一种沿面击穿型两对棒极结构触发真空开关

摘要

本发明公开了一种沿面击穿型两对棒极结构触发真空开关；触发真空开关采用三段式结构，包括上段波纹状陶瓷外壳，下段波纹状陶瓷外壳，中段金属屏蔽罩，设置在金属屏蔽罩内的上电极和下电极，触发电极，上电极金属连杆，上电极法兰盘，下电极金属连杆以及下电极法兰盘；上电极法兰盘与上段波纹状陶瓷外壳连接，下电极法兰盘与下段波纹状陶瓷外壳连接，再与金属屏蔽罩共同构成密闭壳体；通过上段波纹状陶瓷外壳连接上电极法兰盘，以及通过下段波纹状陶瓷外壳连接下电极法兰盘能有效提高上电极法兰盘与下电极法兰盘之间的爬电距离。本发明工作电压高，燃弧面积大，导通过程的转移库仑量高，大电流下工作寿命长，电极烧蚀程度均匀，熄弧后工频耐压水平高。

说明书

技术领域

本发明属于高电压电工电器技术领域，更具体地，涉及一种沿面触发 型两对棒极结构触发真空开关。

背景技术

触发真空开关是利用真空作为阴阳极间的主间隙绝缘介质和灭弧介 质，并采用特殊设计的触发电极控制开关闭合。随着脉冲功率技术的发展， 要求与其配套的大功率开关能在高电压、大电流下工作，且能在触发能量 较小的情况下稳定、多次触发。设备传统的触发真空开关采用的主电极结 构多为平板电极或者多棒电极结构，触发极结构主要有两种：沿面触发型 和场击穿型。

目前传统的触发真空开关存在下列问题：(1)开关工作电压多为10kV 中低压领域；(2)在通过大电流时，大电流的电弧可以等效成多根通有同 向电流的导体，而通有同向电流的导体之间会相吸引，导致整个弧柱收缩， 而弧柱的收缩会使电极的烧蚀加剧；(3)在大电流下工作多次后，电弧产 生金属等离子体会沉积在触发沿面上导致开关寿命降低。

发明内容

针对现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种沿面触发型两对棒 极结构触发真空开关，旨在解决现有技术中的开关工作电压低，在大电流 下工作多次后，电弧产生金属等离子体会沉积在触发沿面上导致开关寿命 降低的问题。

本发明提供了一种沿面击穿型两对棒极结构的触发真空开关，触发真 空开关采用三段式结构，包括上段波纹状陶瓷外壳，下段波纹状陶瓷外壳， 中段金属屏蔽罩，设置在所述金属屏蔽罩内的上电极和下电极，布置在下 电极平台中央的触发电极，上电极金属连杆，上电极法兰盘，下电极金属 连杆以及下电极法兰盘；所述上电极通过所述上电极金属连杆与所述上电 极法兰盘连接；所述下电极通过所述下电极金属连杆与所述下电极法兰盘 连接；所述上电极法兰盘与所述上段波纹状陶瓷外壳连接，所述下电极法 兰盘与所述下段波纹状陶瓷外壳连接，再与所述金属屏蔽罩共同构成密闭 壳体；通过上段波纹状陶瓷外壳连接所述上电极法兰盘，以及通过下段波 纹状陶瓷外壳连接所述下电极法兰盘能有效提高所述上电极法兰盘与所述 下电极法兰盘之间的爬电距离。

更进一步地，所述上电极包括上电极圆盘和两根棒状电极；所述上电 极圆盘通过所述上电极连杆与所述上电极法兰盘连接，两根棒状电极从电 极圆盘表面垂直伸出，分布在圆盘电极外沿，彼此互成180度圆心角；棒 状电极的截面为近似梯形，边缘处有倒角。

