一種等離子體噴射開關(guān)裝置的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種等離子體噴射開關(guān)裝置，包括第一主電極、第二主電極、絕緣環(huán)、觸發(fā)針電極和觸發(fā)電路；第一主電極為平面電極或半球形電極；第二主電極為內(nèi)凹的曲面電極；絕緣環(huán)包裹著觸發(fā)針電極，且絕緣環(huán)、觸發(fā)針電極和第二主電極共同形成等離子體噴射腔；等離子體噴射腔的噴嘴口位于第二主電極中間或中心的位置；觸發(fā)針電極為細長的錐面針頭形；觸發(fā)電路采用雙副繞組脈沖變壓器的結(jié)構(gòu)。本發(fā)明中曲面主電極的結(jié)構(gòu)可避免電極中心位置過度燒蝕，防止噴嘴堵塞和中心位置的燒蝕物堆積，提高了噴射等離子體開關(guān)的壽命。本發(fā)明中觸發(fā)電路可確保觸發(fā)電流不會快速衰減，有利于形成更為充沛的等離子體，提高等離子體的噴射高度。
【專利說明】
一種等離子體噴射開關(guān)裝置
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]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(lǐng)域，涉及一種等離子體噴射開關(guān)裝置。
【背景技術(shù)】
[0002]近兩年來，為了解決極低工作系數(shù)下氣體火花開關(guān)的可靠觸發(fā)問題，中國的鐵維昊、劉善紅等人提出了噴射等離子體觸發(fā)技術(shù)。這種氣體火花開關(guān)基于傳統(tǒng)的三電極場畸變氣體開關(guān)結(jié)構(gòu)，在觸發(fā)電極內(nèi)部嵌入一個由電極板、絕緣環(huán)和針電極三部分組成的等離子體噴射腔。通過施加觸發(fā)脈沖引起噴射腔內(nèi)部火花放電，產(chǎn)生大量的帶電粒子。同時，放電產(chǎn)生的熱量加熱噴射腔內(nèi)的氣體以及放電燒蝕絕緣材料產(chǎn)生大量氣體，使得氣壓急劇上升。在觸發(fā)電壓引起的軸向電場和高氣壓的共同作用下，帶電粒子注入主間隙中，形成噴射等離子體，進而誘發(fā)主間隙導(dǎo)通。這種觸發(fā)方式可以縮短間隙的統(tǒng)計時延，而且能夠?qū)崿F(xiàn)開關(guān)在工作系數(shù)〈50%的條件下的可靠觸發(fā)導(dǎo)通。
[0003]但是，這種開關(guān)由于等離子體噴射腔位于主電極中心，主間隙導(dǎo)通時電弧主要集中于主電極中心位置，容易引起通流電弧主要集中燒蝕于電極中心位置。電極中心噴射腔噴嘴附近的電極物質(zhì)在電弧熔融、冷凝后往往形成燒蝕物堆積，造成噴嘴堵塞和主間隙絕緣強度不可恢復(fù)的降低，從而影響電極壽命。此外，觸發(fā)技術(shù)和噴射腔沒有提出優(yōu)化設(shè)計措施，觸發(fā)時等離子體噴射高度有限，在5ns前沿脈沖上升時間、80kV幅值的陡脈沖下，噴射高度只有1.0cm左右。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]針對現(xiàn)有技術(shù)的缺陷，本發(fā)明的目的在于提供一種等離子體噴射開關(guān)裝置，旨在解決現(xiàn)有技術(shù)中的噴射等離子體開關(guān)的技術(shù)性能差的問題。
