一種場(chǎng)畸變型油介質(zhì)觸發(fā)開(kāi)關(guān)的制作方法
【專(zhuān)利摘要】本發(fā)明一種場(chǎng)畸變油介質(zhì)觸發(fā)開(kāi)關(guān)，包括密封的非金屬外殼、設(shè)置在非金屬外殼內(nèi)的高壓電極、低壓電極、觸發(fā)電極和外部觸發(fā)開(kāi)關(guān)；非金屬外殼內(nèi)充滿(mǎn)變壓器油；高壓電極設(shè)置在非金屬外殼底部?jī)?nèi)側(cè)，呈圓環(huán)狀；低壓電極設(shè)置在非金屬外殼頂部?jī)?nèi)側(cè)，呈圓環(huán)狀；觸發(fā)電極包括觸發(fā)電極桿和觸發(fā)圓盤(pán)，觸發(fā)圓盤(pán)設(shè)置在高壓電極和低壓電極之間，觸發(fā)電極桿的一端與觸發(fā)圓盤(pán)固連，其另一端伸出非金屬外殼頂部與外部觸發(fā)開(kāi)關(guān)電連接；外殼、高壓電極、低壓電極、觸發(fā)電極桿和觸發(fā)圓盤(pán)同軸心設(shè)置。本發(fā)明通過(guò)引入觸發(fā)電極結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了工作間隙電場(chǎng)畸變、導(dǎo)通時(shí)刻控制和放電多通道的形成，提高了開(kāi)關(guān)工作電壓范圍、降低了電極燒蝕程度，適用于百納秒至數(shù)微妙兆伏級(jí)電壓脈沖的導(dǎo)通。
【專(zhuān)利說(shuō)明】一種場(chǎng)畸變型油介質(zhì)觸發(fā)開(kāi)關(guān)
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種能夠?qū)崿F(xiàn)高功率脈沖能量導(dǎo)通與傳輸?shù)挠徒橘|(zhì)短路開(kāi)關(guān)，應(yīng)用于脈沖功率裝置中各儲(chǔ)能部件之間的能量轉(zhuǎn)移與脈沖整形。
【背景技術(shù)】
[0002]在脈沖功率裝置研制中，油介質(zhì)開(kāi)關(guān)(變壓器油)同氣體介質(zhì)開(kāi)關(guān)、水介質(zhì)開(kāi)關(guān)等一并承擔(dān)著高功率脈沖電壓短路導(dǎo)通的功能。但相對(duì)于水介質(zhì)開(kāi)關(guān)而言，油介質(zhì)開(kāi)關(guān)擊穿場(chǎng)強(qiáng)更高，同時(shí)在開(kāi)關(guān)能量損耗、電阻項(xiàng)時(shí)間等特性方面又接近于氣體介質(zhì)開(kāi)關(guān)，因此在國(guó)際各類(lèi)大型脈沖功率裝置中(如Saturn、Z、ZR等)得到了廣泛的應(yīng)用。
[0003]目前，國(guó)內(nèi)外已研制成功的油介質(zhì)開(kāi)關(guān)按其使用功能主要分為兩類(lèi)，一類(lèi)用于中儲(chǔ)電容器中儲(chǔ)能的釋放(即主開(kāi)關(guān)之用)；另一類(lèi)用于輸出功率脈沖的陡化(即鋒化開(kāi)關(guān)之用)。但無(wú)論為何種功用，其開(kāi)關(guān)工作機(jī)制都是利用油間隙在不同作用電壓下的自擊穿特性實(shí)現(xiàn)功率脈沖的導(dǎo)通，例如:在張北鎮(zhèn)、胡克松、譚杰等人的《1MV低阻抗加速器主開(kāi)關(guān)優(yōu)化設(shè)計(jì)》(強(qiáng)激光與粒子束2010年第22卷第6期)中，給出了一種半球型電極結(jié)構(gòu)的油介質(zhì)開(kāi)關(guān)，通過(guò)調(diào)整高、低壓電極間隙距離實(shí)現(xiàn)lMV、150ns (FWHM)的開(kāi)關(guān)工作電壓。