堆栈式多间隙气体开关

摘要

本发明涉及堆栈式多间隙气体开关，包括圆柱形外绝缘筒、固定在外绝缘筒上端的圆盘形上盖板、固定在外绝缘筒下端的圆盘形下盖板、至少三个圆环电极、设置在外绝缘筒中平面的触发连接件和气嘴，上盖板和外绝缘筒之间以及下盖板和外绝缘筒之间密封，气体开关还包括放置在外绝缘筒内且与圆环电极数量一致的多个圆环形绝缘垫块，绝缘垫块的外侧开有多个均布的气孔；上盖板的下表面设置有环形槽，环形槽内设置有可与最上层堆栈组件的电极接触的弹性金属环。本发明解决了现有多间隙气体放电开关安装精度差、安装过程繁琐的技术问题，具有开关结构简单、安装操作过程简便、装配精度高的优点。

权利要求

1.一种堆栈式多间隙气体开关，包括圆柱形外绝缘筒(2)、固定在外绝缘筒上端的圆盘形上盖板(6)、固定在外绝缘筒下端的圆盘形下盖板(1)、至少三个圆环电极(4)、设置在外绝缘筒中平面的触发连接件(7)和气嘴(8)，所述上盖板和外绝缘筒之间以及下盖板和外绝缘筒之间密封，其特征在于：所述气体开关还包括放置在外绝缘筒（2）内且与圆环电极（4）数量一致的多个圆环形绝缘垫块（3），绝缘垫块的外侧开有多个均布的气孔（10）；所述每个电极嵌套在一个绝缘垫块的上端面后构成一个堆栈组件，所述多个堆栈组件同轴叠放在外绝缘筒内构成绝缘堆栈；所述上盖板的下表面设置有环形槽（11），所述环形槽内设置有可与最上层堆栈组件的电极接触的弹性金属环（5）。

2.根据权利要求1所述的堆栈式多间隙气体开关，其特征在于：所述外绝缘筒（2）的内表面和外表面以及绝缘堆栈的内表面和外表面均为波纹面。

3.根据权利要求1或2所述的堆栈式多间隙气体开关，其特征在于：所述上盖板和外绝缘筒之间以及下盖板和外绝缘筒之间均设置有橡胶密封环（9）。

4.根据权利要求3所述的堆栈式多间隙气体开关，其特征在于：所述圆环电极（4）的数量为六个。

5.根据权利要求4所述的堆栈式多间隙气体开关，其特征在于：所述弹性金属环（5）为锥形弹性金属环。

说明书

堆栈式多间隙气体开关

技术领域

[0001] 本发明涉及一种放电开关，特别是涉及一种用于快前沿直线脉冲变压器的多间隙气体放电开关。

背景技术

[0002] 快前沿直线脉冲变压器驱动源(Fast Linear Transformer Driver，FLTD)是新型高功率Z箍缩驱动源的一个重要发展方向，也是高功率脉冲技术领域的新课题。制约快前沿直线脉冲变压器驱动源发展的关键性技术难题之一是放电开关。近10年来，模块化快前沿直线脉冲变压器驱动源技术取得突破性进展，在闪光照相和Z箍缩技术等领域显示出广泛的应用潜力。基于快前沿直线脉冲变压器驱动源的大型脉冲功率源往往要求数万只乃至数十万只放电开关同步工作。放电开关的性能将直接影响快前沿直线脉冲变压器驱动源输出电流的前沿和幅值，同时对整个系统的稳定性和可靠性也有较大影响。因此，研制适合大规模应用的放电开关，对于促进快前沿直线脉冲变压器驱动源的广泛应用具有重要意义。

[0003] 作为快前沿直线脉冲变压器驱动源技术的关键组成部分，国内外相关研究单位均投入大量人力物力开展放电开关的研制和研究工作。国外具有代表性的单位是俄罗斯大电流所(HCEI)和美国圣地亚实验室(SNL)。快前沿直线脉冲变压器驱动源技术首先由俄罗斯大电流所提出，在该项研究方面一直处于领先地位，特别是在放电开关研究中，研制成功了多种结构的多间隙放电开关。所设计的多间隙开关为同轴型结构，主要由5个圆环电极，一个有机玻璃绝缘筒和上、下两个盖板构成，上、下两个盖板同时作为两个电极。上、下两个盖板通过螺纹与绝缘筒紧密连接，圆环电极均匀固定在有机玻璃绝缘筒内侧。上、下两个盖板和环状电极构成6个放电间隙。触发电极从有机玻璃绝缘筒中部引入，连接到中间的圆环电极上。为了提高开关可靠性和击穿特性，对该类开关的绝缘结构、触发结构、触发方式等进行了大量研究，并实际应用于快前沿直线脉冲变压器驱动源模块中。美国圣地亚实验室也开展了放电开关研究工作，初步研制了一种三电极的气体放电开关。目前SNL正在对其进行深入研究，以期获得电感更低、结构更简单的快前沿直线脉冲变压器驱动源放电开关。

[0004] 国外这几种多间隙放电开关在结构设计方面存在一定缺陷，主要集中在电极固定方式和盖板与电极连接方式两个方面：

[0005] 1.电极的固定方式都是利用开关外绝缘筒，将开关电极固定在外绝缘筒上并实现各个电极之间的平行度、同轴度和间隙距离的精度。这种电极固定方式对开关整体的加工精度提出了很高要求，特别是上、下盖板和外绝缘筒，如果它们的加工精度设置不合理，电极之间的平行度、同轴度和间隙距离的精度将很难达到设计要求；

