电杆5下端位于屏蔽罩6内部，动电极导向杆15安装在下端盖法兰14的通孔内；所述的高透镜片2密封安装在空心上导电杆5中心通孔内；所述的带通光孔静电极8同轴安装在空心上导电杆5下端、位于屏蔽罩6内部，带通光孔静电极8与空心上导电杆5的中心通孔对应的区域均匀开有3个通光孔，通光孔轴线与空心上导电杆5轴线平行；所述的下动导电杆11同轴安装在动电极导向杆15内，下动导电杆11上端位于屏蔽罩6内部；所述的下电极9安装在下动导电杆11上端，与带通光孔静电极8对称布置于屏蔽罩6内部；所述的下电极9与带通光孔静电极8上通光孔对应的位置处装有3个触发材料10，触发材料10由钛和氯化钾混合粉末制成，触发材料10与脉冲激光1作用产生等离子体导通带通光孔静电极8和下电极9之间的间隙；所述的波纹管12套装在下动导电杆11外部，波纹管12的两端分别密封接于下动导电杆11和下端盖法兰14上，本实施例中为了使波纹管12方便安装，在下动导电杆11外侧设置法兰盘，波纹管12安装在法兰盘上；所述的上辅助屏蔽罩4和下辅助屏蔽罩13分别安装在上端盖法兰3内表面和下端盖法兰14内表面，上辅助屏蔽罩4环绕在空心上导电杆5外部，下辅助屏蔽罩13环绕在下动导电杆11外部，用于优化间隙内电场分布。
所述的激光触发快速闭合真空开关结构示意如图2所示，所述的底座30为空心箱体结构，触发控制器27、机构电源模块28和储能电容29安装在底座30内部，触发控制器27作为激光触发快速闭合高压真空开关的控制器，触发控制器27与机构电源模块28通信连接，机构电源模块28与储能电容29通信连接；
所述的上接线端子16和下接线端子18均为板形结构，且中心处开有通孔；所述的下接线端子18通过多个下绝缘支撑杆26安装固定在底座30上方；所述的上接线端子16通过多个上绝缘支撑杆17安装固定在下接线端子18上方；所述开关组件19通过上接线端子16和下接线端子18夹持固定，空心上导电杆5同轴穿过上接线端子16的通孔，且上端盖法兰3与上接线端子16等电位连接；所述动电极导向杆15同轴穿过下接线端子18的通孔，下端盖法兰14与下接线端子18等电位连接；
所述的机构联动组件包括软连接排线20、接线排21、绝缘拉杆22、超程簧23、超程连接件24和快速操动机构25；所述的快速操动机构25安装在底座30上部；所述的超程连接件24安装在快速操动机构25的上动端，超程连接件24经超程簧23与绝缘拉杆22连接，用于调整快速操动机构25的机械运动稳定性；所述的接线排21为导电圆盘，固定安装在绝缘拉杆22与下动导电杆11之间；所述的接线排21经软连接线排线20与下接线端子18固定连接，用于导通开关组件19上的大电流。
所述的激光触发系统包括激光器31、激光器电源32、通信光纤33和触发光路，所述的触发光路分为空间光触发光路和能量光纤触发光路，根据条件按需选择。所述的激光器电源32通过通信光纤33与触发控制器27通信连接，触发控制器27向激光器电源32发送指令控制激光器31输出脉冲激光1。
所述的空间光触发系统如图3所示，包括密封镜片34、分光镜筒35、全反镜片36和分光镜片37组成的两组分光镜片组、3个聚焦镜片38。所述的分光镜筒35为空心圆柱，其上端面中心开有一个通孔，上端面的通孔处安装密封镜片34，下端面开有3个通孔，下端面的通孔处安装3个聚焦镜片38，保证镜筒内密封清洁；所述的分光镜筒35安装在上接线端子16上部，聚焦镜片38与带通光孔静电极8上的通光孔对齐；所述的激光器31输出激光经空间光传输后，沿分光镜筒35轴心线通过密封镜片34输入分光镜筒内，激光器31与分光镜筒35之间保持绝缘；每组全反镜片36和分光镜片37平行安装在分光镜筒35内；第一组镜片组的分光镜片37与穿过密封镜片34的脉冲激光1夹角为45°，脉冲激光1照射在分光镜片37后分成两路脉冲激光1，一路穿过分光镜片37并且方向与原脉冲激光1同向，另一路发生90°偏转照射在全反镜片36上，照射在全反镜片36上的脉冲激光1发生90°的二次偏转后与原脉冲激光1同向；根据需要设置的另一组镜片组依次设置，每组镜片组将单路脉冲激光1转化成双路同向脉冲激光1，两组镜片组将单路脉冲激光1转换成3路脉冲激光1，3路脉冲激光1依次穿过聚焦镜片38、高透镜片2和带通光孔静电极8照射在触发材料10表面。