更进一步地，所述上电极的两根棒极与所述下电极的两根棒极交错排 列，互成90度圆心角，相邻棒极之间的间隙与棒极顶端到相对电极圆盘之 间的间隙距离相等。

更进一步地，所述间隙距离为25mm。

更进一步地，两根棒状电极的材料为铜铬合金。

更进一步地，所述密闭壳体内的气压为10^-3Pa～10^-5Pa。

更进一步地，所述上电极法兰盘和所述下电极法兰盘的材料为无氧铜。

更进一步地，所述下电极包括下电极圆盘和两根棒状电极；下电极圆 盘中央布置有触发电极，所述触发电极包括金属触发极、辅助阴极和陶瓷 沿面；所述辅助阴极为圆环状，所述辅助阴极与所述下电极圆盘连接在一 起且保持等电位；所述金属触发极通过触发极导杆延伸至下电极法兰盘以 外，且与所述下电极法兰盘保持绝缘；通过所述金属触发极与所述辅助阴 极之间的电位差，使涂釉的陶瓷沿面发生沿面闪络，从而产生大量初始等 离子体。

更进一步地，参与沿面闪络的陶瓷沿面长度为0.5mm～0.6mm。

更进一步地，金属触发极和所述辅助阴极的材料为金属钼。

本发明具有以下技术效果：

(1)加大了主电极之间绝缘距离，达到了25mm，提高了开关耐压水 平，使开关可以工作于35kV电压等级。

(2)开关主电极采用两对棒状电极设计结构，能有效增加开关导通时 的电弧通道数量及燃弧面积，从而避免了电弧集聚造成的电极烧蚀问题。

(3)电弧通道数量及燃弧面积的增加，使得开关在导通过程的转移库 仑量高，且每根棒状电极烧蚀程度均匀。

(4)采用两对棒状电极设计结构使电弧通道分布在棒状电极之间，避 免了开关导通过程中金属蒸汽在触发极上的沉积，提高了开关的工作寿命。

(5)棒形电极的边缘采用倒角处理，使棒极间电场更加均匀，从而在 触发真空开关熄弧后，棒极间的工频耐压水平较高，不会发生自击穿。

(6)开关采用三段式设计结构，大大减小了陶瓷绝缘外壳的长度和直 径，增强了外壳的机械强度并降低了外壳的制作加工难度。

附图说明

图1是本发明触发真空开关的一种具体实施方案的结构示意图。

图2为本发明实施的剖面图。

在所有的附图中，相同的附图标记来表示相同的原件或结构，其中： 1-1为上电极法兰盘；1-2为下电极法兰盘；2-1为上段波纹状陶瓷外壳；2-2 为下段波纹状陶瓷外壳；3为金属屏蔽罩；4-1为上电极连杆；4-2为下电 极连杆；5-1为上电极圆盘；5-2为下电极圆盘；6为上电极(阳极)；7为 下电极(阴极)；8为触发电极；9为辅助阴极；10为陶瓷沿面；11为触 发极连杆。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图 及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体 实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明的目的是为了提高开关工作电压，将开关运用于35kV电压等 级。所设计触发真空开关工作电压高，燃弧面积大，导通过程的转移库仑 量高，大电流下工作寿命长，电极烧蚀程度均匀，熄弧后工频耐压水平高。

本发明提供了一种沿面触发型两对棒极结构的触发真空开关，其结构 为：上下两段波纹状绝缘陶瓷外壳经中段金属屏蔽罩连接构成三段式结构。 阴、阳主电极安装在中段金属屏蔽罩内，经电极连杆分别与电极法兰盘焊 接。主电极由电极圆盘和两根棒状极柱构成。电极圆盘为圆台形，两根棒 状电极从电极圆盘表面延伸出来，与电极圆盘表面垂直；棒状电极的截面 为近似梯形，边缘处有倒角，阴极与阳极的棒形极柱交错排列，每相邻两 根极柱的间距相等。触发电极位于阴极的电极圆盘中心，通过触发极连杆 与外回路相连。金属触发极通过陶瓷沿面与辅助阴极保持绝缘。陶瓷沿面 位于辅助阴极与金属触发极之间，并且与之紧密压接在一起。陶瓷沿面的 表面做了涂釉处理用以产生足够的等离子体，使触发沿面只需要较小的能 量就能够稳定触发。

