等離子體合成射流觸發(fā)技術(shù)的多通道氣體火花開關(guān)的制作方法
【專利摘要】一種等離子體合成射流觸發(fā)技術(shù)的多通道氣體火花開關(guān)，其特征在于氣體開關(guān)的火花間隙被中間的觸發(fā)電極分為均等的兩部分，觸發(fā)電極由上、下電極盤和絕緣環(huán)三部分構(gòu)成，絕緣環(huán)內(nèi)部嵌入1個以上的激勵腔和噴射孔，用以在觸發(fā)電極的一側(cè)產(chǎn)生多通道等離子體噴射；另一側(cè)電極表面具有環(huán)狀的金屬突起，在相對的火花間隙中形成多通道放電。開關(guān)外殼采用有機(jī)玻璃或其他絕緣材料，當(dāng)觸發(fā)脈沖到達(dá)觸發(fā)電極時，在圓環(huán)電極一側(cè)形成較高的場畸變系數(shù)，同時另一側(cè)產(chǎn)生多通道等離子體噴射，從而降低氣體開關(guān)的火花電感，減少電極燒蝕，延長開關(guān)的工作壽命。
【專利說明】等離子體合成射流觸發(fā)技術(shù)的多通道氣體火花開關(guān)
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及高電壓氣體火花開關(guān)制造領(lǐng)域，特別地，涉及一種等離子體合成射流觸發(fā)技術(shù)的多通道氣體火花開關(guān)。
【背景技術(shù)】
[0002]氣體火花開關(guān)是脈沖功率裝置的核心部件。其性能直接影響到脈沖功率源的輸出特性。隨著脈沖功率裝置向高電壓、大電流方向發(fā)展，多子塊串、并聯(lián)結(jié)構(gòu)是未來脈沖功率系統(tǒng)的一個主要方向，因此，要求氣體火花開關(guān)具有較低的自放電概率、較低的抖動以及盡可能長的使用壽命等特性。
[0003]目前，氣體開關(guān)的觸發(fā)方式主要有三種，一種是在觸發(fā)電極施加快前沿的電壓脈沖，使得在觸發(fā)子間隙產(chǎn)生較高的過壓倍數(shù)。這種方式的缺點(diǎn)是工作范圍有限，提高工作電壓能夠保證較低的抖動，但是卻極大的增加了自放電概率。一種是采用紫外光照射，能夠產(chǎn)生初始電子，縮短統(tǒng)計時延，減小抖動，但是對于降低自放電概率和擴(kuò)展開關(guān)工作系數(shù)方面作用微弱。另外一種是采用激光照射，能夠使開關(guān)工作在較低的工作電壓下，但是觸發(fā)裝置結(jié)構(gòu)復(fù)雜，造價及維護(hù)成本較高，不適合大規(guī)模應(yīng)用。
[0004]因此，如何能夠解決現(xiàn)有氣體火花開關(guān)的較低的自放電概率與低抖動的矛盾、放電通道單一、電極燒蝕嚴(yán)重等現(xiàn)象成為亟需解決的問題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]針對現(xiàn)有的氣體火花開關(guān)追求較低的自放電概率與低抖動的矛盾、放電通道單一、電極燒蝕嚴(yán)重等問題，本發(fā)明提供一種等離子體合成射流觸發(fā)技術(shù)的多通道氣體火花開關(guān)。該氣體火花開關(guān)在觸發(fā)工作狀態(tài)下，可穩(wěn)定的形成多條放電通道，從而減小電極燒蝕，延長開關(guān)壽命，并且減小了開關(guān)電感。
[0006]為達(dá)到上述目的，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案予以實現(xiàn)。
[0007]等離子體合成射流觸發(fā)技術(shù)的多通道氣體火花開關(guān)。其特征在于，采用三電極開關(guān)構(gòu)型，火花間隙被觸發(fā)電極分為相等的兩部分，觸發(fā)子間隙在觸發(fā)電壓和工作電壓的綜合作用下形成多點(diǎn)局部電場增強(qiáng)而形成多通道放電，過壓子間隙中可形成多條等離子體射流誘發(fā)多通道放電，從而實現(xiàn)整個間隙的多通道放電。
[0008]具體而言:
