專利名稱：一種兩電極氣體火花開關的制作方法
技術(shù)領域：
本發(fā)明屬于高電壓電工電器技術(shù)和脈沖功率技術(shù)領域，涉及一種具有大電流高轉(zhuǎn)
移電荷量的兩電極氣體火花開關。
背景技術(shù)：
脈沖功率技術(shù)是指將較長時間內(nèi)存儲起來的具有較高密度的能量，進行快速壓 縮、轉(zhuǎn)換或直接以很短的時間釋放能量給負載的電物理技術(shù)。它作為最先進的科學技術(shù)以 及產(chǎn)業(yè)的基礎科技正在急速向前發(fā)展，廣泛應用于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、高功率激光、大功率微波、電磁脈沖、電磁發(fā)射、粒子束武器等 方面，同時在環(huán)境、生物醫(yī)學、新材料、精密加工、食品加工等領域也有一定的應用。脈沖功 率技術(shù)及其應用技術(shù)中的大多數(shù)涉及到高電壓、大電流及高速脈沖放電方面的應用。
開關器件在脈沖功率系統(tǒng)中占有特殊的地位，這是因為開關器件的參數(shù)和特性對 脈沖的上升時間、幅值等產(chǎn)生最直接、最敏感的影響。對脈沖功率裝置而言，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 設計和研制各種各樣的脈沖大電流開關為前提的。在脈沖功率系統(tǒng)中，脈沖功率開關在高 電壓、大電流下工作，條件十分惡劣，開關中的擊穿現(xiàn)象和開關電極上的放電物理過程十分 復雜，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復頻率工作的 各種開關器件的研制，是脈沖功率技術(shù)中十分重要的課題。 脈沖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、激光觸 發(fā)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(zhì)放電開關、液體介質(zhì)放 電開關、動態(tài)等離子體開關、金屬蒸汽開關、固態(tài)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(wěn)定性高、電感和抖動低、工作電壓調(diào)節(jié)方便、結(jié)構(gòu)簡單堅固、造價低 等優(yōu)點，因此在高電壓電工技術(shù)領域和脈沖功率技術(shù)領域中得到了廣泛的應用。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是針對脈沖功率系統(tǒng)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(zhuǎn)移電荷量的特點。 本發(fā)明提供的兩電極氣體火花開關，其結(jié)構(gòu)特征在于開關外殼由上底座、底座套 筒和下底座共同構(gòu)成密封的圓筒狀，下底座的側(cè)面設有兩個氣嘴； 上底座和下底座為軸向?qū)ΨQ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于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(nèi)，且上、下石墨電極之間留有間隙； 底座套筒采用環(huán)氧樹脂材料制作，石墨電極使用各向同性的石墨，其肖氏硬度大于70，純度大于95% ;上底座和下底座均用金屬材料制成。 本發(fā)明針對脈沖功率系統(tǒng)中大電流閉合開關的應用需求，設計出一種具有數(shù)百kA 以上峰值通流能力，單次開通電荷轉(zhuǎn)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(wěn)定，通流能力強，壽命長的優(yōu)點。以本發(fā)明所給出的兩電 極氣體開關的基本結(jié)構(gòu)進行合理的尺寸設計，制造出的氣體開關可以滿足各種直流電壓等 級下以脈沖放電形式為主的大功率能源系統(tǒng)的開關快速開通需求，可以實現(xiàn)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(jié)構(gòu)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(huán)氧樹脂套筒的外形圖。
具體實施例方式
下面通過借助實施例更加詳細地說明本發(fā)明，但以下實施例僅是說明性的，本發(fā) 明的保護范圍并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(gòu)成，底座套筒8采用環(huán)氧樹脂材料制作，其作用有兩個其一是支撐上底座5于下 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(cè)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(chǎn)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，絕緣拉桿10和螺母11通過法蘭盤將上底座5、環(huán)氧絕緣套筒8和下 底座6連接且壓緊密封。絕緣拉桿10必須選擇有良好絕緣性能和較好剛性的材料制造，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'固定于上、下底座5、6。電極套筒可以采用不銹鋼等高強度材料制作，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 硬度應大于70，純度應大于95 % 。 上底座5和下底座6底座為軸向?qū)ΨQ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的支座的長度大于下底座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(nèi)，且上、下石墨電極7，7'之間留有間隙。 上底座5和下底座6均用金屬材料制成，可以采用不銹鋼、鋁合金等材質(zhì)。
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(nèi)六角圓柱頭螺釘12、平墊圈14和標準型彈簧墊圈15構(gòu)成。這種連 接方式可以保證開關氣密性。密封墊圈9可以用丁腈橡膠制作，緊固套3可根據(jù)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(diào)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(jié)構(gòu)加工制造。 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(jù)開關實際尺寸
