觸發多通道放電氣體火花開關用衝擊電壓發生器的製作方法

2023-09-20 18:51:15

專利名稱：觸發多通道放電氣體火花開關用衝擊電壓發生器的製作方法
技術領域：
本發明涉及應用於電氣設備絕緣試驗、脈衝功率電源等領域的衝擊電壓發生器， 特別是能夠產生波前時間小於IOns的觸發多通道放電氣體火花開關用衝擊高電壓發生器。
背景技術：
氣體火花開關是脈衝功率裝置的核心部件。隨著脈衝功率裝置向更高功率、高重複頻率方向發展，要求氣體火花開關具有承受電壓高、導通電流大、電感和抖動低、壽命長等特性。當氣體火花開關間隙形成多個並聯的放電通道時，不僅顯著降低了每個放電通道的電流密度，減小了開關電弧對電極的燒蝕，延長了開關壽命，而且降低了開關電感和導通電阻。因此，多通道放電氣體火花開關獲得了日益廣泛的應用。氣體火花開關中的多通道放電，通常需要在波前時間達納秒級的衝擊電壓的觸發作用下才能生成，並且波前時間越短、衝擊電壓峰值越高則多通道放電效果越好。而傳統的衝擊電壓發生器設備尺寸大，產生的衝擊電壓波前時間大多在微秒量級甚至更長，難以滿足多通道放電氣體火花開關的觸發需要。多通道放電氣體火花開關可能工作在不同的氣體條件下，所需的觸發電壓峰值和波形時間參數也需要做相應調整，而傳統的衝擊電壓發生器往往需要逐級調整，過程繁瑣費時，會給多通道放電氣體火花開關的靈活應用造成很大不便。

發明內容
為了能夠靈活可靠地觸發多通道放電氣體火花開關，本發明提供一種衝擊電壓發生器，能夠產生波前時間小於IOns的衝擊高電壓，電壓峰值在10 IOOkV內連續可調，波形時間參數調整方便。為達到上述目的，本發明採用以下技術方案予以實現。—種觸發多通道放電氣體火花開關用衝擊電壓發生器，包括絕緣材質密封容器， 及設置在密封容器內腔的衝擊電壓發生器芯體，其特徵在於所述密封容器內腔設置的衝擊電壓發生器芯體通過絕緣支架連接成五級金屬球間隙的Marx迴路，所述密封容器外側設置有波前電阻和波尾電阻，密封容器的頂部設置有頂蓋，自頂蓋向密封容器內腔延伸有一與絕緣支架的滑動拉杆相連的絕緣材質頂蓋螺釘；在絕緣材質密封容器的側壁上開有與衝擊電壓發生器芯體相連的充電輸入端、觸發脈衝輸入端、升壓電路輸出端和接地端的穿孔；在絕緣材質密封容器底部側壁設有氣孔，密封容器內充入絕對壓力0. IMPa的SF6氣體。本發明進一步的特徵在於所述具有五級金屬球間隙的Marx迴路(即升壓電路)由絕緣支架構成矩形框架連接而成，沿絕緣支架內側分別垂直均布有5個電容器，對應電容器的一側分布有相對交錯布置的5對金屬球電極，各金屬球電極分別通過連接導體與電容器連接；在矩形絕緣支架其中一框架邊上設置有貫穿於其框架邊的滑動拉杆。
所述電容器通過金屬螺釘緊固在絕緣支架上，相鄰電容器之間設置有充電電阻， 並通過連接導體相連。 所述各金屬球電極頭部均為表面光滑的球形，尾部為連接螺杆。所述滑動拉杆為頂部設有螺孔且截面為階梯形的絕緣材質條杆，滑動拉杆貫穿於絕緣支架一側框架邊的豎直階梯槽中，沿該條杆長軸方向均布有5個與金屬球電極連接螺杆直徑對應的螺孔。所述相對交錯布置的5對金屬球電極分別通過連接螺杆固定於絕緣支架一個框架邊和滑動拉杆上，其中連接於滑動拉杆上的5個金屬球電極通過其連接螺杆貫穿於滑動拉杆的螺孔與絕緣支架相連；連接於絕緣支架一個框架邊上的5個金屬球電極通過其連接螺杆與絕緣支架相連。