一種兩電極氣體火花開關的製作方法

2024-02-21 05:13:15

專利名稱：一種兩電極氣體火花開關的製作方法
技術領域：
本發明屬於高電壓電工電器技術和脈衝功率技術領域，涉及一種具有大電流高轉
移電荷量的兩電極氣體火花開關。
背景技術：
脈衝功率技術是指將較長時間內存儲起來的具有較高密度的能量，進行快速壓 縮、轉換或直接以很短的時間釋放能量給負載的電物理技術。它作為最先進的科學技術以 及產業的基礎科技正在急速向前發展，廣泛應用於等離子體物理與受控核聚變的研究、核 爆炸模擬、閃光X射線照相、高功率雷射、大功率微波、電磁脈衝、電磁發射、粒子束武器等 方面，同時在環境、生物醫學、新材料、精密加工、食品加工等領域也有一定的應用。脈衝功 率技術及其應用技術中的大多數涉及到高電壓、大電流及高速脈衝放電方面的應用。
開關器件在脈衝功率系統中佔有特殊的地位，這是因為開關器件的參數和特性對 脈衝的上升時間、幅值等產生最直接、最敏感的影響。對脈衝功率裝置而言，說它的性能由 使用的開關的特性決定完全不過分。將儲能傳輸給負載的能力的任何進展，都是以成功地 設計和研製各種各樣的脈衝大電流開關為前提的。在脈衝功率系統中，脈衝功率開關在高 電壓、大電流下工作，條件十分惡劣，開關中的擊穿現象和開關電極上的放電物理過程十分 複雜，開關電極材料在擊穿時的燒蝕將會直接影響到開關的性能和壽命。為此，具有耐受高 電壓強電流、擊穿時延短而分散性小、電感和電阻小、電極燒蝕少以及能高重複頻率工作的 各種開關器件的研製，是脈衝功率技術中十分重要的課題。 脈衝功率閉合開關的種類很多，主要有以下幾種閘流管、火花氣體開關、雷射觸 發開關、真空開關、等離子體斷路開關、熔絲、金屬箔熔片、固體介質放電開關、液體介質放 電開關、動態等離子體開關、金屬蒸汽開關、固態開關、贗火花開關、磁開關、光導半導體開 關、表面放電開關等。其中，火花氣體開關(Spark G即Switch)具有響應快、損耗小、承受 電壓高、傳導電流大、穩定性高、電感和抖動低、工作電壓調節方便、結構簡單堅固、造價低 等優點，因此在高電壓電工技術領域和脈衝功率技術領域中得到了廣泛的應用。

發明內容
本發明的目的是針對脈衝功率系統中大電流閉合開關的應用需求，提供一種兩電 極氣體火花開關，該氣體火花開關具有大電流、高轉移電荷量的特點。 本發明提供的兩電極氣體火花開關，其結構特徵在於開關外殼由上底座、底座套 筒和下底座共同構成密封的圓筒狀，下底座的側面設有兩個氣嘴； 上底座和下底座為軸向對稱形式的整體件，下底座為圓筒狀，下石墨電極通過下
電極套筒固定在下底座的支座上，下電極套筒與下底座之間通過連接件連接；上石墨電極
通過上電極套筒固定在上底座的支座上，上底座的支座的長度大於下底座的支座的長度，
上石墨電極部分伸入至下底座的圓筒內，且上、下石墨電極之間留有間隙； 底座套筒採用環氧樹脂材料製作，石墨電極使用各向同性的石墨，其肖氏硬度大於70，純度大於95% ;上底座和下底座均用金屬材料製成。 本發明針對脈衝功率系統中大電流閉合開關的應用需求，設計出一種具有數百kA 以上峰值通流能力，單次開通電荷轉移量可在IOO庫侖以上的兩電極火花氣體開關。該兩 電極氣體火花開關具有工作性能穩定，通流能力強，壽命長的優點。以本發明所給出的兩電 極氣體開關的基本結構進行合理的尺寸設計，製造出的氣體開關可以滿足各種直流電壓等 級下以脈衝放電形式為主的大功率能源系統的開關快速開通需求，可以實現各種能量等級 的電荷儲能的微秒級快速釋放。


圖1為開關整體結構示意圖； 圖2為開關整體45度視角俯視外觀圖，其中(a)為上45度視角俯視、(b)為下45 度視角俯視； 圖3為開關下底座45度視角俯視外觀圖，其中(a)為上45度視角俯視、(b)圖為 下45度視角俯視； 圖4為上底座45度視角俯視外觀圖；
圖5為開關下底座的垂直剖切面圖；
圖6為上底座的垂直剖切面圖；
圖7為環氧樹脂套筒的外形圖。
具體實施例方式