[0009]一種等離子體合成射流觸發(fā)技術(shù)的多通道氣體火花開關(guān)，包括開關(guān)外殼在所述開關(guān)外殼內(nèi)部的觸發(fā)電極、針電極和兩個主電極，
[0010]其中，所述兩個主電極分別位于所述開關(guān)外殼內(nèi)部的上側(cè)和下側(cè)，所述觸發(fā)電極位于所述開關(guān)外殼的內(nèi)，并位于兩個主電極之間，以將整個火花間隙分成相等的兩部分，所述針電極位于所述觸發(fā)電極內(nèi)，并與所述觸發(fā)電極相絕緣，在所述觸發(fā)電極的一側(cè)表面上具有孔徑較小的噴射孔，以用于等離子體噴射，所述針電極與所述噴射孔空間連通，并位于所述噴射孔的底部。[0011 ] 特別的，所述觸發(fā)電極包括上電極板，下電極板和絕緣環(huán)，所述上電極板和所述下電極板上下配合以包容所述絕緣環(huán)，所述絕緣環(huán)內(nèi)部均布I個以上的圓臺或圓柱體的空腔，與上電極板配合形成密閉的激勵腔，所述噴射孔位于所述上電極板上并與所述激勵腔連通，所述針電極固定在所述激勵腔底部的中心螺孔處。
[0012]特別的，在所述下電極板的表面具有截面為半圓形或者橢圓形的圓環(huán)結(jié)構(gòu)。
[0013]特別的，所述主電極呈圓板形結(jié)構(gòu)，邊緣經(jīng)倒角處理以減弱邊緣效應(yīng)。
[0014]特別的，所述主電極利用主電極連接桿和以及固定所述主電極連接桿的螺母固定在開關(guān)外殼，所述主電極利用頸向的O型圈，對開關(guān)進(jìn)行密封。
[0015]特別的，所述的針電極通過位于所述絕緣環(huán)中的陶瓷管，和位于所述陶瓷管后的尼龍?zhí)淄才c所述觸發(fā)電極絕緣。
[0016]特別的，所述針電極的尾部具有球頭螺母電極以用于固定連線并防止電暈，所述觸發(fā)電極外側(cè)具有固定在所述下電極板的觸發(fā)電極連接桿，所述球頭螺母電極和所述觸發(fā)電極連接桿分別用來對所述針電極和所述觸發(fā)電極進(jìn)行電連接。
[0017]特別的，所述開關(guān)外殼的內(nèi)表面具有多種圓弧配合形成的波紋結(jié)構(gòu)。
[0018]特別的，所述開關(guān)內(nèi)部的工作氣體介質(zhì)為純凈的空氣、N2和SF6-N2的混合氣體，氣壓范圍在0.1MPa-0.6MPa,開關(guān)兩個主電極之間的距離可在I?16mm之間任意調(diào)節(jié)。
[0019]特別的，所述火花開關(guān)具有兩種觸發(fā)方式，第一種為將觸發(fā)電壓加至觸發(fā)電極，所有的針電極通過電阻接地；第二種方法為將觸發(fā)電壓同時加至每個針電極，觸發(fā)電極通過電阻接地。
[0020]本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是:
[0021]1、觸發(fā)電極的結(jié)構(gòu)設(shè)計，當(dāng)觸發(fā)脈沖到達(dá)觸發(fā)電極時，在觸發(fā)子間隙形成較高的場畸變系數(shù)，同時在過壓子間隙形成多通道等離子體噴射；不但有效降低過壓子間隙的氣體絕緣強(qiáng)度，而且縮短了擊穿延時，并在兩個子間隙中產(chǎn)生多通道放電，擴(kuò)寬了開關(guān)的工作電壓，降低自放電概率和抖動，減小電極燒蝕。
[0022]2、開關(guān)整體呈現(xiàn)緊湊的同軸結(jié)構(gòu)，加工、裝配簡單；利用等離子體合成射流觸發(fā)方式能夠降低觸發(fā)電壓閾值，這將簡化觸發(fā)脈沖發(fā)生器的結(jié)構(gòu)。
[0023]采用等離子體合成射流觸發(fā)技術(shù)，在開關(guān)的過壓子間隙形成等離子體噴射，能夠在較低的工作電壓下使開關(guān)以較低的抖動可靠閉合，并降低自放電概率；同時形成多個并聯(lián)的放電通道，不僅顯著降低了每個通道的電流密度，而且減小了開關(guān)電弧對電極的燒蝕，延長了開關(guān)壽命。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0024]圖1為根據(jù)本發(fā)明具體實施例的多通道氣體火花開關(guān)的整體剖面圖；