所述的能量光纤触发系统如图4所示，包括密封镜片34、两组分光镜片组、3个聚焦镜片38、光纤耦合镜筒39、3根能量光纤40、准直聚焦镜筒41、3个准直镜片42和3个光纤聚焦镜片43。所述的光纤耦合镜筒39为空心圆柱形，其上端中心处开有一个通孔，用于安装密封镜片34，另下端面开有3个通孔，用于插接能量光纤40；光纤耦合镜筒39上端安装在激光器31的激光出口处，光纤耦合镜筒39的轴线与激光器31输出的脉冲激光1重合，脉冲激光1穿过密封镜片34进入到光纤耦合镜筒39内部；所述的分光镜片组与空间光触发系统的分光镜片组相同，也包括全反镜片36和分光镜片37，全反镜片36和分光镜片37平行安装在光纤耦合镜筒39内部；第一组镜片组的分光镜片37与穿过密封镜片34的脉冲激光1夹角为45°，脉冲激光1照射在分光镜片37后分成两路脉冲激光1，一路穿过分光镜片37并且方向与原脉冲激光1同向，另一路发生90°偏转照射在全反镜片36上，照射在全反镜片36上的脉冲激光1发生90°的二次偏转后与原脉冲激光1同向；根据需要设置的另一组镜片组依次设置，每组镜片组将单路脉冲激光1转化成双路同向脉冲激光1，两组镜片组将单路脉冲激光1转换成3路脉冲激光1，3路脉冲激光1通过对应的聚焦镜片38聚焦后耦合输入到3根能量光纤40内，通过能量光纤传输脉冲激光1；所述的准直聚焦镜筒41为空心圆柱，其两端均开有对应的3个通孔，一端的通孔用于插接能量光纤40，另一端封有光纤聚焦镜片43，准直聚焦镜筒41安装在上接线端子16上部，准直聚焦镜筒41的通孔与带通光孔静电极8上的通光孔对齐；所述的能量光纤40的保护管为绝缘材料，光纤一端插接在光纤耦合镜筒39的通孔处，另一端插接在准直聚焦镜筒41端面的通孔处；所述的准直镜片42安装在准直聚焦镜筒41内部，准直镜片42与光纤聚焦镜片43对齐；3根能量光纤40传输的多路脉冲激光1输入准直聚焦镜筒41后，经准直镜片42和光纤聚焦镜片43准直、聚焦后输出，依次穿过高透镜片2和带通光孔静电极8照射在触发材料10表面。
所述两组分光镜片组中分光镜片37的分光比例不同，第一组分光镜片组中分光镜片37的分光比2:1，第二组分光镜片组中分光镜片37的分光比1:1。
所述的激光触发快速闭合真空开关的工作过程详述如下：
上接线端子16和下接线端子18与外部系统母线连接，触发控制器27经通信光纤与外部系统进行信号传输，分光镜筒35或准直聚焦镜筒41固定安装在上接线端子上方，确保n+1束脉冲激光1能可靠作用于触发材料10表面；触发控制器27接到系统闭合指令后经通信光纤33同时向机构电源模块28、激光器电源32发送动作指令；
激光器31工作于热备用状态，激光器电源32接到动作指令后，立即控制激光器31产生并输出单束脉冲激光1，该束脉冲激光1经触发光路后形成n+1束等值平行脉冲激光1；脉冲激光1经过传输、聚焦后通过高透镜片2、上空心导电杆5、带多个通光孔的上电极8，作用于下电极9上的触发材料10表面，经过纳秒级时延产生大量初始等离子体使带通光孔静电极8和下电极9之间的真空间隙快速导通，开关组件19上的电流快速上升；
机构电源模块28收到动作指令后，在适当时刻控制储能电容29开始放电，改变储能电容29的放电电流幅值以调控快速操动机构25的励磁电流，实时控制下动导电杆11及下电极9的运动轨迹，使下电极9与带多个通光孔的上电极8快速可靠闭合，利用电极接触后极低的接触电阻完成脉冲功率系统剩余大电流的快速泄放；减少大电流电弧对电极和触发材料的烧蚀，大幅提升开关的通流容量和使用寿命；