下面通過藉助實施例更加詳細地說明本發明，但以下實施例僅是說明性的，本發 明的保護範圍並不受這些實施例的限制。 如圖1至圖4所示，開關外殼為密封的圓筒狀，由上底座5、底座套筒8和下底座 6共同構成，底座套筒8採用環氧樹脂材料製作，其作用有兩個其一是支撐上底座5於下 底座6之上，其二是保證上底座5和下底座6在電氣上相互絕緣。下底座側面設有兩個氣 嘴2，使用時，一個作為進氣嘴，另一個作為出氣嘴，開關在工作過程中，石墨電極因電弧燒 蝕會產生一氧化碳、二氧化碳等氣體，需要定期由進出氣嘴換氣更新。本實例中，上、下底座 5、6上均帶有法蘭盤，絕緣拉杆10和螺母11通過法蘭盤將上底座5、環氧絕緣套筒8和下 底座6連接且壓緊密封。絕緣拉杆10必須選擇有良好絕緣性能和較好剛性的材料製造，例 如聚甲醛(POM)等。 電極套筒和石墨電極均為一對，上、下電極套筒1、1'的作用是將上、下石墨電極 7、7'固定於上、下底座5、6。電極套筒可以採用不鏽鋼等高強度材料製作，選材原則應該是 能耐高溫且剛性較好的型材。石墨電極使用高強度、高純度且各向同性的石墨，通常其肖氏 硬度應大於70，純度應大於95 % 。 上底座5和下底座6底座為軸向對稱形式。下底座6為圓筒狀，下石墨電極7'通 過下電極套筒1'固定在下底座6的支座上；上石墨電極7通過上電極套筒1固定在上底座 5的支座上，上底座5的支座的長度大於下底座6的支座的長度，上石墨電極7部分伸入至 下底座6的圓筒內，且上、下石墨電極7，7'之間留有間隙。 上底座5和下底座6均用金屬材料製成，可以採用不鏽鋼、鋁合金等材質。
下電極套筒1'與下底座6之間通過連接件連接，連接件由依次疊放的緊固套3、密 封墊圈9、0型圈20、內六角圓柱頭螺釘12、平墊圈14和標準型彈簧墊圈15構成。這種連 接方式可以保證開關氣密性。密封墊圈9可以用丁腈橡膠製作，緊固套3可根據開關實際 尺寸大小設計加工。 在上、下石墨電極7、7'與上、下底座5、6之間均可以放置銅墊片4，其直徑大小與 石墨電極和底座接觸面直徑接近即可。銅墊片4加工厚度比較薄，可選擇0. 3或者0. 5毫 米。其作用有兩方面，其一為加強石墨電極和開關底座之間的電接觸，其二是可微調上、下 石墨電極之間的間距。 底座套筒8可以參考圖7的圓筒形結構加工製造。 0型圈20、21、22在各個零件裝配接觸面上起到密封作用，可以根據開關實際尺寸
採用標準件。在需要安裝O型圈的零部件上，應該加工出相應的凹槽。 從圖2可以看到上底座5、下底座6、底座套筒8、氣嘴2、緊固套3、絕緣拉杆10、螺
母11等主要零部件及其之間的裝配關係。由於底座套筒8、絕緣拉杆10、以及圖1中一對
石墨電極之間形成的間隙，使得上底座5和下底座6在電氣上相互隔離。 開關裝配完成後在內部充絕緣氣體，可以選擇乾燥空氣，或者氮氣、氧氣按4 : 1
比例混合。絕緣氣體中含有氧氣可以使得開關在導通瞬間，石墨電極的微量燒蝕變成一氧
化碳、二氧化碳等氣體，不至於形成固體粘接物導致電極間電場不均勻，不會汙染開關和絕
緣筒，能很好的恢復開關間隙的絕緣性能，降低開關的自擊穿概率，有利於提高開關工作的 穩定性和延長開關的壽命。由於含有一氧化碳以及氮氧化物等有害有毒氣體，開關放氣排 出的氣體要注意安全處理或回收。 由於上底座5和下底座6底座為軸向對稱形式，故兩者共同形成一種同軸回流結 構，氣體開關導通瞬間，電流方向沿氣體開關的軸向中心線通過。同軸結構使開關的磁力平 衡，能消除開關的振動，減小開關導通瞬間由於電動力造成的機械負荷。從圖l可以看出， 由於上底座5的支座部分要比下底座6的支座部分長很多，因此開關的兩個石墨電極形成 的導通間隙深置於下底座6外壁構成的金屬殼體內，同軸結構電弧通道被約束在開關電極 的中間區域，使開關的絕緣遠離放電電弧，減小了電弧的高熱和紫外線對底座套筒8的損 傷。 開關放電導通時，會產生熾熱的電弧、強烈的紫外線和巨大的電磁衝擊力，這會使 開關絕緣支撐外殼性能劣化，開關的直流耐壓能力下降，影響開關工作的安全性和減小開 關的壽命。因此必須選擇具有高直流耐壓強度和機械強度，且可耐紫外線照射的絕緣材料 來製作開關絕緣支撐外殼。