該類(lèi)開(kāi)關(guān)在實(shí)際使用中尚還存在以下三方面的不足:第一，由于開(kāi)關(guān)利用油間隙自擊穿特性實(shí)現(xiàn)脈沖的導(dǎo)通，因此開(kāi)關(guān)導(dǎo)通時(shí)刻不具有可控性，且隨著工作電壓脈寬的增大，其開(kāi)關(guān)擊穿時(shí)刻的分散性也越大，在具有較高開(kāi)關(guān)同步性要求的脈沖功率裝置研制中其應(yīng)用受到了較大的限制；第二，開(kāi)關(guān)的工作電壓主要依靠調(diào)整高、低壓電極間隙距離實(shí)現(xiàn)，因此在開(kāi)關(guān)結(jié)構(gòu)確定的條件下，開(kāi)關(guān)工作電壓范圍調(diào)整余量較??；第三，為提高開(kāi)關(guān)自擊穿工作電壓的穩(wěn)定性，開(kāi)關(guān)電極結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)通常呈現(xiàn)局部場(chǎng)增強(qiáng)特點(diǎn)，使開(kāi)關(guān)放電形成單一的、位置相對(duì)固定的放電通道，如此容易造成開(kāi)關(guān)電極的嚴(yán)重?zé)g，影響開(kāi)關(guān)的使用壽命。如上文中所述球電極開(kāi)關(guān)，其電極由兩個(gè)半徑分別為250mm和50mm的金屬半球構(gòu)成,且間隙距離為20mm,因此在正對(duì)球-球頂部形成了較強(qiáng)的場(chǎng)增強(qiáng)，使得放電較穩(wěn)定地產(chǎn)生于兩球頂端，進(jìn)而在開(kāi)關(guān)工作約百發(fā)次時(shí)，由于電極燒蝕問(wèn)題而不得不更換電極。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]為了克服現(xiàn)有自擊穿油介質(zhì)開(kāi)關(guān)在開(kāi)關(guān)導(dǎo)通時(shí)刻不可控、工作電壓調(diào)整范圍小和電極燒蝕嚴(yán)重方面的問(wèn)題，本發(fā)明提供了一種場(chǎng)畸變型油介質(zhì)觸發(fā)開(kāi)關(guān)。該開(kāi)關(guān)主電極采用環(huán)形均勻場(chǎng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，通過(guò)引入觸發(fā)電極結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了工作間隙電場(chǎng)畸變、導(dǎo)通時(shí)刻控制和放電多通道的形成，提高了開(kāi)關(guān)工作電壓范圍、降低了電極燒蝕程度，適用于百納秒至數(shù)微妙兆伏級(jí)電壓脈沖的導(dǎo)通。
[0005]本發(fā)明的技術(shù)解決方案是:
[0006]—種場(chǎng)畸變油介質(zhì)觸發(fā)開(kāi)關(guān)，包括密封的非金屬外殼、設(shè)置在非金屬外殼內(nèi)的高壓電極2、低壓電極7，其特殊之處在于:還包括觸發(fā)電極和外部觸發(fā)開(kāi)關(guān)；所述非金屬外殼內(nèi)充滿(mǎn)變壓器油；所述高壓電極2設(shè)置在非金屬外殼底部?jī)?nèi)側(cè)，呈圓環(huán)狀；所述低壓電極7設(shè)置在非金屬外殼頂部?jī)?nèi)側(cè)，呈圓環(huán)狀；所述觸發(fā)電極包括觸發(fā)電極桿5和觸發(fā)圓盤(pán)6，所述觸發(fā)圓盤(pán)設(shè)置在高壓電極2和低壓電極7之間，所述觸發(fā)電極桿的一端與觸發(fā)圓盤(pán)6固連，其另一端伸出非金屬外殼頂部與外部觸發(fā)開(kāi)關(guān)電連接；所述外殼1、高壓電極2、低壓電極7、觸發(fā)電極桿5和觸發(fā)圓盤(pán)同軸心設(shè)置。