系统电流泄放完毕后，触发控制器27通过机构电源模块28控制快速操动机构25驱动下电极9与带多个通光孔的上电极8分离，恢复间隙初始绝缘状态，随后控制机构电源模块28为储能电容29充电以备下次触发动作；
以上所述，仅为本实用新型较佳的具体实施方式，但本实用新型的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本实用新型揭露的技术范围内，根据本实用新型的技术方案及其实用新型构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。
Claims (2)
1.一种激光触发快速闭合高压真空开关，其特征在于，所述的激光触发快速闭合高压真空开关包括上接线端子(16)、上绝缘支撑杆(17)、下接线端子(18)、开关组件(19)、下绝缘支撑杆(26)、触发控制器(27)、机构电源模块(28)、储能电容(29)、底座(30)、机构联动组件和激光触发系统；
所述的开关组件(19)包括高透镜片(2)、上端盖法兰(3)、上辅助屏蔽罩(4)、空心上导电杆(5)、屏蔽罩(6)、绝缘外壳(7)、带通光孔静电极(8)、下电极(9)、触发材料(10)、下动导电杆(11)、波纹管(12)、下辅助屏蔽罩(13)、下端盖法兰(14)和动电极导向杆(15)；所述的屏蔽罩(6)为圆筒形，屏蔽罩(6)的外侧设置有环形法兰；所述的绝缘外壳(7)为圆筒形，屏蔽罩(6)通过环形法兰封接于绝缘外壳(7)内壁；所述的上端盖法兰(3)和下端盖法兰(14)为凹形壳体结构，分别安装在绝缘外壳(7)两端，上端盖法兰(3)和下端盖法兰(14)中心开有通孔；所述的空心上导电杆(5)和动电极导向杆(15)均为圆筒形，空心上导电杆(5)密封接于上端盖法兰(3)的通孔内，空心上导电杆(5)下端位于屏蔽罩(6)内部；动电极导向杆(15)安装在下端盖法兰(14)的通孔内；所述的高透镜片(2)密封安装在空心上导电杆(5)中心通孔内；所述的带通光孔静电极(8)同轴安装在空心上导电杆(5)下端、位于屏蔽罩(6)内部，带通光孔静电极(8)与空心上导电杆(5)的中心通孔对应的区域均匀开有n+1个通光孔，n为自然数，通光孔轴线与空心上导电杆(5)轴线平行；所述的下动导电杆(11)同轴安装在动电极导向杆(15)内，下动导电杆(11)上端位于屏蔽罩(6)内部；所述的下电极(9)安装在下动导电杆(11)上端，与带通光孔静电极(8)对称布置于屏蔽罩(6)内部；所述的下电极(9)与带通光孔静电极(8)的通光孔对应的位置处装有n+1个触发材料(10)，触发材料(10)与脉冲激光(1)作用产生等离子体导通带通光孔静电极(8)和下电极(9)间的真空间隙；所述的触发材料(10)是钛与氯化钾的混合粉末；所述的波纹管(12)套装在下动导电杆(11)外部，波纹管(12)的两端分别密封接于下动导电杆(11)和下端盖法兰(14)上；所述的上辅助屏蔽罩(4)和下辅助屏蔽罩(13)分别安装在上端盖法兰(3)内表面和下端盖法兰(14)内表面，上辅助屏蔽罩(4)环绕在空心上导电杆(5)外部，下辅助屏蔽罩(13)环绕在下动导电杆(11)外部，用于优化间隙内电场分布；
所述的底座(30)为空心箱体结构，触发控制器(27)、机构电源模块(28)和储能电容(29)安装在底座(30)内部，触发控制器(27)作为激光触发快速闭合高压真空开关的控制器，触发控制器(27)与机构电源模块(28)通信连接，机构电源模块(28)与储能电容(29)通信连接；