所述絕緣支架一側框架邊上設有5個穿入金屬球電極連接螺杆的腰型孔。所述絕緣支架底部第一級金屬球電極的首端通過設置於其中的觸發針與觸發脈衝輸入端連接，第一級金屬球電極的首端連接螺杆連接接地端；第一級金屬球電極的尾端連接充電輸入端5 ；第五級電容器的一極連接所述升壓電路輸出端。所述波前電阻的一端連接升壓電路輸出端，另一端為衝擊電壓輸出端。所述波尾電阻的一端連接升壓電路輸出端，另一端連接接地端。本發明升壓電路的絕緣結構適用於絕對壓力0. IMPa的SF6氣體中，升壓電路安裝在充入絕對壓力0. IMPa的SF6氣體的密封容器內，這就使得衝擊電壓發生器結構緊湊，迴路阻抗小，從而有利於產生具有納秒級波前時間的衝擊電壓。升壓電路的滑動拉杆可在絕緣支架框架邊中的階梯槽中滑動，滑動範圍不小於lcm，頂蓋螺釘懸掛於頂蓋上，並伸入密封容器內腔，旋入滑動拉杆頂部的螺孔中，即可以通過旋擰頂蓋螺釘拉動密封容器內的滑動拉杆，對五級金屬球間隙距離聯動調節，從而能方便地實現對輸出衝擊電壓峰值的調節； 波前電阻和波尾電阻可以各自獨立更換，從而能方便地實現對輸出衝擊電壓波形時間參數的調整。本發明的優點及有益效果是1、衝擊電壓發生器結構緊湊、迴路阻抗小，可以輸出波前時間小於IOns的雙指數形衝擊電壓。2、衝擊電壓發生器輸出的衝擊電壓峰值可以通過滑動拉杆五級聯動極為方便地調節，衝擊電壓峰值調節範圍寬，為10 100kV。3、需要調整輸出衝擊電壓波形的時間參數時，無需打開密封容器，只需更換密封容器外的波前電阻和波尾電阻，操作方便。4、衝擊電壓發生器升壓電路放在密封容器內，受外界溼度、溫度、氣壓影響較小， 性能穩定。


下面結合附圖和具體實施方式
對本發明進一步說明。圖1是本發明結構示意圖。圖2是圖1的俯視圖。圖3是本發明的衝擊電壓發生器升壓電路結構示意圖。
圖4是圖3的左視圖。圖5是圖3的俯視圖。圖6是本發明的升壓電路滑動拉杆結構示意圖。圖7是圖6的左視圖。圖8是本發明的電路原理圖。圖中1.頂蓋，2.密封墊，3.密封容器，4.頂蓋螺釘，5.充電輸入端，6.氣孔，7.升壓電路輸出端，8.波前電阻，9.波尾電阻，10.接地端，11.觸發脈衝輸入端，12.衝擊電壓輸出端，13.絕緣支架，14.滑動拉杆，15.金屬球電極，16.電容器，17.觸發針，18.充電電阻， 19.連接導體，20.升壓電路。
具體實施例方式如圖1、圖2所示，該觸發多通道放電氣體火花開關用衝擊電壓發生器，包括絕緣材質密封容器3，及設置在密封容器3內腔的衝擊電壓發生器芯體，其中所述密封容器3 內腔設置的衝擊電壓發生器芯體通過絕緣支架13連接成五級金屬球間隙的Marx迴路(即圖8所示升壓電路20)，本發明升壓電路20的絕緣結構適用於絕對壓力0. IMPa的SF6氣體中，密封容器3內需要充入絕對壓力0. IMPa的SF6氣體，這就使得衝擊電壓發生器結構緊湊，迴路阻抗小，從而有利於產生具有納秒級波前時間的衝擊電壓。波前電阻8和波尾電阻 9設置於所述密封容器3外側，可以各自獨立更換。