[0007]上述觸發(fā)圓盤(pán)6與高壓電極2和低壓電極7之間的距離比為4:1至2:1。
[0008]上述觸發(fā)圓盤(pán)6與高壓電極2和低壓電極7之間的最佳距離比為3:1。
[0009]上述高壓電極2和低壓電極7的圓環(huán)尺寸相一致；所述觸發(fā)圓盤(pán)邊緣位于高壓電極2圓環(huán)的中線附近位置。
[0010]上述觸發(fā)圓盤(pán)6的邊緣倒角處理。
[0011]上述低壓電極接地；所述高壓電極通過(guò)高壓絕緣拉桿與外殼固連；所述觸發(fā)電極桿5和低壓電極7之間設(shè)置有絕緣隔離套筒。
[0012]上述外部觸發(fā)開(kāi)關(guān)為氣體觸發(fā)開(kāi)關(guān)；所述高壓電極2和低壓電極7采用lCrl8Ni9Ti不銹鋼材料，所述觸發(fā)電極桿5和觸發(fā)圓盤(pán)采用鎢鋼合金；所述外殼I為有機(jī)玻璃。
[0013]本發(fā)明優(yōu)點(diǎn):
[0014]1、本發(fā)明的場(chǎng)畸變油介質(zhì)觸發(fā)開(kāi)關(guān)，由于引入觸發(fā)電極，使得開(kāi)關(guān)導(dǎo)通時(shí)刻可由觸發(fā)電壓信號(hào)控制；開(kāi)關(guān)主間隙可工作于一定欠壓比狀態(tài)，使得開(kāi)關(guān)在保持間隙距離不變的條件下，可以實(shí)現(xiàn)一定范圍內(nèi)的工作電壓調(diào)整。
[0015]2、本發(fā)明的場(chǎng)畸變油介質(zhì)觸發(fā)開(kāi)關(guān)，由于采用圓環(huán)狀主電極結(jié)構(gòu)且邊緣經(jīng)倒角優(yōu)化處理，使得電極表面在工作電壓下形成較大面積的均勻電場(chǎng)區(qū)域(沿圓環(huán)中心沿線一帶)，進(jìn)而增大了開(kāi)關(guān)工作中放電點(diǎn)位置的面積，減小了電極燒蝕問(wèn)題；同時(shí)經(jīng)邊緣倒角的圓盤(pán)形觸發(fā)電極的引入，使得開(kāi)關(guān)主間隙在觸發(fā)電壓的作用下產(chǎn)生較強(qiáng)的場(chǎng)畸變，增加了開(kāi)關(guān)多通道形成的機(jī)率，有利于降低開(kāi)關(guān)電極燒蝕程度。
【專(zhuān)利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0016]圖1是本發(fā)明的縱剖面結(jié)構(gòu)圖；
[0017]其中:1_有機(jī)玻璃外殼；2_高壓電極；3_高壓絕緣支柱；4_高壓絕緣拉桿；5-觸發(fā)電極桿；6_觸發(fā)圓盤(pán)；7_低壓電極；8_絕緣隔離套筒；9_變壓器油；10_安裝座；11_齒狀波紋；12_排氣孔；13_前級(jí)氣體觸發(fā)開(kāi)關(guān)單元。
【具體實(shí)施方式】
[0018]圖1是本發(fā)明的縱剖面結(jié)構(gòu)圖。