所述的上接线端子(16)和下接线端子(18)均为板形结构，且中心处开有通孔；所述的下接线端子(18)通过多个下绝缘支撑杆(26)安装固定在底座(30)上方；所述的上接线端子(16)通过多个上绝缘支撑杆(17)安装固定在下接线端子(18)上方；所述的开关组件(19)通过上接线端子(16)和下接线端子(18)夹持固定，空心上导电杆(5)同轴穿过上接线端子(16)的通孔，且上端盖法兰(3)与上接线端子(16)等电位连接；所述动电极导向杆(15)同轴穿过下接线端子(18)的通孔，下端盖法兰(14)与下接线端子(18)等电位连接；
所述的机构联动组件包括软连接排线(20)、接线排(21)、绝缘拉杆(22)、超程簧(23)、超程连接件(24)和快速操动机构(25)；所述的快速操动机构(25)安装在底座(30)上部；所述的超程连接件(24)安装在快速操动机构(25)的上动端，超程连接件(24)经超程簧(23)与绝缘拉杆(22)连接，用于调整快速操动机构(25)的机械运动稳定性；所述的接线排(21)为导电圆盘，固定安装在绝缘拉杆(22)与下动导电杆(11)之间；所述的接线排(21)经软连接排线(20)与下接线端子(18)固定连接，用于导通开关组件(19)上的大电流；
所述的激光触发系统包括激光器(31)、激光器电源(32)、通信光纤(33)和触发光路，所述的触发光路分为空间光触发光路和能量光纤触发光路，根据条件按需选择；所述的激光器电源(32)通过通信光纤(33)与触发控制器(27)通信连接，触发控制器(27)向激光器电源(32)发送指令控制激光器(31)输出脉冲激光(1)；
所述的空间光触发系统包括密封镜片(34)、分光镜筒(35)、全反镜片(36)和分光镜片(37)组成的n组分光镜片组、n+1个聚焦镜片(38)；所述的分光镜筒(35)为空心圆柱，其上端面中心开有一个通孔，上端面的通孔处安装密封镜片(34)，下端面开有n+1个通孔，下端面的通孔处安装n+1个聚焦镜片(38)；所述的分光镜筒(35)安装在上接线端子(16)上部，聚焦镜片(38)与带通光孔静电极(8)上的通光孔对齐；所述的激光器(31)输出脉冲激光(1)经空间光传输后，沿分光镜筒(35)轴心线通过密封镜片(34)输入分光镜筒内，激光器(31)与分光镜筒(35)之间保持绝缘；每组全反镜片(36)和分光镜片(37)平行安装在分光镜筒(35)内；第一组镜片组的分光镜片(37)与穿过密封镜片(34)的脉冲激光(1)夹角为45°，脉冲激光(1)照射在分光镜片(37)后分成两路脉冲激光(1)，一路穿过分光镜片(37)并且方向与原脉冲激光(1)同向，另一路发生90°偏转照射在全反镜片(36)上，照射在全反镜片(36)上的脉冲激光(1)发生90°的二次偏转后与原脉冲激光(1)同向；根据需要设置的其他n-1组镜片组依次设置，每组镜片组将单路脉冲激光(1)转化成双路同向脉冲激光(1)，n组镜片组将单路脉冲激光(1)转换成n+1路脉冲激光(1)，n+1路脉冲激光(1)依次穿过聚焦镜片(38)、高透镜片(2)和带通光孔静电极(8)照射在触发材料(10)表面；
所述的能量光纤触发系统包括密封镜片(34)、n组分光镜片组、n+1个聚焦镜片(38)、光纤耦合镜筒(39)、n+1根能量光纤(40)、准直聚焦镜筒(41)、n+1个准直镜片(42)和n+1个光纤聚焦镜片(43)；所述的光纤耦合镜筒(39)为空心圆柱形，其上端面中心处开有一个通孔，用于安装密封镜片(34)，下端面开有n+1个通孔，用于插接能量光纤(40)；光纤耦合镜筒(39)安装在激光器(31)的激光出口处，光纤耦合镜筒(39)的轴线与激光器(31)输出的脉冲激光(1)重合，脉冲激光(1)穿过密封镜片(34)进入到光纤耦合镜筒(39)内部；所述的分光镜片组与空间光触发系统的分光镜片组相同，也包括全反镜片(36)和分光镜片(37)，全反镜片(36)和分光镜片(37)平行安装在光纤耦合镜筒(39)内部；第一组镜片组的分光镜片(37)与穿过密封镜片(34)的脉冲激光(1)夹角为45°，脉冲激光