[0005]本發(fā)明提供了一種等離子體噴射開關(guān)裝置，包括第一主電極、第二主電極、絕緣環(huán)、觸發(fā)針電極和觸發(fā)電路;所述第一主電極為平面電極或半球形電極;所述第二主電極為內(nèi)凹的曲面電極;所述絕緣環(huán)包裹著所述觸發(fā)針電極，且所述絕緣環(huán)、所述觸發(fā)針電極和所述第二主電極共同形成等離子體噴射腔;所述等離子體噴射腔的噴嘴口位于所述第二主電極中間或中心的位置;所述觸發(fā)針電極為細長的錐面針頭形;所述觸發(fā)電路采用雙副繞組變壓器的結(jié)構(gòu)，可保證觸發(fā)電流不至于快速衰減，有利于形成充沛的等離子體，從而提高等離子體的噴射高度。觸發(fā)電路包括變壓器T、開關(guān)K、儲能電容C、二極管D和限流電阻R;所述變壓器T包括原方繞組L0、第一副方繞組LI和第二副方繞組L2，所述原方繞組LO的一端通過所述開關(guān)K與所述儲能電容C的一端連接，所述原方繞組LO的另一端和所述儲能電容C的另一端均接地;所述第一副方繞組LI和所述第二副方繞組L2串聯(lián)連接，所述第一副方繞組LI的非串聯(lián)連接端通過所述限流電阻R與所述觸發(fā)針電極連接;所述第二副方繞組L2的非串聯(lián)連接端接地;所述二極管D的陽極連接至所述第一副方繞組LI與所述第二副方繞組L2的串聯(lián)連接端，所述二極管D的陰極與所述觸發(fā)針電極連接。
[0006]更進一步地，所述等離子體噴射腔的噴嘴出口位于所述第二主電極內(nèi)凹曲面的中心，且內(nèi)凹曲面的輪廓線平滑延伸到所述第二主電極的邊緣。
[0007]更進一步地，在所述觸發(fā)針電極和所述絕緣環(huán)之間，且位于距離噴嘴較遠處，形成有一定間隙，且越接近噴嘴，所述觸發(fā)針電極和所述絕緣環(huán)之間的間隙越大;所述觸發(fā)針電極頭部靠近噴嘴，且與噴嘴保持一定的距離，不直接接觸。
[0008]更進一步地，所述第二主電極的噴嘴開口很小，噴嘴開口夾角為不大于90度的銳角。
[0009]更進一步地，所述觸發(fā)針電極與所述第二主電極之間且沿著絕緣環(huán)內(nèi)壁構(gòu)成的間隙沿面距離L大于5倍的觸發(fā)針電極直徑。
[0010]更進一步地，所述觸發(fā)針電極直徑為2mm?5_。
[0011]更進一步地，針電極與主電極噴嘴之間的最小距離h與L的大小選擇應(yīng)滿足絕緣配合原則，所述絕緣配合的原則為:當觸發(fā)電壓施加的時候，應(yīng)該確保沿面間隙L先發(fā)生沿面電弧燒蝕，而不是h先發(fā)生針電極和主電極之間的直接擊穿。
[0012]本發(fā)明的技術(shù)效果是:
[0013](I)曲面主電極的結(jié)構(gòu)，使得主間隙導(dǎo)通放電時，電弧弧根容易向電極外邊緣運動，避免電極中心位置過度燒蝕，防止噴嘴堵塞和中心位置的燒蝕物堆積，提高了噴射等離子體開關(guān)的壽命。
[0014](2)錐面的針電極，迫使噴射腔內(nèi)等離子在洛倫茲力作用下向噴嘴運動;針電極針尖靠近噴嘴出口，占據(jù)噴嘴出口空間，加強壓縮噴射效果；改進的噴射腔結(jié)構(gòu)，延長了觸發(fā)電弧的沿面燒蝕距離，有利于形成更為充沛的等離子體，提高噴射腔內(nèi)的等離子體壓力，進而提高了等離子體的噴射高度。
[0015](3)提出的觸發(fā)器電路，脈沖變壓器原方儲能電容器，在低壓直流下儲能，然后可控開關(guān)導(dǎo)通，電容與變壓器形成諧振。觸發(fā)器的輸出高壓主要由副方高壓繞組提供，這個觸發(fā)高壓擊穿針電極和主電極之間的絕緣環(huán)沿面后，低壓繞組負責(zé)維持沿面觸發(fā)電流，確保脈沖變壓器原方電容儲存的能量都能釋放到噴射腔內(nèi)。如此，避免了觸發(fā)器直接工作在高電壓下，有利安全;且能確保觸發(fā)電流不至于快速衰減，有利于形成更為充沛的等離子體，提高等離子體的噴射高度。
【附圖說明】
[0016]圖1是本發(fā)明裝置的原理圖，包括等離子體噴射開關(guān)的剖面結(jié)構(gòu)圖和觸發(fā)器電路原理圖。其中，I是不包含等離子體噴射腔的第一主電極，2是包含等離子體噴射腔的第二主電極，3是絕緣環(huán)，4是觸發(fā)針電極，T為變壓器，C是儲能電容器，G代表接地點，LO是原方繞組，LI是副方高壓繞組，L2是副方低壓繞組，R是限流電阻，D是二極管。