圖1中，本發(fā)明的場(chǎng)畸變油介質(zhì)觸發(fā)開(kāi)關(guān)整體呈圓柱狀結(jié)構(gòu)；外殼I為有機(jī)玻璃圓筒形結(jié)構(gòu)，分上下兩部分，通過(guò)尼龍螺栓連接；外殼外側(cè)經(jīng)拋光處理，內(nèi)側(cè)設(shè)計(jì)有高8mm、齒距mm、齒頂?shù)菇荝l.6mm和齒底倒角R2.9mm的齒狀波紋，以改善絕緣沿面閃絡(luò)特性；外殼I內(nèi)部自下而上安裝有高壓電極2、觸發(fā)電極桿5和低壓電極? ;高壓電極2呈圓環(huán)狀結(jié)構(gòu),外徑約178mm、內(nèi)徑約60mm、中心厚約15mm,內(nèi)側(cè)倒角為RIOmm，外側(cè)倒角為R15mm ;高壓電極2通過(guò)高壓絕緣支柱3同外殼I之間相互隔離和定位；高壓絕緣拉桿3 —端同高壓電極2壓接，另一端穿過(guò)高壓絕緣支柱3中心利用螺母固定至外殼I ;高壓電極、高壓絕緣支柱、外殼三者同樣呈同軸心設(shè)置；低壓電極7 —端同高壓電極2正對(duì)，同高壓電極正對(duì)形成較大面積的環(huán)形均勻電場(chǎng)區(qū)域，呈圓環(huán)狀結(jié)構(gòu)，外徑約140mm、內(nèi)徑約60mm、中心厚約18mm,邊緣倒角為R8mm;低壓電極7另一端為圓盤(pán)狀結(jié)構(gòu)(即觸發(fā)圓盤(pán))，同絕緣外殼I上部通過(guò)尼龍螺釘連接，同時(shí)通過(guò)金屬螺釘電連接至安裝座(地電位)上，即在實(shí)際使用中需同地電位相接；觸發(fā)電極桿5 —端為觸發(fā)圓盤(pán)6，觸發(fā)圓盤(pán)6直徑為100_，邊緣倒角為R2_ ;觸發(fā)電極桿5另一端為一連接桿，穿過(guò)絕緣隔離套筒8后同前級(jí)氣體觸發(fā)開(kāi)關(guān)單元13電極相連接；絕緣隔離套筒位于觸發(fā)電極與低壓電極之間，一端延伸至低壓電極環(huán)狀結(jié)構(gòu)附近，另一端延伸至前級(jí)氣體觸發(fā)開(kāi)關(guān)單元絕緣外殼，用于觸發(fā)電極與低壓電極之間的電氣隔離；絕緣隔離套筒8位于觸發(fā)電極桿5和低壓電極7之間，三者位于同一軸心并相互嵌套定位；絕緣隔離套筒8內(nèi)側(cè)同外殼I 一樣設(shè)置有齒狀波紋，以增強(qiáng)沿面閃絡(luò)場(chǎng)強(qiáng)；整個(gè)開(kāi)關(guān)均置于變壓器油9環(huán)境中，開(kāi)關(guān)內(nèi)側(cè)上端同油面相接的部位以及低壓電極7上端根部均設(shè)置有排氣孔12，以排除開(kāi)關(guān)安裝和工作過(guò)程中的殘留氣泡，確保開(kāi)關(guān)工作的一致性。高壓電極、高壓絕緣支柱、高壓絕緣拉桿、觸發(fā)電極、絕緣隔離套筒、低壓電極和外殼均為同軸心設(shè)置。
[0019]高壓電極2、低壓電極7呈圓環(huán)狀結(jié)構(gòu)，觸發(fā)電極桿5有效觸發(fā)部分呈圓盤(pán)狀結(jié)構(gòu)，三者為同軸心設(shè)置，呈高度的軸對(duì)稱(chēng)分布。
[0020]高壓電極2、低壓電極7和觸發(fā)圓盤(pán)6平面保持高度平行，電極表面經(jīng)拋光處理，以獲取較大面積均勻電場(chǎng)；觸發(fā)圓盤(pán)6位于高、低壓間隙距離的4:1至2:1之間，其中3:1位置處最佳，圓盤(pán)邊緣延伸至高、低壓電極圓環(huán)中線附近位置，邊緣經(jīng)倒角處理，使其不影響主間隙電場(chǎng)分布的條件下具備較強(qiáng)的電場(chǎng)畸變能力。
[0021]本發(fā)明中高壓電極2、低壓電極7和觸發(fā)電極桿5尺寸及材料組合并不唯一；尺寸大小的選擇主要以實(shí)現(xiàn)高、低壓間隙在工作電壓下形成較大面積的均勻電場(chǎng)區(qū)域，而觸發(fā)電壓作用下形成較強(qiáng)的場(chǎng)畸變區(qū)域?yàn)槟康?，本?shí)施例中的尺寸選擇詳見(jiàn)上文；材料選擇則以增強(qiáng)電極的耐燒蝕特性為目的，本實(shí)施例中，高壓電極2和低壓電極7采用ICrlSNiOTi不銹鋼材料，觸發(fā)電極桿5采用鎢鋼合金。