常用的絕緣材料有尼龍、環氧材料、有機玻璃、聚甲醛(POM)等。 圖1和圖2中底座套筒8使用的是環氧樹脂材料，也可以選用其他抗電弧和強紫外線能力 比較好的型材，例如尼龍、聚甲醛(POM)等。 氣體開關的工作方式有兩種， 一種是自擊穿方式，另一種是指令性觸發擊穿方式。 自擊穿方式的典型做法是，在上底座5和下底座6之間施加一個直流電壓，當這個外施直流 電壓值氣體開關直流耐壓水平的時候，開關處於斷路狀態；當外施直流電壓高於氣體開關 直流耐壓水平的時候，氣體開關中由一對石墨電極7、7'之間構成的氣體間隙就會擊穿，開 關處於瞬時導通狀態。氣體開關直流耐壓水平是一個計量單位為伏特的參數，它主要和一 對石墨電極7、7'構成的氣體間隙的最小距離有關，也和氣體開關內 充氣的氣體物理特性，例如氣體類型、氣壓大小、氣體乾燥度等有關。指令性觸發擊穿方式的典型做法是，在上 底座5和下底座6之間施加一個直流電壓，這個直流電壓值應該小於氣體開關的直流耐壓 水平，當希望觸發開關導通時，通過外部設備在上底座5和下底座6之間再施加一個伏特值 比較高的電壓，這個電壓通常是上升時間較快的脈衝電壓，可提供此種觸發電壓的設備或 裝置包括衝擊電壓發生器(Marx發生器)、脈衝變壓器、點火線圈等。 以上所述為本發明的較佳實施例而已，但本發明不應該局限於該實施例和附圖所 公開的內容。所以凡是不脫離本發明所公開的精神下完成的等效或修改，都落入本發明保 護的範圍。
權利要求
一種兩電極氣體火花開關，其特徵在於開關外殼由上底座(5)、底座套筒(8)和下底座(6)共同構成密封的圓筒狀，下底座(6)的側面設有兩個氣嘴(2)；上底座(5)和下底座(6)為軸向對稱形式的整體件，下底座(6)為圓筒狀，下石墨電極(7』)通過下電極套筒(1』)固定在下底座(6)的支座上，下電極套筒(1)與下底座(6)之間通過連接件連接；上石墨電極(7)通過上電極套筒(1)固定在上底座(5)的支座上，上電極套筒(1)與上底座(5)之間通過連接件連接，上底座(5)的支座的長度大於下底座(6)的支座的長度，上石墨電極(7)部分伸入至下底座(6)的圓筒內，且上、下石墨電極(7、7』)之間留有間隙；底座套筒(8)採用環氧樹脂材料製作，上、下石墨電極(7、7』)使用各向同性的石墨，其肖氏硬度大於70，純度大於95％；上底座(5)和下底座(6)均用金屬材料製成。
2. 根據權利要求1所述的兩電極氣體火花開關，其特徵在於上、下底座(5、6)上均帶 有法蘭盤，絕緣拉杆(10)和螺母(11)通過法蘭盤將上底座(5)、環氧絕緣套筒(8)和下底 座(6)連接且壓緊密封。
3. 根據權利要求1所述的兩電極氣體火花開關，其特徵在於所述連接件由依次疊放 的緊固套(3)、密封墊圈(9)、0型圈(20)、平墊圈(14)、彈簧墊圈(15)和螺釘(12)構成。
4. 根據權利要求1所述的兩電極氣體火花開關，其特徵在於上石墨電極(7)與上底 座(5)之間、下石墨電極(7')與下底座(6)之間均放置有0.3 0.5毫米厚的銅墊片(4)。
全文摘要
本發明公開了一種兩電極氣體火花開關，其結構為開關外殼由上底座、底座套筒和下底座共同構成密封的圓筒狀，下底座的側面設有兩個氣嘴；上底座和下底座為軸向對稱形式的整體件，下底座為圓筒狀，下石墨電極通過下電極套筒固定在下底座的支座上，下電極套筒與下底座之間通過連接件連接；上石墨電極通過上電極套筒固定在上底座的支座上，上底座的支座的長度大於下底座的支座的長度，上石墨電極部分伸入至下底座的圓筒內，且上、下石墨電極之間留有間隙。底座套筒為環氧樹脂材料製作，石墨電極使用各向同性的石墨；上、下底座均用金屬材料。該火花開關具有工作性能穩定，通流能力強，壽命長的優點，可以實現各種能量等級的電荷儲能的微秒級快速釋放。
文檔編號H01T2/02GK101783480SQ20101012832
公開日2010年7月21日 申請日期2010年3月22日 優先權日2010年3月22日
發明者何孟兵, 張欽, 戴玲, 李化, 李黎, 林福昌, 王燕 申請人:華中科技大學