本发明提供的真空触发开关，耐压值高，通流能力大，转移库仑量高， 通流多次后烧蚀较均匀。工作电压高，燃弧面积大，导通过程的转移库仑 量高，大电流下工作寿命长，电极烧蚀程度均匀，熄弧后工频耐压水平高。

如参见图1，本实施例包括上、下两段均匀波纹状陶瓷外壳2-1、2-2 和中段金属屏蔽罩3以及设置在金属屏蔽罩3内的上电极(阳极)6与下电 极(阴极)7。通过波纹状陶瓷外壳连接上、下两电极法兰盘能有效提高法 兰盘之间的爬电距离，防止开关工作过程中发生绝缘闪络。金属屏蔽罩的 设置能有效改善开关内部电场的分布，降低了局部高场强区域的电场强度， 使电场分布更均匀。上电极经上电极金属连杆4-1与上电极法兰盘1-1焊接 在一起，同理下电极经下电极金属连杆4-2与下电极法兰盘1-2焊接在一起。 上、下两个电极法兰盘通过上下两段波纹状陶瓷外壳2-1、2-2和金属屏蔽 罩4共同构成密闭壳体，密闭壳体内的气压为10^-3～10^-5Pa。电极法兰盘1-1 和1-2采用导电性能好且耐高温的无氧铜作为材料。这样能有效降低开关导 通时的电阻，同时防止大电流通过时所产生的热量对法兰盘造成烧蚀。

以上电极(阳极)为例，电极包括上电极圆盘5-1，两根棒状电极6A、 6B。如图1、2所示，上电极圆盘5-1经上电极连杆4-1与上电极法兰盘1-1 直接焊接在一起；两根棒状电极6A、6B从电极圆盘表面垂直伸出，分布在 圆盘电极外沿，彼此互成180度圆心角。上电极(阳极)的两根棒极与下 电极(阴极)的两根棒极交错排列，互成90度圆心角，相邻棒极之间的间 隙与棒极顶端到相对电极圆盘之间的间隙距离相等，这样可以保证两个间 隙之间电场强度基本一致。开关导通时，电弧电流通道将在两个间隙之间 随机产生，从而形成多个电弧通道，降低电弧对电极的烧蚀。由于开关要 工作于35kV电压等级，为了防止相邻棒极之间与棒极顶端到相对电极圆盘 之间发生绝缘击穿，在留有一定绝缘裕度的情况下，通过仿真计算，得到 间隙距离优选值为25mm。开关在通过大电流的情况下，为了降低真空电弧 对电极的烧蚀，棒极6、7与电极圆盘5的材料优选耐烧蚀的铜铬合金。

下电极(阴极)与上电极(阳极)结构类似，但下电极圆盘5-2中心 掏空并在圆盘中央布置有触发电极，触发电极结构主要由金属触发极8、辅 助阴极9和陶瓷沿面10构成。其中，辅助阴极9为圆环状，与下电极圆盘 5-2焊接在一起保持等电位；金属触发极8通过触发极导杆11延伸至下电 极法兰盘1-2以外，与法兰盘保持绝缘。触发极的工作是通过金属触发极8 与辅助阴极9之间的电位差，使涂釉的陶瓷沿面10发生沿面闪络，从而产 生大量初始等离子体。为了保证开关能够可靠触发，即触发电压电压能可 靠击穿陶瓷沿面，且能够产生足够多的初始等离子体，陶瓷沿面的长度不 能过长或过短，优选参与沿面闪络的陶瓷沿面长度为0.5mm～0.6mm。为 了防止开关流过大电流时对触发极产生烧蚀。优选金属触发极8和辅助阴 极9优选耐高温和耐烧蚀的金属钼作为材料。

金属屏蔽罩3主要用于防止开关导通时的金属蒸汽沉积在陶瓷外壳的 的内壁，使内壁发生闪络。另外，屏蔽罩的引入可以降低局部高场强区域 的电场值，从而改善开关内部电场分布，使电场分布更为均匀，从而开关 具有较高的耐压值。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已， 并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等 同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。