【權(quán)利要求】
1.一種場(chǎng)畸變油介質(zhì)觸發(fā)開(kāi)關(guān)，包括密封的非金屬外殼、設(shè)置在非金屬外殼內(nèi)的高壓電極(2)、低壓電極(7)， 其特征在于: 還包括觸發(fā)電極和外部觸發(fā)開(kāi)關(guān)； 所述非金屬外殼內(nèi)充滿(mǎn)變壓器油； 所述高壓電極(2)設(shè)置在非金屬外殼底部?jī)?nèi)側(cè)，呈圓環(huán)狀； 所述低壓電極(7)設(shè)置在非金屬外殼頂部?jī)?nèi)側(cè)，呈圓環(huán)狀； 所述觸發(fā)電極包括觸發(fā)電極桿(5)和觸發(fā)圓盤(pán)(6)，所述觸發(fā)圓盤(pán)設(shè)置在高壓電極(2)和低壓電極(7)之間，所述觸發(fā)電極桿的一端與觸發(fā)圓盤(pán)(6)固連，其另一端伸出非金屬外殼頂部與外部觸發(fā)開(kāi)關(guān)電連接； 所述外殼(I)、高壓電極(2)、低壓電極(7)、觸發(fā)電極桿(5)和觸發(fā)圓盤(pán)同軸心設(shè)置。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的場(chǎng)畸變油介質(zhì)觸發(fā)開(kāi)關(guān)，其特征在于: 所述觸發(fā)圓盤(pán)(6)與高壓電極(2)和低壓電極(7)之間的距離比為4:1至2:1。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的場(chǎng)畸變油介質(zhì)觸發(fā)開(kāi)關(guān)，其特征在于: 所述觸發(fā)圓盤(pán)(6)與高壓電極(2)和低壓電極(7)之間的距離比為3:1。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或2或3所述的場(chǎng)畸變油介質(zhì)觸發(fā)開(kāi)關(guān)，其特征在于: 所述高壓電極(2)和低壓電極(7)的圓環(huán)尺寸相一致；所述觸發(fā)圓盤(pán)邊緣位于高壓電極(2)圓環(huán)的中線附近位置。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的場(chǎng)畸變油介質(zhì)觸發(fā)開(kāi)關(guān)，其特征在于: 所述觸發(fā)圓盤(pán)(6)的邊緣倒角處理。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的場(chǎng)畸變油介質(zhì)觸發(fā)開(kāi)關(guān)，其特征在于: 所述低壓電極接地；所述高壓電極通過(guò)高壓絕緣拉桿與外殼固連；所述觸發(fā)電極桿(5)和低壓電極(7)之間設(shè)置有絕緣隔離套筒。
7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的場(chǎng)畸變油介質(zhì)觸發(fā)開(kāi)關(guān)，其特征在于: 所述外部觸發(fā)開(kāi)關(guān)為氣體觸發(fā)開(kāi)關(guān)；所述高壓電極(2)和低壓電極(7)采用lCrl8Ni9Ti不銹鋼材料，所述觸發(fā)電極桿(5和觸發(fā)圓盤(pán)采用鎢鋼合金；所述外殼(I)為有機(jī)玻璃。
【文檔編號(hào)】H01T1/22GK103682983SQ201310638106
【公開(kāi)日】2014年3月26日 申請(qǐng)日期:2013年11月29日 優(yōu)先權(quán)日:2013年11月29日
【發(fā)明者】呼義翔, 曾江濤, 孫鳳舉, 尹佳輝, 叢培天 申請(qǐng)人:西北核技術(shù)研究所