一种激光触发多级真空开关

摘要

本发明属于高压大功率脉冲功率开关技术领域，具体涉及一种激光触发多级真空开关。一种激光触发多级真空开关，包括激光触发真空间隙、多级自击穿真空间隙和触发系统；多级自击穿真空间隙通过紧固连接件固定在激光触发真空间隙的上端，均压环套装于上绝缘外壳外部；本发明采用激光触发真空间隙和多级自击穿真空间隙串联技术，二者相互配合实现激光触发多级真空开关在高压、高重频、大功率脉冲功率系统中的应用；采用多路激光同时轰击触发靶材，增大激光对靶材的作用面积，产生更多初始等离子体，进一步提升激光触发真空开关的导通性能，采用激光触发多级真空开关，避免长期维护所需的复杂工艺和高额成本。

说明书

技术领域

本发明属于高压大功率脉冲功率开关技术领域，具体涉及一种激光触发多级真空开关。

背景技术

随着我国大功率、高重频脉冲功率技术研究的不断进步及脉冲功率系统容量的不断增长，脉冲功率系统对其开关器件的导通时延、通流容量、高频开断、使用寿命等关键工作特性提出了更高要求。目前应用较为广泛的脉冲功率开关器件主要有气体触发开关和真空触发开关两种；根据开关触发方式不同，又可分为电脉冲触发和激光触发两种类型。其中，电脉冲触发开关是在主电极间隙设置触发电极，利用高压脉冲放电产生初始等离子体使间隙导通。电脉冲触发开关维持良好触发特性的前提是保持相对较高的欠压比并提供一定触发能量，这对其工作环境和触发系统提出了较高要求。电脉冲触发开关导通后电弧对触发极及触发极涂覆材料烧蚀较为严重，影响电脉冲触发开关的导通性能和使用寿命。激光触发开关以激光作为触发源，将触发系统与主电极间隙电气隔离，利用高能激光脉冲轰击靶电极产生初始等离子体导通主间隙。相较于电脉冲触发方式，激光触发开关具有导通延时短、触发精度高、控制便捷、可重复触发等优势，同时避免电弧烧蚀对触发极工作寿命的影响。因此在大功率、高重频脉冲功率系统中多采用激光触发的方式。

激光触发气体开关多采用SF6气体等绝缘性能良好的电负性气体作为开关的绝缘和灭弧介质，其导通延时可达数十纳秒。为满足高压、大功率脉冲功率系统对高性能开关器件的需求，有学者提出将激光触发气体间隙与多级过压自击穿气体间隙串联组成MV级激光触发多级多通道的气体开关，以SF6/N2的混合气体为开关绝缘和灭弧介质，其导通瞬时功率可达T瓦级，导通延时为10纳秒左右。但受SF6气体自身电气特性限制，激光触发气体开关的重频工作特性较差；且电弧放电会使开关内SF6气体大量分解，影响多级触发气体开关的工作稳定性，需要定期更换气体以维持开关工作性能，后期维护成本较高。

激光触发真空开关以真空为主电极间绝缘和灭弧介质，具有通流能力强、可靠性高、重频特性好、免维护等优势，相同条件下可获得优于激光触发气体开关的导通特性。目前国内外针对大功率激光触发开关器件的研究基本都集中在激光触发气体开关方面，高压、大功率激光触发真空开关的研究未见报道。这是由于真空间隙的耐压水平与其间隙距离间存在非线性增长关系，限制了激光触发真空开关的应用电压等级。基于多断口真空断路器技术和激光触发多级气体开关技术相关研究，若将激光触发真空间隙与多级过压自击穿真空间隙串联组成激光触发多级真空开关；设置合理的间隙距离、设计各部分电极结构和激光光路，以满足脉冲功率系统对开关电压等级和导通性能的需求；充分利用激光触发真空开关的导通优势与真空短间隙的灭弧和绝缘特点，大幅提升开关的重频开断能力，同时有效降低后期维护成本。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种基于激光触发真空间隙与自击穿真空间隙串联的高压、大功率激光触发多级真空开关；设计激光触发系统，产生多路能量相等的平行激光同时轰击多个靶电极中触发靶材，提升激光触发真空间隙的导通特性，与多级过压自击穿真空间隙相配合，使激光触发多级真空开关获得更佳的导通性能；通过调控多级自击穿真空间隙内电极结构，利用间隙间磁场的协同作用提升激光触发多级真空开关的重频开断能力。

本发明的技术方案：

一种激光触发多级真空开关，包括激光触发真空间隙、多级自击穿真空间隙和触发系统；

多级自击穿真空间隙通过紧固连接件7固定在激光触发真空间隙的上端，均压环6套装于上绝缘外壳3外部；

所述的激光触发真空间隙包括下绝缘外壳9、触发上端盖法兰8、触发间隙屏蔽罩19、触发下端盖法兰10、阴极导电杆15、带多个靶电极的平板型阴极触头20、触发靶材22、带多个通光孔的平板型阳极触头21、带多个通光孔的阳极导电杆11、波纹管23、通光镜片12和隔挡板13；