采用標準件。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、絕緣拉桿10、螺
母11等主要零部件及其之間的裝配關系。由于底座套筒8、絕緣拉桿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。 開關裝配完成后在內(nèi)部充絕緣氣體，可以選擇干燥空氣，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，不至于形成固體粘接物導致電極間電場不均勻，不會污染開關和絕
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，有利于提高開關工作的 穩(wěn)定性和延長開關的壽命。由于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。 由于上底座5和下底座6底座為軸向?qū)ΨQ形式，故兩者共同形成一種同軸回流結(jié) 構(gòu)，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(jié)構(gòu)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于電動力造成的機械負荷。從圖l可以看出， 由于上底座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 的導通間隙深置于下底座6外壁構(gòu)成的金屬殼體內(nèi)，同軸結(jié)構(gòu)電弧通道被約束在開關電極 的中間區(qū)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(chǎn)生熾熱的電弧、強烈的紫外線和巨大的電磁沖擊力，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 來制作開關絕緣支撐外殼。常用的絕緣材料有尼龍、環(huán)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(huán)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(fā)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，開關處于斷路狀態(tài)；當外施直流電壓高于氣體開關 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(gòu)成的氣體間隙就會擊穿，開 關處于瞬時導通狀態(tài)。氣體開關直流耐壓水平是一個計量單位為伏特的參數(shù)，它主要和一 對石墨電極7、7'構(gòu)成的氣體間隙的最小距離有關，也和氣體開關內(nèi) 充氣的氣體物理特性，例如氣體類型、氣壓大小、氣體干燥度等有關。指令性觸發(fā)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于氣體開關的直流耐壓 水平，當希望觸發(fā)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沖電壓，可提供此種觸發(fā)電壓的設備或 裝置包括沖擊電壓發(fā)生器(Marx發(fā)生器)、脈沖變壓器、點火線圈等。 以上所述為本發(fā)明的較佳實施例而已，但本發(fā)明不應該局限于該實施例和附圖所 公開的內(nèi)容。所以凡是不脫離本發(fā)明所公開的精神下完成的等效或修改，都落入本發(fā)明保 護的范圍。
權(quán)利要求
一種兩電極氣體火花開關，其特征在于開關外殼由上底座(5)、底座套筒(8)和下底座(6)共同構(gòu)成密封的圓筒狀，下底座(6)的側(cè)面設有兩個氣嘴(2)；上底座(5)和下底座(6)為軸向?qū)ΨQ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)的支座的長度大于下底座(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(nèi)，且上、下石墨電極(7、7’)之間留有間隙；底座套筒(8)采用環(huán)氧樹脂材料制作，上、下石墨電極(7、7’)使用各向同性的石墨，其肖氏硬度大于70，純度大于95％；上底座(5)和下底座(6)均用金屬材料制成。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的兩電極氣體火花開關，其特征在于上、下底座(5、6)上均帶 有法蘭盤，絕緣拉桿(10)和螺母(11)通過法蘭盤將上底座(5)、環(huán)氧絕緣套筒(8)和下底 座(6)連接且壓緊密封。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的兩電極氣體火花開關，其特征在于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(gòu)成。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的兩電極氣體火花開關，其特征在于上石墨電極(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(fā)明公開了一種兩電極氣體火花開關，其結(jié)構(gòu)為開關外殼由上底座、底座套筒和下底座共同構(gòu)成密封的圓筒狀，下底座的側(cè)面設有兩個氣嘴；上底座和下底座為軸向?qū)ΨQ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于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(nèi)，且上、下石墨電極之間留有間隙。底座套筒為環(huán)氧樹脂材料制作，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(wěn)定，通流能力強，壽命長的優(yōu)點，可以實現(xiàn)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(yōu)先權(quán)日2010年3月22日
發(fā)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