等离子体合成射流触发技术的多通道气体火花开关

摘要

一种等离子体合成射流触发技术的多通道气体火花开关，其特征在于气体开关的火花间隙被中间的触发电极分为均等的两部分，触发电极由上、下电极盘和绝缘环三部分构成，绝缘环内部嵌入1个以上的激励腔和喷射孔，用以在触发电极的一侧产生多通道等离子体喷射；另一侧电极表面具有环状的金属突起，在相对的火花间隙中形成多通道放电。开关外壳采用有机玻璃或其他绝缘材料，当触发脉冲到达触发电极时，在圆环电极一侧形成较高的场畸变系数，同时另一侧产生多通道等离子体喷射，从而降低气体开关的火花电感，减少电极烧蚀，延长开关的工作寿命。

说明书

技术领域

本发明涉及高电压气体火花开关制造领域，特别地，涉及一种等离子体合成 射流触发技术的多通道气体火花开关。

背景技术

气体火花开关是脉冲功率装置的核心部件。其性能直接影响到脉冲功率源 的输出特性。随着脉冲功率装置向高电压、大电流方向发展，多子块串、并联 结构是未来脉冲功率系统的一个主要方向，因此，要求气体火花开关具有较低 的自放电概率、较低的抖动以及尽可能长的使用寿命等特性。

目前，气体开关的触发方式主要有三种，一种是在触发电极施加快前沿的 电压脉冲，使得在触发子间隙产生较高的过压倍数。这种方式的缺点是工作范 围有限，提高工作电压能够保证较低的抖动，但是却极大的增加了自放电概率。 一种是采用紫外光照射，能够产生初始电子，缩短统计时延，减小抖动，但是 对于降低自放电概率和扩展开关工作系数方面作用微弱。另外一种是采用激光 照射，能够使开关工作在较低的工作电压下，但是触发装置结构复杂，造价及 维护成本较高，不适合大规模应用。

因此，如何能够解决现有气体火花开关的较低的自放电概率与低抖动的矛 盾、放电通道单一、电极烧蚀严重等现象成为亟需解决的问题。

发明内容

针对现有的气体火花开关追求较低的自放电概率与低抖动的矛盾、放电通道 单一、电极烧蚀严重等问题，本发明提供一种等离子体合成射流触发技术的多通 道气体火花开关。该气体火花开关在触发工作状态下，可稳定的形成多条放电通 道，从而减小电极烧蚀，延长开关寿命，并且减小了开关电感。

为达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现。

等离子体合成射流触发技术的多通道气体火花开关。其特征在于，采用三电 极开关构型，火花间隙被触发电极分为相等的两部分，触发子间隙在触发电压和 工作电压的综合作用下形成多点局部电场增强而形成多通道放电，过压子间隙中 可形成多条等离子体射流诱发多通道放电，从而实现整个间隙的多通道放电。

具体而言：

一种等离子体合成射流触发技术的多通道气体火花开关，包括开关外壳在所 述开关外壳内部的触发电极、针电极和两个主电极，

其中，所述两个主电极分别位于所述开关外壳内部的上侧和下侧，所述触发 电极位于所述开关外壳的内，并位于两个主电极之间，以将整个火花间隙分成相 等的两部分，所述针电极位于所述触发电极内，并与所述触发电极相绝缘，在所 述触发电极的一侧表面上具有孔径较小的喷射孔，以用于等离子体喷射，所述针 电极与所述喷射孔空间连通，并位于所述喷射孔的底部。

特别的，所述触发电极包括上电极板，下电极板和绝缘环，所述上电极板和 所述下电极板上下配合以包容所述绝缘环，所述绝缘环内部均布1个以上的圆台 或圆柱体的空腔，与上电极板配合形成密闭的激励腔，所述喷射孔位于所述上电 极板上并与所述激励腔连通，所述针电极固定在所述激励腔底部的中心螺孔处。