所述的下绝缘外壳9的上下两端开口分别由触发上端盖法兰8和触发下端盖法兰10密封；

所述的触发间隙屏蔽罩19固定在下绝缘外壳9内，用于优化激光触发真空间隙内电场分布；所述的带多个靶电极的平板型阴极触头20和带多个通光孔的平板型阳极触头21相对布置，位于触发间隙屏蔽罩19内；

带多个靶电极的平板型阴极触头20通过阴极导电杆15固定于触发上端盖法兰8上；带多个通光孔的平板型阳极触头21与带多个通光孔的阳极导电杆11直连，带多个通光孔的阳极导电杆11经波纹管23密封接于触发下端盖法兰10；带多个通光孔的平板型阳极触头21上的通光孔14位置和带多个靶电极的平板型阴极触头20上的触发靶材22位置一一对应；

所述的通光镜片12密封接于带多个通光孔的阳极导电杆11底部，通光镜片12外套隔挡板13，隔挡板13固定在带多个通光孔的阳极导电杆11上，位于触发下端盖法兰10外，其上设有与通光孔14相对应的通孔；

所述的多级自击穿真空间隙包括上绝缘外壳3、自击穿上端盖法兰2、自击穿间隙屏蔽罩16、自击穿下端盖法兰4、低压导电杆1、支撑绝缘子18、环形自击穿电极17和高压导电杆5；

所述的上绝缘外壳3的上下两端分别由自击穿上端盖法兰2和自击穿下端盖法兰4密封，多个自击穿间隙屏蔽罩16竖向固定在上绝缘外壳3内部，优化多级自击穿真空间隙内电场分布；

所述的高压导电杆5穿过自击穿下端盖法兰4密封固定，其上端与环形自击穿电极17等电位连接，下端与阴极导电杆15的上端连接；

所述串联的多个环形自击穿电极17和支撑绝缘子18固定于多级自击穿间隙屏蔽罩16内部；

所述的支撑绝缘子18为上部有圆柱状凸起，底部有圆柱状凹槽的带伞裙的柱状物，最底部的支撑绝缘子18与高压导电杆5配合连接，各支撑绝缘子18间相互配合，将多个环形自击穿电极17内环分别夹在中间；

所述的环形自击穿电极17的中间空心圆直径与支撑绝缘子18上部圆柱凸起的直径相等，电极内环薄片厚度小于外环并与之一体连接，外环部分为主放电电极，串联间隙导通后，电流通过外环部分流通，改变外环部分结构及槽口类型可改变通流时间隙内磁场的方向和强度，第一级环形自击穿电极17内环夹在高压导电杆5和支撑绝缘子18之间，以此方式串联形成多级过压自击穿真空间隙；

所述的低压导电杆1的底面带有配合支撑绝缘子18的凹槽，其上端穿过自击穿上端盖法兰2密封固定，下端凹槽经最后一级环形自击穿电极17与支撑绝缘子18顶部的凸起连接；

所述的串联的环形自击穿电极17包括平板型、纵磁型、横磁型中的一种或多种结构的相互组合。

所述的触发系统包括触发控制器24、激光器25、传输光纤26、4:1分光镜片27、3:1分光镜片28、2:1分光镜片36、1:1分光镜片33、全反镜片A30、全反镜片B32、全反镜片C35、全反镜片D29、聚焦镜片A31、聚焦镜片B34、聚焦镜片C37和聚焦镜片D38；

所述的触发控制器24负责接收外部系统的动作指令，并通过传输光纤26控制激光器25动作，产生激光脉冲；激光器25发出的激光脉冲依次通过固定在激光器25输出端的多个分光镜片分光、全反镜片反射、聚焦镜片聚焦后形成上、下、左、右、中5路能量相等的平行激光；

激光脉冲经过80％透过率的4:1分光镜片27分光，反射光经下方的全反镜片B32和聚焦镜片B34形成下路激光；激光脉冲透过4:1分光镜片27的激光经75％透过率的3:1分光镜片28分光、反射光经左侧的全反镜片C35和聚焦镜片C37形成左路激光；激光脉冲透过3:1分光镜片28的激光再经透过率66％的2:1分光镜片36分光、反射光经右侧的全反镜片D29和聚焦镜片D38形成右路激光；激光脉冲透过2:1分光镜片36的激光经透过率50％的1:1分光镜片33分光，反射光经上方的全反镜片A30和聚焦镜片A31形成上路激光；透过1:1分光镜片33的激光经过中心聚焦镜片形成中路激光；5路平行激光穿过通光孔14同时聚焦在触发靶材22表面，产生大量初始等离子体使激光触发真空间隙获得更短的导通延时。