[0017]圖2是本發(fā)明噴射腔的細節(jié)結(jié)構(gòu)示意圖。
【具體實施方式】
[0018]為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點更加清楚明白，以下結(jié)合附圖及實施例，對本發(fā)明進行進一步詳細說明。應(yīng)當理解，此處所描述的具體實施例僅僅用以解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。
[0019]本發(fā)明對噴射等離子體開關(guān)技術(shù)提出了改進措施，通過對主電極、噴射腔和觸發(fā)裝置的具體化設(shè)計，可以提高噴射等離子體開關(guān)的技術(shù)性能。本發(fā)明提出的等離子體噴射開關(guān)裝置可以適宜于極低工作系數(shù)下氣體間隙開關(guān)可靠觸發(fā)的應(yīng)用場合。
[0020]本發(fā)明提出，改進包含等離子體噴射腔的第二主電極表面形狀，從平面電極改成曲面電極，即位于電極中心位置的等離子體噴射腔附近，制作成內(nèi)凹的曲面電極形式，等離子體噴射腔的噴嘴出口位于凹面的中心，電極凹面輪廓線平滑延伸到電極邊緣。不包含等離子體噴射腔的第一主電極仍然為平面電極形式。如此，當主間隙被施加工作電壓時，構(gòu)成間隙中間電場弱，越往電極邊緣間隙電場越強的特殊電場分布。
[0021]本發(fā)明提出，為提高等離子體噴射距離，等離子體噴射腔中的針電極，設(shè)計成細長的錐面針頭形式，即針電極和絕緣環(huán)之間，在距離噴嘴較遠處，就形成一定間隙，且由于針頭是細長錐面，則越接近噴嘴，針電極和絕緣環(huán)之間的間隙越大。曲率半徑最小的針電極頭部，靠近噴嘴，但與噴嘴保持一定的距離，不直接接觸。主電極的噴嘴開口很小，噴嘴開口夾角為不大于90度的銳角。
[0022]本發(fā)明提出，為提高等離子體噴射距離，開關(guān)觸發(fā)器采用一種雙繞組脈沖變壓器的方案。該方案的電路結(jié)構(gòu)中，脈沖變壓器的副方繞組，通過增加引出抽頭方式，變成一個副方高壓繞組和一個副方低壓繞組。脈沖變壓器的原方，通過儲能電容器、可控開關(guān)形成低壓諧振電路;副方高壓繞組的一端連接等離子體噴射開關(guān)的針電極，另一端與副方低壓繞組的一端相連，副方高、低壓繞組的連接端連接一個二極管，二極管的另一頭同樣連接針電極。
[0023]在本發(fā)明中，曲面主電極的結(jié)構(gòu)，使得主間隙導(dǎo)通放電時，電弧弧根容易向電極外邊緣運動，避免電極中心位置過度燒蝕，防止噴嘴堵塞和中心位置的燒蝕物堆積，提高了噴射等尚子體開關(guān)的壽命。
[0024]在本發(fā)明中，錐面的針電極，迫使噴射腔內(nèi)等離子在洛倫茲力作用下向噴嘴運動；針電極針尖靠近噴嘴出口，占據(jù)噴嘴出口空間，加強壓縮噴射效果;改進的噴射腔結(jié)構(gòu)，延長了觸發(fā)電弧的沿面燒蝕距離，有利于形成更為充沛的等離子體，提高噴射腔內(nèi)的等離子體壓力，進而提高了等離子體的噴射高度。
[0025]在本發(fā)明中，提出的觸發(fā)器電路，脈沖變壓器原方儲能電容器，在低壓直流下儲能，然后可控開關(guān)導(dǎo)通，電容與變壓器形成諧振。觸發(fā)器的輸出高壓主要由副方高壓繞組提供，這個觸發(fā)高壓擊穿針電極和主電極之間的絕緣環(huán)沿面后，低壓繞組負責(zé)維持沿面觸發(fā)電流，確保脈沖變壓器原方儲能電容儲存的能量都能釋放到噴射腔內(nèi)。如此，避免了觸發(fā)器直接工作在高電壓下，有利安全;且能確保觸發(fā)電流不至于快速衰減，有利于形成更為充沛的等離子體，提高等離子體的噴射高度。