從而可以通過更換不同阻值的波前電阻8和波尾電阻9方便地調整輸出衝擊電壓波形的時間參數；密封容器3的頂部設置有絕緣材質的頂蓋1，頂蓋1與密封容器3之間設有密封墊2，頂蓋1、密封墊2與密封容器3用尼龍螺栓緊固；頂蓋1上開有一個通孔，通過此通孔自頂蓋1向密封容器3內腔延伸有一與絕緣支架13的滑動拉杆14相連的絕緣材質頂蓋螺釘4 ；即可以通過旋擰頂蓋螺釘4拉動密封容器3內的滑動拉杆14，對所述五級金屬球間隙距離聯動調節，從而能方便地實現對輸出衝擊電壓峰值的調節。在密封容器3的側壁上開有與衝擊電壓發生器芯體相連的充電輸入端5、觸發脈衝輸入端11、升壓電路輸出端7和接地端10的穿孔；在密封容器3底部側壁設有氣孔6，氣孔6內插入氣管，氣管與氣孔6之間用密封膠封住，氣管再接氣閥，即可向密封容器3內充入SF6氣體，用來保證升壓電路20的外絕緣，整個密封容器3僅適合絕對氣壓0. IMPa的氣體密封。頂蓋螺釘4上纏繞生料帶以實現頂蓋1上通孔的密封，密封容器3側壁上充電輸入端5、觸發脈衝輸入端7、升壓電路輸出端11和接地端10的穿孔處用密封膠封住，各端子與具有五級金屬球間隙的Marx迴路(升壓電路20)連接點之間留有足夠長的引線以方便取出具有五級金屬球間隙的Marx迴路(升壓電路20)。如圖3、圖4、圖5所示，具有五級金屬球間隙的Marx迴路由絕緣支架13構成矩形框架連接而成，沿絕緣支架13內側分別垂直均布有5個電容器16，對應電容器16的一側分布有相對交錯布置的5對金屬球電極15，各金屬球電極15分別通過連接導體19與電容器 16連接；電容器16通過金屬螺釘緊固在絕緣支架13上，相鄰電容器16之間設置有充電電阻18，並通過連接導體19相連。各金屬球電極15頭部均為表面光滑的球形，尾部為連接螺杆。在矩形絕緣支架13其中一框架邊上設置有貫穿於其框架邊的滑動拉杆14。如圖6、圖7所示，滑動拉杆14為頂部設有螺孔且截面為階梯形的絕緣材質條杆，滑動拉杆14貫穿於絕緣支架13—側框架邊的豎直階梯槽中，滑動拉杆14可以在階梯槽中滑動， 滑動範圍不小於1cm，滑動的上限位置見圖3、圖4所示。沿該條杆長軸方向均布有5 個與金屬球電極15連接螺杆直徑對應的螺孔。相對交錯布置的5對金屬球電極15分別通過連接螺杆固定於絕緣支架13 —個框架邊和滑動拉杆14上，其中連接於滑動拉杆14上的5個金屬球電極15通過其連接螺杆貫穿於滑動拉杆14的螺孔與絕緣支架13連接；連接於絕緣支架13 —個框架邊上的5個金屬球電極15通過其連接螺杆穿過設在該絕緣支架13框架邊對應位置的5個腰型孔與絕緣支架13相連。腰形孔中金屬球電極15連接螺杆的位置可以略微移動，便於調節各級球隙距離來實現同步放電。調節各級球隙距離以實現同步放電的方法是先將各級金屬球電極15安裝在圖3 中所示位置，並將滑動拉杆14滑到絕緣支架13底部，再調節腰型孔中金屬球電極15連接螺杆的位置，使得帶有觸發針17的最下面一級的兩球挨緊接觸上，然後調節其它各級球隙距離以實現同步放電，一般情況下每一級球隙距離稍大於其相鄰的下面一級球隙距離。只要各級金屬球間隙已經調整好同步放電，通過滑動拉杆14五級聯動調整金屬球間隙距離後就仍然可以實現同步放電，這樣就可以根據需要方便地調節輸出衝擊電壓峰值。