所述的分光镜片的分光比例、数量、位置，全反镜片的数量、位置以及聚焦镜片的数量、位置可根据靶材及通光孔的数量和位置进行调整，以形成更多束能量相等的平行激光。

本发明的有益效果：本发明采用激光触发真空间隙和多级自击穿真空间隙串联技术，二者相互配合实现激光触发多级真空开关在高压、高重频、大功率脉冲功率系统中的应用；采用多路激光同时轰击触发靶材，增大激光对靶材的作用面积，产生更多初始等离子体，进一步提升激光触发真空开关的导通性能，同时在一定程度上减弱激光对触发靶材的烧蚀作用，延长开关使用寿命；通过改变多级自击穿真空间隙内环形自击穿电极的组合方式，调控间隙间磁场分布，使激光触发多级真空开关获得更强的重频开断能力；采用激光触发多级真空开关，避免长期维护所需的复杂工艺和高额成本。

附图说明

图1是激光触发多级真空开关结构示意图。

图2是激光触发多级真空开关内部结构示意图。

图3是带多个通光孔的阳极导电杆俯视图。

图4是横磁型环形自击穿电极示意图。

图5是激光触发系统的侧视图。

图6是激光触发系统的俯视图。

图中：1低压导电杆；2自击穿上端盖法兰；3上绝缘外壳；4自击穿下端盖法兰；5高压导电杆；6均压环；7紧固连接件；8触发上端盖法兰；9下绝缘外壳；10触发下端盖法兰；11带多个通光孔的阳极导电杆；12通光镜片；13隔挡板；14通光孔；15阴极导电杆；16自击穿间隙屏蔽罩；17环形自击穿电极；18支撑绝缘子；19触发间隙屏蔽罩；20带多个靶电极的平板型阴极触头；21带多个通光孔的平板型阳极触头；22触发靶材；23波纹管；24触发控制器；25激光器；26传输光纤；27 4:1分光镜片；28 3:1分光镜片；29全反镜片D；30全反镜片A；31聚焦镜片A；32全反镜片B；33 1:1分光镜片；34聚焦镜片B；35全反镜片C；36 2:1分光镜片；37聚焦镜片C；38聚焦镜片D。

具体实施方式

以下结合技术方案和附图详细叙述本发明的具体实施方式。

结合图1～图6，一种激光触发多级真空开关，包括激光触发真空间隙、多级自击穿真空间隙和触发系统；

多级自击穿真空间隙通过紧固连接件7固定在激光触发真空间隙的上端，均压环6套装于上绝缘外壳3外部；

所述的激光触发真空间隙包括下绝缘外壳9、触发上端盖法兰8、触发间隙屏蔽罩19、触发下端盖法兰10、阴极导电杆15、带多个靶电极的平板型阴极触头20、触发靶材22、带多个通光孔的平板型阳极触头21、带多个通光孔的阳极导电杆11、波纹管23、通光镜片12和隔挡板13；

所述的下绝缘外壳9的上下两端开口分别由触发上端盖法兰8和触发下端盖法兰10密封；

所述的触发间隙屏蔽罩19固定在下绝缘外壳9内，用于优化激光触发真空间隙内电场分布；所述的带多个靶电极的平板型阴极触头20和带多个通光孔的平板型阳极触头21相对布置，位于触发间隙屏蔽罩19内；

带多个靶电极的平板型阴极触头20通过阴极导电杆15固定于触发上端盖法兰8上；带多个通光孔的平板型阳极触头21与带多个通光孔的阳极导电杆11直连，带多个通光孔的阳极导电杆11经波纹管23密封接于触发下端盖法兰10；带多个通光孔的平板型阳极触头21上的通光孔14位置和带多个靶电极的平板型阴极触头20上的触发靶材22位置一一对应；

所述的通光镜片12密封接于带多个通光孔的阳极导电杆11底部，通光镜片12外套隔挡板13，隔挡板13固定在带多个通光孔的阳极导电杆11上，位于触发下端盖法兰10外，其上设有与通光孔14相对应的通孔；

所述的多级自击穿真空间隙包括上绝缘外壳3、自击穿上端盖法兰2、自击穿间隙屏蔽罩16、自击穿下端盖法兰4、低压导电杆1、支撑绝缘子18、环形自击穿电极17和高压导电杆5；

所述的上绝缘外壳3的上下两端分别由自击穿上端盖法兰2和自击穿下端盖法兰4密封，多个自击穿间隙屏蔽罩16竖向固定在上绝缘外壳3内部，优化多级自击穿真空间隙内电场分布；