[0026]下面結(jié)合圖對本發(fā)明作進一步說明。
[0027]圖1中，根據(jù)剖面圖所示，不包含等離子體噴射腔的第一主電極I仍然采用傳統(tǒng)的平面電極或半球形電極，加工制造方法也與傳統(tǒng)工藝無差異。包含等離子體噴射腔的第二主電極2則采用內(nèi)凹的曲面電極，噴射腔的噴嘴口位于電極中間或中心的位置，噴嘴口直徑很小。曲面電極在噴嘴口附近為內(nèi)凹面的最低點，越往第二主電極2邊緣越高，這就距離第一主電極I越近。不失一般性，如果主電極直徑較大，趨近電極邊緣也可形成平面電極形式。加工制作過程應(yīng)使用精密數(shù)控機床或類似設(shè)備，確保曲面電極的剖面輪廓線平滑、光滑無任何折點和凸起。本發(fā)明建議，在電極設(shè)計實現(xiàn)時，結(jié)合電場仿真分析技術(shù)，評估第一主電極I和第二主電極2之間的主間隙電力線分布，確保間隙電場強度從電極中心向邊緣漸變且無明顯場強集中點。
[0028]圖1中，根據(jù)剖面圖所示，絕緣環(huán)3包裹著觸發(fā)針電極4，與第二主電極2共同形成一個等離子體噴射腔。絕緣環(huán)3與已經(jīng)公開報道的文獻相同，采用有機材料，例如聚四氟乙烯等制作。觸發(fā)針電極4使用金屬電極制作，本發(fā)明強調(diào)針頭形狀為細長錐形，錐面與絕緣環(huán)3的內(nèi)壁之間，形成一定間隙，且由于針頭是細長錐面，則越接近噴嘴，針電極和絕緣環(huán)之間的間隙就越大。
[0029]為進一步描述噴射腔的設(shè)計，如圖2所示，d是針電極直徑，L是針電極與主電極之間，沿著絕緣環(huán)內(nèi)壁構(gòu)成的間隙沿面距離，h是針電極與主電極噴嘴之間的最小距離。本發(fā)明建議:
[0030](I)為提高噴射等離子體的噴射高度，絕緣材料沿面燒蝕距離不應(yīng)太短，選擇L>5d，即沿面距離應(yīng)大于5倍的針電極直徑。同時，為提高噴射等離子體的噴射高度，噴射腔體積也不能太大，建議針電極直徑取為2mm?5mm為宜。
[0031](2)等離子體的噴射高度主要取決于沿面燒蝕絕緣材料所產(chǎn)生的氣體量，故需保證噴射腔內(nèi)首先發(fā)生沿面放電。針電極與主電極噴嘴之間的最小距離h應(yīng)比較小，但h和L的大小選擇應(yīng)注意絕緣配合，絕緣配合的原則是，當觸發(fā)電壓施加的時候，應(yīng)該確保沿面間隙L先發(fā)生沿面電弧燒蝕，而不是h先發(fā)生針電極和主電極之間的直接擊穿。
[0032]在圖1中的觸發(fā)器原理電路，儲能電容C先充至預(yù)充電壓U0，開關(guān)K閉合，儲能電容C和變壓器原方繞組LO發(fā)生諧振，在副方繞組LI和L2上會分別感應(yīng)出一個高電壓Ul和一個低電壓U2，觸發(fā)器的輸出電壓實為兩個繞組輸出電壓的疊加。UO和Ul以及UO和U2的關(guān)系與脈沖變壓器原方、副方繞組的變比有關(guān)，且UO和Ul的比值大于UO和U2的比值，也即提供大電流輸出的原方繞組LO與副方繞組L2變比應(yīng)比提供觸發(fā)高壓的原方繞組LO與副方繞組LI變比小。二極管D的存在是防止LI高壓短路。
[0033]觸發(fā)輸出電壓作用于等離子體噴射腔的沿面并發(fā)生閃絡(luò)電弧后，相當于儲能電容器C的能量通過LI和L2對沿面間隙放電，由于變壓器的繞組電流和變比成反比，所以低壓繞組能夠提供更大的放電電流;同時由于限流電阻R存在，根據(jù)歐姆定律，電容器C的能量主要由阻抗較小的低壓繞組回路向噴射腔釋放，有利于噴射腔中形成更為充沛的等離子體。觸發(fā)器的輸出電流實為兩個繞組輸出電流的疊加。
[0034]與鐵維昊、劉善紅等人提出了噴射等離子體開關(guān)相比較，本發(fā)明所提出的等離子體噴射開關(guān)裝置，能夠?qū)⒌入x子體的噴射高度提高I?2倍。