絕緣支架13底部第一級金屬球電極15的首端通過設置於其中的觸發針17與觸發脈衝輸入端11連接(見圖3)，第一級金屬球電極15的首端連接螺杆連接接地端10 ；第一級金屬球電極15的尾端連接充電輸入端5 ；第五級電容器16未直接與金屬球電極15連接的一端連接所述升壓電路輸出端7 (見圖1結合圖8所示)。圖1中，波前電阻8的一端連接升壓電路輸出端7，另一端為衝擊電壓輸出端12。 波尾電阻9的一端連接升壓電路輸出端7，另一端連接接地端10。參照本發明的電路原理8結合圖1所示，絕緣支架13底部第一級金屬球電極 15首端連接螺杆連接接地端10，第一級金屬球電極15的尾端連接螺杆連接充電輸入端5， 同時連接到第一級電容器16的一極。第一級電容器16的另一極連接到第二級金屬球電極 15首端連接螺杆，同時通過一個充電電阻18連接到第一級金屬球電極15首端連接螺杆。第二級金屬球電極15尾端連接螺杆連接第二級電容器的一極，同時通過一個充電電阻18連接到第一級金屬球電極15尾端連接螺杆。以後各級電容器16與各級金屬球電極15按同樣方式依次級連。最後一級電容器16未直接與金屬球電極15連接的一極連接所述升壓電路輸出端7。波前電阻(Rf)S的一端連接升壓電路輸出端7，另一端為衝擊電壓輸出端12。 波尾電阻(Rt)9的一端連接升壓電路輸出端7，另一端連接接地端10。由於衝擊電壓發生器結構緊湊、迴路阻抗小，每級迴路中均未接入阻尼電阻，這也有利於減小輸出衝擊電壓的波前時間。充電輸入端5需要通過一個限流保護電阻連接到直流高壓電源給衝擊電壓發生器充電，充電後，通過觸發脈衝輸入端11向衝擊電壓發生器輸入一個高壓脈衝，使得第一級金屬球間隙擊穿，若各級金屬球間隙已經調整好同步，就會依次擊穿，最終衝擊電壓輸出端 12輸出所需衝擊電壓。升壓電路20中元件參數選取範圍為電容器(C) 16容量350pF 500pF，充電電阻(R) 18的阻值是波尾電阻(Rt) 9的10 20倍。
權利要求
1.一種觸發多通道放電氣體火花開關用衝擊電壓發生器，包括絕緣材質密封容器 (3)，及設置在密封容器(3)內腔的衝擊電壓發生器芯體，其特徵在於所述密封容器(3)內腔設置的衝擊電壓發生器芯體通過絕緣支架(13)連接成五級金屬球間隙的Marx迴路，所述密封容器(3)外側設置有波前電阻(8)和波尾電阻(9)，密封容器(3)頂部設置有頂蓋 (1)，自頂蓋(1)向密封容器(3)內腔延伸有一與絕緣支架(13)的滑動拉杆(14)相連的絕緣材質頂蓋螺釘(4)；在絕緣材質密封容器(3)的側壁上開有與衝擊電壓發生器芯體相連的充電輸入端(5)、觸發脈衝輸入端(11)、升壓電路輸出端(7)和接地端(10)的穿孔；在絕緣材質密封容器⑶底部側壁設有氣孔(6)，密封容器(3)內充入絕對壓力0. 1MPa的SF6 氣體。
2.根據權利要求1所述的一種觸發多通道放電氣體火花開關用衝擊電壓發生器，其特徵在於所述五級金屬球間隙的Marx迴路由絕緣支架(13)構成矩形框架連接而成，沿絕緣支架(13)內側分別垂直均布有5個電容器(16)，對應電容器(16) —側分布有相對交錯布置的5對金屬球電極(15)，各金屬球電極(15)分別通過連接導體(19)與電容器(16)連接；在矩形絕緣支架(13)其中一框架邊上設置有貫穿於其框架邊的滑動拉杆(14)。