[0025]圖2為根據(jù)本發(fā)明具體實施例的氣體火花開關(guān)內(nèi)部的觸發(fā)電極的剖面圖；
[0026]圖中的附圖標(biāo)記所分別指代的技術(shù)特征為:
[0027]1.主電極，2.開關(guān)外殼，3.主電極連接桿，4.主電極螺母，5.上電極板，6.絕緣環(huán)，7.下電極板，8.針電極，9.針電極連接桿，10.陶瓷管，11.尼龍?zhí)淄玻?2.針電極螺母，13.球頭螺母電極，14.觸發(fā)電極連接桿，15.通氣孔，16.圓環(huán)結(jié)構(gòu)，17.波紋結(jié)構(gòu)，18.激勵腔，19.噴射孔。【具體實施方式】
[0028]下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明作進(jìn)一步的詳細(xì)說明?？梢岳斫獾氖牵颂幩枋龅木唧w實施例僅僅用于解釋本發(fā)明，而非對本發(fā)明的限定。另外還需要說明的是，為了便于描述，附圖中僅示出了與本發(fā)明相關(guān)的部分而非全部結(jié)構(gòu)。
[0029]參見圖1，示出了多通道氣體火花開關(guān)的整體剖面圖，圖2示出了氣體火花開關(guān)內(nèi)部的觸發(fā)電極的不同方向的剖面圖。
[0030]一種等離子體合成射流觸發(fā)技術(shù)的多通道氣體火花開關(guān)，包括開關(guān)外殼2，以及在開關(guān)外殼2內(nèi)部的觸發(fā)電極、針電極8和兩個主電極1、，以及在所述觸發(fā)電極的一側(cè)表面上的噴射孔19，其中，兩個主電極I分別位于開關(guān)外殼2內(nèi)部的上側(cè)和下側(cè)，觸發(fā)電極位于開關(guān)外殼2的內(nèi)，并位于兩個主電極I之間，以將整個火花間隙，或者說是兩個主電極之間的間隙分成相等的兩部分，所述針電極8位于所述觸發(fā)電極內(nèi)，并與所述觸發(fā)電極絕緣，在所述觸發(fā)電極的一側(cè)表面上具有孔徑較小的噴射孔19，以用于等離子體噴射，所述針電極8與所述噴射孔19空間連通，位于所述噴射孔19的底部。
[0031]因此，火花間隙被觸發(fā)電極分為相等的兩部分，開關(guān)觸發(fā)電極的背向噴射孔的一偵牝即觸發(fā)子間隙，在過電壓作用下形成多點(diǎn)局部電場增強(qiáng)而形成多通道放電，開關(guān)觸發(fā)電極的具有噴射孔的另一側(cè)，即過壓子間隙，可形成多個等離子體射流而形成多通道放電，從而實現(xiàn)整個間隙的多通道放電。
[0032]在一個具體的實施例中，所述觸發(fā)電極包括上電極板5，下電極板7和絕緣環(huán)6，所述上電極板5和所述下電極板7上下配合以包容所述絕緣環(huán)6，絕緣環(huán)6內(nèi)部均布η (η > I)個圓臺或圓柱體的空腔，與上電極板配合形成密閉的激勵腔18，所述噴射孔位于所述上電極板5上，所述針電極8固定在所述激勵腔18底部的中心螺孔處。其中，絕緣環(huán)6為常用的絕緣材料，優(yōu)選地，可選用聚四氟乙烯或聚乙烯等高分子碳?xì)浠衔锊牧?。上、下電極板可以通過6組均布的沉頭螺栓固定。這樣，觸發(fā)電極的一側(cè)為具有η(η> I)個噴射孔的平板結(jié)構(gòu)，會在對應(yīng)的火花間隙產(chǎn)生多通道等離子體噴射。
[0033]優(yōu)選地，在所述下電極板7的表面具有截面為半圓形或者橢圓形的圓環(huán)結(jié)構(gòu)16，以通過場畸變方式形成多通道放電。
[0034]其中，主電極呈圓板形結(jié)構(gòu)，邊緣經(jīng)倒角處理以減弱邊緣效應(yīng)。主電極利用主電極連接桿3和固定所述主電極連接桿的螺母4固定在開關(guān)外殼2 ;主電極利用頸向的O型圈，對開關(guān)進(jìn)行密封。