特别的，在所述下电极板的表面具有截面为半圆形或者椭圆形的圆环结构。

特别的，所述主电极呈圆板形结构，边缘经倒角处理以减弱边缘效应。

特别的，所述主电极利用主电极连接杆和以及固定所述主电极连接杆的螺 母固定在开关外壳，所述主电极利用颈向的O型圈，对开关进行密封。

特别的，所述的针电极通过位于所述绝缘环中的陶瓷管，和位于所述陶瓷 管后的尼龙套筒与所述触发电极绝缘。

特别的，所述针电极的尾部具有球头螺母电极以用于固定连线并防止电晕， 所述触发电极外侧具有固定在所述下电极板的触发电极连接杆，所述球头螺母 电极和所述触发电极连接杆分别用来对所述针电极和所述触发电极进行电连 接。

特别的，所述开关外壳的内表面具有多种圆弧配合形成的波纹结构。

特别的，所述开关内部的工作气体介质为纯净的空气、N₂和SF₆-N₂的混合 气体，气压范围在0.1MPa-0.6MPa，开关两个主电极之间的距离可在1～16mm 之间任意调节。

特别的，所述火花开关具有两种触发方式，第一种为将触发电压加至触发 电极，所有的针电极通过电阻接地；第二种方法为将触发电压同时加至每个针 电极，触发电极通过电阻接地。

本发明的优点是：

1、触发电极的结构设计，当触发脉冲到达触发电极时，在触发子间隙形成 较高的场畸变系数，同时在过压子间隙形成多通道等离子体喷射；不但有效降低 过压子间隙的气体绝缘强度，而且缩短了击穿延时，并在两个子间隙中产生多通 道放电，扩宽了开关的工作电压，降低自放电概率和抖动，减小电极烧蚀。

2、开关整体呈现紧凑的同轴结构，加工、装配简单；利用等离子体合成射 流触发方式能够降低触发电压阈值，这将简化触发脉冲发生器的结构。

采用等离子体合成射流触发技术，在开关的过压子间隙形成等离子体喷射， 能够在较低的工作电压下使开关以较低的抖动可靠闭合，并降低自放电概率； 同时形成多个并联的放电通道，不仅显著降低了每个通道的电流密度，而且减 小了开关电弧对电极的烧蚀，延长了开关寿命。

附图说明

图1为根据本发明具体实施例的多通道气体火花开关的整体剖面图；

图2为根据本发明具体实施例的气体火花开关内部的触发电极的剖面图；

图中的附图标记所分别指代的技术特征为：

1.主电极，2.开关外壳，3.主电极连接杆，4.主电极螺母，5.上电极板，6.绝 缘环，7.下电极板，8.针电极，9.针电极连接杆，10.陶瓷管，11.尼龙套筒，12. 针电极螺母，13.球头螺母电极，14.触发电极连接杆，15.通气孔，16.圆环结构， 17.波纹结构，18.激励腔，19.喷射孔。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。可以理解的是，此 处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。另外还需 要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分而非全部结 构。

参见图1，示出了多通道气体火花开关的整体剖面图，图2示出了气体火花 开关内部的触发电极的不同方向的剖面图。

一种等离子体合成射流触发技术的多通道气体火花开关，包括开关外壳2， 以及在开关外壳2内部的触发电极、针电极8和两个主电极1、，以及在所述触 发电极的一侧表面上的喷射孔19，其中，两个主电极1分别位于开关外壳2内 部的上侧和下侧，触发电极位于开关外壳2的内，并位于两个主电极1之间， 以将整个火花间隙，或者说是两个主电极之间的间隙分成相等的两部分，所述 针电极8位于所述触发电极内，并与所述触发电极绝缘，在所述触发电极的一 侧表面上具有孔径较小的喷射孔19，以用于等离子体喷射，所述针电极8与所 述喷射孔19空间连通，位于所述喷射孔19的底部。

因此，火花间隙被触发电极分为相等的两部分，开关触发电极的背向喷射 孔的一侧，即触发子间隙，在过电压作用下形成多点局部电场增强而形成多通 道放电，开关触发电极的具有喷射孔的另一侧，即过压子间隙，可形成多个等 离子体射流而形成多通道放电，从而实现整个间隙的多通道放电。