(1)照射在分光镜片(37)后分成两路脉冲激光(1)，一路穿过分光镜片(37)并且方向与原脉冲激光(1)同向，另一路发生90°偏转照射在全反镜片(36)上，照射在全反镜片(36)上的脉冲激光(1)发生90°的二次偏转后与原脉冲激光(1)同向；根据需要设置的其他n-1组镜片组依次设置，每组镜片组将单路脉冲激光(1)转化成双路同向脉冲激光(1)，n组镜片组将单路脉冲激光(1)转换成n+1路脉冲激光(1)，n+1路脉冲激光(1)通过对应的聚焦镜片(38)聚焦后耦合输入到n+1根能量光纤(40)内，通过能量光纤传输脉冲激光(1)；所述的准直聚焦镜筒(41)为空心圆柱，其两端均开有对应的n+1个通孔，一端的通孔用于插接能量光纤(40)，另一端的通孔内侧密封安装光纤聚焦镜片(43)，准直聚焦镜筒(41)安装在上接线端子(16)上部，准直聚焦镜筒(41)的通孔与带通光孔静电极(8)上的通光孔对齐；所述的能量光纤(40)的保护管为绝缘材料，光纤一端插接在光纤耦合镜筒(39)的通孔处，另一端插接在准直聚焦镜筒(41)端面的通孔处；所述的准直镜片(42)安装在准直聚焦镜筒(41)内部，准直镜片(42)与光纤聚焦镜片(43)对齐；n+1根能量光纤(40)传输的多路脉冲激光(1)输入准直聚焦镜筒(41)后，经准直镜片(42)和光纤聚焦镜片(43)准直、聚焦后输出，依次穿过高透镜片(2)和带通光孔静电极(8)照射在触发材料(10)表面。
2.根据权利要求1所述的一种激光触发快速闭合高压真空开关，其特征在于，所述的n组分光镜片组中分光镜片(37)的分光比例不同，由上至下依次为n:1、(n-1):1、(n-2):1···2:1、1:1，将射入镜筒的脉冲激光(1)均匀等分为n+1束平行脉冲激光(1)。
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| CN202020003103.4U CN210693885U (zh) | 2020-01-02 | 2020-01-02 | 一种激光触发快速闭合高压真空开关 |
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| CN202020003103.4U CN210693885U (zh) | 2020-01-02 | 2020-01-02 | 一种激光触发快速闭合高压真空开关 |
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Cited By (1)
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| CN110971222A (zh) * | 2020-01-02 | 2020-04-07 | 大连理工大学 | 一种激光触发快速闭合高压真空开关 |
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2020
- 2020-01-02 CN CN202020003103.4U patent/CN210693885U/zh active Active
Cited By (2)
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| CN110971222A (zh) * | 2020-01-02 | 2020-04-07 | 大连理工大学 | 一种激光触发快速闭合高压真空开关 |
| CN110971222B (zh) * | 2020-01-02 | 2024-04-12 | 大连理工大学 | 一种激光触发快速闭合高压真空开关 |
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