[0035]其中，所述的針電極8通過位于所述絕緣環(huán)6中的陶瓷管10，和位于所述陶瓷管10后的尼龍?zhí)淄?1與所述觸發(fā)電極絕緣，使觸發(fā)電極與針電極8相絕緣。所述針電極8的尾部具有球頭螺母電極13以用于固定連線并防止電暈，所述觸發(fā)電極外側(cè)具有直接螺紋固定在所述下電極板的觸發(fā)電極連接桿14。所述螺母電極13和所述觸發(fā)電極連接桿14分別用來對針電極和觸發(fā)電極進(jìn)行電連接。
[0036]優(yōu)選地，所述開關(guān)外殼2的內(nèi)表面具有多種圓弧配合形成的波紋結(jié)構(gòu)17，增加從主電極到觸發(fā)電極的沿面距離，從而能夠保證沿面閃絡(luò)電壓高于放電間隙的擊穿電壓。
[0037]所述開關(guān)的外絕緣適用于變壓器油和高壓氣絕緣環(huán)境。所述開關(guān)內(nèi)部的工作氣體介質(zhì)為純凈的空氣、N2和SF6-N2的混合氣體，氣壓范圍在0.1MPa-0.6MPa，開關(guān)兩個主電極之間的距離在I?16mm任意調(diào)節(jié)。
[0038]在本發(fā)明中，所有主電極及其連接、配合件可采用不銹鋼、黃銅或抗熔蝕等合金類金屬材料；開關(guān)外殼可采用有機(jī)玻璃或尼龍等絕緣材料。
[0039]本開關(guān)具有兩種觸發(fā)方式，第一種為將觸發(fā)電壓加至觸發(fā)電極，所有的針電極通過電阻接地；第二種方法可將觸發(fā)電壓同時加至每個針電極，觸發(fā)電極通過電阻接地；這兩種觸發(fā)方式均能實現(xiàn)多通道等離子體噴射。
[0040]本發(fā)明的進(jìn)一步特征在于:等離子體合成射流觸發(fā)技術(shù)的多通道氣體火花開關(guān)為了擴(kuò)展工作范圍，需要將噴射間隙作為過壓子間隙，增加觸發(fā)能量能夠進(jìn)一步擴(kuò)展工作范圍。
[0041]可見，對于該觸發(fā)開關(guān)，在觸發(fā)工作條件下，針電極與上極板放電產(chǎn)生大量等離子體，在電場加速以及激勵腔熱膨脹的綜合作用下，將初始電子噴射到過壓子間隙，有效降低了火花隙的氣體絕緣強(qiáng)度，而且縮短擊穿延時，有助于多個放電通道的形成；在觸發(fā)子間隙中，觸發(fā)脈沖在圓環(huán)處產(chǎn)生較大的場畸變系數(shù)，也會促進(jìn)多通道放電的產(chǎn)生。
[0042]等離子體合成射流觸發(fā)技術(shù)的多通道氣體火花開關(guān)的工作范圍相對于場畸變、UV預(yù)電離結(jié)構(gòu)開關(guān)具有更寬泛的工作范圍，而且較低的抖動；在同樣的工作條件下，提高觸發(fā)能量能夠擴(kuò)展工作范圍。
[0043]因此，本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是:
[0044]1、觸發(fā)電極的結(jié)構(gòu)設(shè)計，當(dāng)觸發(fā)脈沖到達(dá)觸發(fā)電極時，在觸發(fā)子間隙形成較高的場畸變系數(shù)，同時在過壓子間隙形成多通道等離子體噴射；不但有效降低過壓子間隙的氣體絕緣強(qiáng)度，而且縮短了擊穿延時，并在兩個子間隙中產(chǎn)生多通道放電，擴(kuò)寬了開關(guān)的工作電壓，降低自放電概率和抖動，減小電極燒蝕。
[0045]2、開關(guān)整體呈現(xiàn)緊湊的同軸結(jié)構(gòu)，加工、裝配簡單；利用等離子體合成射流觸發(fā)方式能夠降低觸發(fā)電壓閾值，這將簡化觸發(fā)脈沖發(fā)生器的結(jié)構(gòu)。
[0046]以上內(nèi)容是結(jié)合具體的優(yōu)選實施方式對本發(fā)明所作的進(jìn)一步詳細(xì)說明，不能認(rèn)定本發(fā)明的【具體實施方式】僅限于此，對于本發(fā)明所屬【技術(shù)領(lǐng)域】的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明構(gòu)思的前提下，還可以做出若干簡單的推演或替換，都應(yīng)當(dāng)視為屬于本發(fā)明由所提交的權(quán)利要求書確定保護(hù)范圍。
【權(quán)利要求】