3.根據權利要求2所述的一種觸發多通道放電氣體火花開關用衝擊電壓發生器，其特徵在於所述電容器(16)通過金屬螺釘緊固在絕緣支架(13)上，相鄰電容器(16)之間設置有充電電阻(18)，並通過連接導體(19)相連。
4.根據權利要求2所述的一種觸發多通道放電氣體火花開關用衝擊電壓發生器，其特徵在於所述各金屬球電極(15)頭部均為表面光滑的球形，尾部為連接螺杆。
5.根據權利要求2所述的一種觸發多通道放電氣體火花開關用衝擊電壓發生器，其特徵在於所述滑動拉杆(14)為頂部設有螺孔且截面為階梯形的絕緣材質條杆，滑動拉杆 (14)貫穿於絕緣支架(13) 一側框架邊的豎直階梯槽中，沿該條杆長軸方向均布有5個與金屬球電極(15)連接螺杆直徑對應的螺孔。
6.根據權利要求2或5所述的一種觸發多通道放電氣體火花開關用衝擊電壓發生器， 其特徵在於所述相對交錯布置的5對金屬球電極(15)分別通過連接螺杆固定於絕緣支架 (13) —個框架邊和滑動拉杆(14)上，其中連接於滑動拉杆(14)上的5個金屬球電極(15) 通過其連接螺杆貫穿於滑動拉杆(14)的螺孔與絕緣支架(13)相連；連接於絕緣支架(13) 一個框架邊上的5個金屬球電極(15)通過其連接螺杆與絕緣支架(13)相連。
7.根據權利要求6所述的一種觸發多通道放電氣體火花開關用衝擊電壓發生器，其特徵在於所述絕緣支架(13) 一側框架邊上設有5個穿入金屬球電極(15)連接螺杆的腰型孔。
8.根據權利要求1所述的一種觸發多通道放電氣體火花開關用衝擊電壓發生器，其特徵在於所述絕緣支架(13)底部第一級金屬球電極(15)的首端通過設置於其中的觸發針 (17)與觸發脈衝輸入端(11)連接，第一級金屬球電極(15)的首端連接螺杆連接接地端 (10)；第一級金屬球電極(15)的尾端連接充電輸入端(5)；第五級電容器(16)的一極連接所述升壓電路輸出端(7)。
9.根據權利要求1所述的一種觸發多通道放電氣體火花開關用衝擊電壓發生器，其特徵在於所述波前電阻(8)的一端連接升壓電路輸出端(7)，另一端為衝擊電壓輸出端 (12)。
10.根據權利要求1所述的一種觸發多通道放電氣體火花開關用衝擊電壓發生器，其特徵在於所述波尾電阻(9)的一端連接升壓電路輸出端(7)，另一端連接接地端(10)。
全文摘要
本發明公開了一種觸發多通道放電氣體火花開關用衝擊電壓發生器，包括絕緣材質密封容器，及設置在密封容器內腔的衝擊電壓發生器芯體，所述密封容器內腔設置的衝擊電壓發生器芯體通過絕緣支架連接成金屬球間隙同步放電結構，絕緣材質密封容器外側設置有波前電阻和波尾電阻，絕緣材質密封容器的頂部設置有頂蓋，自頂蓋向密封容器內腔延伸有一與絕緣支架的滑動拉杆相連的頂蓋螺釘；在絕緣材質密封容器的側壁上開有與衝擊電壓發生器芯體相連的充電輸入端、升壓電路輸出端和接地端的穿孔；在絕緣材質密封容器底部側壁設有氣孔。該衝擊電壓發生器能產生波前時間小於10ns、電壓峰值在10～100KV內連續可調、波形時間參數也調整方便的衝擊高電壓。
文檔編號H02M9/00GK102158116SQ20111002297
公開日2011年8月17日 申請日期2011年1月20日 優先權日2011年1月20日
發明者常家森, 張喬根, 邱愛慈 申請人:西安交通大學