[0035]本領(lǐng)域的技術(shù)人員容易理解，以上所述僅為本發(fā)明的較佳實施例而已，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)所作的任何修改、等同替換和改進等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。
【主權(quán)項】
1.一種等離子體噴射開關(guān)裝置，其特征在于，包括第一主電極(I)、第二主電極(2)、絕緣環(huán)(3)、觸發(fā)針電極(4)和觸發(fā)電路； 所述第一主電極(I)為平面電極或半球形電極； 所述第二主電極(2)為內(nèi)凹的曲面電極； 所述絕緣環(huán)(3)包裹著所述觸發(fā)針電極(4)，且所述絕緣環(huán)(3)、所述觸發(fā)針電極(4)和所述第二主電極(2)共同形成等離子體噴射腔； 所述等離子體噴射腔的噴嘴口位于所述第二主電極(2)中間或中心的位置;所述觸發(fā)針電極(4)為細長的錐面針頭形； 所述觸發(fā)電路包括變壓器T、開關(guān)K、儲能電容C、二極管D和限流電阻R;所述變壓器T包括原方繞組LO、第一副方繞組LI和第二副方繞組L2;所述原方繞組LO的一端通過所述開關(guān)K與所述儲能電容C的一端連接，所述原方繞組LO的另一端和所述儲能電容C的另一端均直接接地;所述第一副方繞組LI和所述第二副方繞組L2串聯(lián)連接，所述第一副方繞組LI的非串聯(lián)連接端通過所述限流電阻R與所述觸發(fā)針電極(4)連接;所述第二副方繞組L2的非串聯(lián)連接端接地;所述二極管D的陽極連接至所述第一副方繞組LI與所述第二副方繞組L2的串聯(lián)連接端，所述二極管D的陰極與所述觸發(fā)針電極(4)連接。2.如權(quán)利要求1所述的等離子體噴射開關(guān)裝置，其特征在于，所述等離子體噴射腔的噴嘴出口位于所述第二主電極(2)內(nèi)凹曲面的中心，且內(nèi)凹曲面的輪廓線平滑延伸到所述第二主電極的邊緣。3.如權(quán)利要求1或2所述的等離子體噴射開關(guān)裝置，其特征在于，在所述觸發(fā)針電極(4)和所述絕緣環(huán)(3)之間，且位于距離噴嘴較遠處，形成有一定間隙，且越接近噴嘴，所述觸發(fā)針電極(4)和所述絕緣環(huán)(3)之間的間隙越大;所述觸發(fā)針電極(4)頭部靠近噴嘴，且與噴嘴保持一定的距離，不直接接觸。4.如權(quán)利要求1-3任一項所述的等離子體噴射開關(guān)裝置，其特征在于，所述第二主電極(2)的噴嘴開口很小，噴嘴開口夾角為不大于90度的銳角。5.如權(quán)利要求1-4任一項所述的等離子體噴射開關(guān)裝置，其特征在于，所述觸發(fā)針電極(4)與所述第二主電極(2)之間且沿著絕緣環(huán)內(nèi)壁構(gòu)成的間隙沿面距離L大于5倍的觸發(fā)針電極(4)直徑。6.如權(quán)利要求1-5任一項所述的等離子體噴射開關(guān)裝置，其特征在于，所述針電極直徑為2mm ?5mm ο7.如權(quán)利要求1-6任一項所述的等離子體噴射開關(guān)裝置，其特征在于，針電極與主電極噴嘴之間的最小距離h與L的大小選擇應(yīng)滿足絕緣配合原則，所述絕緣配合的原則為:當觸發(fā)電壓施加的時候，應(yīng)該確保沿面間隙L先發(fā)生沿面電弧燒蝕，而不是h先發(fā)生針電極和主電極之間的直接擊穿。
【文檔編號】H05H1/26GK105873347SQ201610312382
【公開日】2016年8月17日
【申請日】2016年5月12日
【發(fā)明人】李黎, 程勇, 彭明洋, 潘垣
【申請人】華中科技大學(xué)