1.一種等離子體合成射流觸發(fā)技術(shù)的多通道氣體火花開關(guān)，包括開關(guān)外殼在所述開關(guān)外殼內(nèi)部的觸發(fā)電極、針電極和兩個主電極， 其中，所述兩個主電極分別位于所述開關(guān)外殼內(nèi)部的上側(cè)和下側(cè)，所述觸發(fā)電極位于所述開關(guān)外殼的內(nèi)，并位于兩個主電極之間，以將整個火花間隙分成相等的兩部分，所述針電極位于所述觸發(fā)電極內(nèi)，并與所述觸發(fā)電極相絕緣，在所述觸發(fā)電極的一側(cè)表面上具有孔徑較小的噴射孔，以用于等離子體噴射，所述針電極與所述噴射孔空間連通，并位于所述噴射孔的底部。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的多通道氣體火花開關(guān)，其特征在于: 所述觸發(fā)電極包括上電極板，下電極板和絕緣環(huán)，所述上電極板和所述下電極板上下配合以包容所述絕緣環(huán)，所述絕緣環(huán)內(nèi)部均布I個以上的圓臺或圓柱體的空腔，與上電極板配合形成密閉的激勵腔，所述噴射孔位于所述上電極板上并與所述激勵腔連通，所述針電極固定在所述激勵腔底部的中心螺孔處。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的多通道氣體火花開關(guān)，其特征在于: 在所述下電極板的表面具有截面為半圓形或者橢圓形的圓環(huán)結(jié)構(gòu)。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的多通道氣體火花開關(guān)，其特征在于: 所述主電極呈圓板形結(jié)構(gòu)，邊緣經(jīng)倒角處理以減弱邊緣效應(yīng)。
5.根據(jù)權(quán)利要求1-4中任意一項所述的多通道氣體火花開關(guān)，其特征在于: 所述主電極利用主電極連接桿和以及固定所述主電極連接桿的螺母固定在開關(guān)外殼，所述主電極利用頸向的O型圈，對開關(guān)進(jìn)行密封。
6.根據(jù)權(quán)利要求1-4中任意一項所述的多通道氣體火花開關(guān)，其特征在于: 所述的針電極通過位于所述絕緣環(huán)中的陶瓷管，和位于所述陶瓷管后的尼龍?zhí)淄才c所述觸發(fā)電極絕緣。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的多通道氣體火花開關(guān)，其特征在于: 所述針電極的尾部具有球頭螺母電極以用于固定連線并防止電暈，所述觸發(fā)電極外側(cè)具有固定在所述下電極板的觸發(fā)電極連接桿，所述球頭螺母電極和所述觸發(fā)電極連接桿分別用來對所述針電極和所述觸發(fā)電極進(jìn)行電連接。
8.根據(jù)權(quán)利要求1-4中任意一項所述的多通道氣體火花開關(guān)，其特征在于: 所述開關(guān)外殼的內(nèi)表面具有多種圓弧配合形成的波紋結(jié)構(gòu)。
9.根據(jù)權(quán)利要求1-4中任意一項所述的多通道氣體火花開關(guān)，其特征在于: 所述開關(guān)內(nèi)部的工作氣體介質(zhì)為純凈的空氣、N2和SF6-N2的混合氣體，優(yōu)選的，氣壓范圍在0.1MPa-0.6MPa,開關(guān)的兩個主電極之間的距離能夠在I?16mm之間任意調(diào)節(jié)。
10.根據(jù)權(quán)利要求1-4中任意一項所述的多通道氣體火花開關(guān)，其特征在于: 所述火花開關(guān)具有兩種觸發(fā)方式，第一種為將觸發(fā)電壓加至觸發(fā)電極，所有的針電極通過電阻接地；第二種方法為將觸發(fā)電壓同時加至每個針電極，觸發(fā)電極通過電阻接地。
【文檔編號】H01T2/02GK103441427SQ201310406914
【公開日】2013年12月11日 申請日期:2013年9月9日 優(yōu)先權(quán)日:2013年9月9日
【發(fā)明者】劉軒東, 鐵維昊, 劉善紅, 張喬根 申請人:西安交通大學(xué)