在一个具体的实施例中，所述触发电极包括上电极板5，下电极板7和绝缘 环6，所述上电极板5和所述下电极板7上下配合以包容所述绝缘环6，绝缘环 6内部均布n(n≥1)个圆台或圆柱体的空腔，与上电极板配合形成密闭的激励 腔18，所述喷射孔位于所述上电极板5上，所述针电极8固定在所述激励腔18 底部的中心螺孔处。其中，绝缘环6为常用的绝缘材料，优选地，可选用聚四 氟乙烯或聚乙烯等高分子碳氢化合物材料。上、下电极板可以通过6组均布的 沉头螺栓固定。这样，触发电极的一侧为具有n(n≥1)个喷射孔的平板结构， 会在对应的火花间隙产生多通道等离子体喷射。

优选地，在所述下电极板7的表面具有截面为半圆形或者椭圆形的圆环结 构16，以通过场畸变方式形成多通道放电。

其中，主电极呈圆板形结构，边缘经倒角处理以减弱边缘效应。主电极利 用主电极连接杆3和固定所述主电极连接杆的螺母4固定在开关外壳2；主电极 利用颈向的O型圈，对开关进行密封。

其中，所述的针电极8通过位于所述绝缘环6中的陶瓷管10，和位于所述 陶瓷管10后的尼龙套筒11与所述触发电极绝缘，使触发电极与针电极8相绝 缘。所述针电极8的尾部具有球头螺母电极13以用于固定连线并防止电晕，所 述触发电极外侧具有直接螺纹固定在所述下电极板的触发电极连接杆14。所述 螺母电极13和所述触发电极连接杆14分别用来对针电极和触发电极进行电连 接。

优选地，所述开关外壳2的内表面具有多种圆弧配合形成的波纹结构17， 增加从主电极到触发电极的沿面距离，从而能够保证沿面闪络电压高于放电间 隙的击穿电压。

所述开关的外绝缘适用于变压器油和高压气绝缘环境。所述开关内部的工 作气体介质为纯净的空气、N₂和SF₆-N₂的混合气体，气压范围在0.1MPa-0.6MPa， 开关两个主电极之间的距离在1～16mm任意调节。

在本发明中，所有主电极及其连接、配合件可采用不锈钢、黄铜或抗熔蚀 等合金类金属材料；开关外壳可采用有机玻璃或尼龙等绝缘材料。

本开关具有两种触发方式，第一种为将触发电压加至触发电极，所有的针 电极通过电阻接地；第二种方法可将触发电压同时加至每个针电极，触发电极 通过电阻接地；这两种触发方式均能实现多通道等离子体喷射。

本发明的进一步特征在于：等离子体合成射流触发技术的多通道气体火花 开关为了扩展工作范围，需要将喷射间隙作为过压子间隙，增加触发能量能够 进一步扩展工作范围。

可见，对于该触发开关，在触发工作条件下，针电极与上极板放电产生大 量等离子体，在电场加速以及激励腔热膨胀的综合作用下，将初始电子喷射到 过压子间隙，有效降低了火花隙的气体绝缘强度，而且缩短击穿延时，有助于 多个放电通道的形成；在触发子间隙中，触发脉冲在圆环处产生较大的场畸变 系数，也会促进多通道放电的产生。

等离子体合成射流触发技术的多通道气体火花开关的工作范围相对于场畸 变、UV预电离结构开关具有更宽泛的工作范围，而且较低的抖动；在同样的工 作条件下，提高触发能量能够扩展工作范围。

因此，本发明的优点是：

1、触发电极的结构设计，当触发脉冲到达触发电极时，在触发子间隙形成 较高的场畸变系数，同时在过压子间隙形成多通道等离子体喷射；不但有效降 低过压子间隙的气体绝缘强度，而且缩短了击穿延时，并在两个子间隙中产生 多通道放电，扩宽了开关的工作电压，降低自放电概率和抖动，减小电极烧蚀。

2、开关整体呈现紧凑的同轴结构，加工、装配简单；利用等离子体合成射 流触发方式能够降低触发电压阈值，这将简化触发脉冲发生器的结构。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能 认定本发明的具体实施方式仅限于此，对于本发明所属技术领域的普通技术人员 来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单的推演或替换，都应 当视为属于本发明由所提交的权利要求书确定保护范围。