所述的高压导电杆5穿过自击穿下端盖法兰4密封固定，其上端与环形自击穿电极17等电位连接，下端与阴极导电杆15的上端连接；

所述串联的多个环形自击穿电极17和支撑绝缘子18固定于多级自击穿间隙屏蔽罩16内部；

所述的支撑绝缘子18为上部有圆柱状凸起，底部有圆柱状凹槽的带伞裙的柱状物，最底部的支撑绝缘子18与高压导电杆5配合连接，各支撑绝缘子18间相互配合，将多个环形自击穿电极17内环分别夹在中间；

所述的环形自击穿电极17的中间空心圆直径与支撑绝缘子18上部圆柱凸起的直径相等，电极内环薄片厚度小于外环并与之一体连接，外环部分为主放电电极，串联间隙导通后，电流通过外环部分流通，改变外环部分结构及槽口类型可改变通流时间隙内磁场的方向和强度，第一级环形自击穿电极17内环夹在高压导电杆5和支撑绝缘子18之间，以此方式串联形成多级过压自击穿真空间隙；

所述的低压导电杆1的底面带有配合支撑绝缘子18的凹槽，其上端穿过自击穿上端盖法兰2密封固定，下端凹槽经最后一级环形自击穿电极17与支撑绝缘子18顶部的凸起连接；

所述的串联的环形自击穿电极17外环部分结构包括平板型、纵磁型、横磁型中的一种或多种结构的相互组合。

所述的触发系统包括触发控制器24、激光器25、传输光纤26、4:1分光镜片27、3:1分光镜片28、2:1分光镜片36、1:1分光镜片33、全反镜片A30、全反镜片B32、全反镜片C35、全反镜片D29、聚焦镜片A31、聚焦镜片B34、聚焦镜片C37和聚焦镜片D38；

所述的触发控制器24负责接收外部系统的动作指令，并通过传输光纤26控制激光器25动作，产生激光脉冲；激光器25发出的激光脉冲依次通过固定在激光器25输出端的多个分光镜片分光、全反镜片反射、聚焦镜片聚焦后形成上、下、左、右、中5路能量相等的平行激光；

激光脉冲经过80％透过率的4:1分光镜片27分光，反射光经下方的全反镜片B32和聚焦镜片B34形成下路激光；透过4:1分光镜片27的激光经75％透过率的3:1分光镜片28分光、反射光经左侧的全反镜片C35和聚焦镜片C37形成左路激光；透过3:1分光镜片28的激光再经透过率66％的2:1分光镜片36分光、反射光经右侧的全反镜片D29和聚焦镜片D38形成右路激光；透过2:1分光镜片36的激光经透过率50％的1:1分光镜片33分光，反射光经上方的全反镜片A30和聚焦镜片A31形成上路激光；透过1:1分光镜片33的激光经过中心聚焦镜片形成中路激光；5路平行激光穿过通光孔14同时聚焦在触发靶材22表面，产生大量初始等离子体使激光触发真空间隙获得更短的导通延时。

所述的分光镜片的分光比例、数量、位置，全反镜片的数量、位置以及聚焦镜片的数量、位置可根据靶材及通光孔的数量和位置进行调整，以形成更多束能量相等的平行激光。

当激光触发多级真空开关未导通时，激光触发多级真空开关置于绝缘油中，利用上绝缘外壳3和下绝缘外壳9及绝缘油保持外部绝缘，通过带多个通光孔14的阳极导电杆11和低压导电杆1与外部系统保持电气连接；均压环6、自击穿间隙屏蔽罩16、触发间隙屏蔽罩19作用下，多级自击穿间隙间的电压均匀分布，激光触发真空间隙和多级自击穿真空间隙间电压合理分布，各间隙均保持高工作欠压比；通过调整与波纹管23相连的带多个通光孔的阳极导电杆11的纵向位置控制触发间隙内真空触头间距，可进一步调整激光触发真空间隙的工作欠压比。

5路激光经过对应的聚焦镜片聚焦，依次通过通光镜片12及带多个通光孔的阳极导电杆11与带多个通光孔的平板型阳极触头21形成的5路激光通道14，同时轰击带多个靶电极的平板型阴极触头20表面的5个触发靶材22，产生大量初始等离子体，使激光触发真空间隙获得纳秒级导通延时。

触发间隙导通后，激光触发多级真空开关两端工作电压迅速施加在多级自击穿真空间隙两端，串联的多个自击穿真空间隙沿环形自击穿电极17的外环部分逐级击穿，激光触发多级真空开关导通。开关导通过程中，电流通过多级自击穿真空间隙，在不同结构的环形自击穿电极17作用下，各级真空间隙中形成不同方向的磁场并产生协同作用，加速间隙内电弧的扩散运动和冷却过程，配合激光触发真空间隙实现激光触发多级真空开关的快速开断。