[0006] 2.上、下盖板通过螺纹与绝缘筒紧密连接，密封圈固定在二者之间，安装过程中的不确定因素影响很大，如果安装时的力度不一，那么上、下两个间隙的距离和平行度将受到影响。特别是在开关数量巨大时，这种人为因素的影响很明显；

[0007] 3.开关整体结构复杂，安装过程繁琐，容易引入人为误差，难以规模化生产和应用。

[0008] 总之，这种电极固定方式对加工精度提出了极高要求，同时开关电极的安装过程也很复杂，稍有不慎，人为因素可能会对电极之间的平行度、同轴度和间隙距离的精度产生较大影响，进而影响整个开关的工作性能。对于单个开关，这种影响可能并不明显，但是对于成千上万只开关，这种影响就是显而易见的，甚至是致命的。

[0009] 国内在此类放电开关研究方面还处于起步阶段，基本都是沿用了国外的模式，没有明显突破，结构设计方面存在的缺陷没有很好解决。

发明内容

[0010] 本发明提出了一种开关结构简单、安装操作过程简便、装配精度高的堆栈式多间隙气体开关，解决了现有多间隙气体放电开关安装精度差、安装过程繁琐的技术问题。

[0011] 本发明的技术解决方案是：

[0012] 一种堆栈式多间隙气体开关，包括圆柱形外绝缘筒2、固定在外绝缘筒上端的圆盘形上盖板6、固定在外绝缘筒下端的圆盘形下盖板1、至少三个圆环电极4、设置在外绝缘筒中平面的触发连接件7和气嘴8，所述上盖板和外绝缘筒之间以及下盖板和外绝缘筒之间密封，其特殊之处在于：所述气体开关还包括放置在外绝缘筒2内且与圆环电极4数量一致的多个圆环形绝缘垫块3，绝缘垫块的外侧开有多个均布的气孔10；所述每个电极嵌套在一个绝缘垫块的上端面后构成一个堆栈组件，所述多个堆栈组件同轴叠放在外绝缘筒内构成绝缘堆栈；所述上盖板的下表面设置有环形槽11，所述环形槽内设置有可与最上层堆栈组件的电极接触的弹性金属环5。

[0013] 上述外绝缘筒2的内表面和外表面以及绝缘堆栈的内表面和外表面均为波纹面。

[0014] 上述上盖板和外绝缘筒之间以及下盖板和外绝缘筒之间均设置有橡胶密封环9。

[0015] 上述圆环电极4的数量为六个。

[0016] 上述弹性金属环5为锥形弹性金属环。

[0017] 本发明的优点是：

[0018] 1、本发明设计了专门用来支撑开关电极的绝缘垫块，开关电极的外沿嵌套在绝缘垫块内，二者紧密配合。从而将开关电极与外绝缘筒分离，开关电极不再依靠外绝缘筒固定。开关电极和绝缘垫块从开关底部开始逐一交替安装、层层嵌套组合，在外绝缘筒内部形成堆栈式构型。间隙距离由开关电极、绝缘垫块以及二者的嵌套深度决定，电极之间的平行度由开关电极和绝缘垫块的平行度决定，电极之间的同轴度由开关电极和绝缘垫块的嵌套配合决定。开关安装过程简单易行，单只开关装配时间缩短，各个电极之间的平行度、同轴度和间隙距离的精度完全由开关电极和绝缘垫块的加工精度保证，消除了人为因素的影响。

[0019] 2、本发明设计的盖板与电极连接方式，将上电极与上盖板分离，上电极嵌套在绝缘垫块内，与其它电极共同形成六个放电间隙。上盖板与电极之间留有缝隙，理想情况下，这个缝隙的距离是均匀的，但是如果上、下盖板和外绝缘筒在加工或装配过程中存在误差，则缝隙的距离将不均匀。设计的盖板与电极通过一个弹性金属环连接，由于弹性金属环具有一定压缩量，可以通过自身形变抵消误差的影响，有效降低了上、下盖板和外绝缘筒的加工精度要求，有利于消除安装过程中人为因素的不利影响。

[0020] 3、本发明开关经检测：开关充0.15MPa(相对气压)干燥空气时，最高耐压可以达到200kV，内部绝缘部件未发生沿面闪络、击穿放电等异常现象。开关工作电压150kV、欠压比78.5％、触发电压70kV时，开关的触发延迟时间34.5ns，抖动小于2.0ns。开关经过5000余次放电，击穿点分布均匀，静态放电稳定性良好，可以形成多通道放电，证明电极之间的平行度、同轴度和间隙距离的精度能够满足要求。实验结果表明，开关结构简单，安装操作方便，易于维护，装配精度大大提高，所设计的堆栈式结构可以保证电极之间的平行度、同轴度和间隙距离的精度，消除了人为因素的影响，开关静态放电特性和触发特性实验结果均达到使用要求。

[0021] 4、本发明外绝缘筒的内表面和外表面以及绝缘堆栈的内表面和外表面均为波纹面，提高了绝缘堆栈的绝缘强度。

附图说明

[0022] 图1为本发明结构示意图；

[0023] 图2为本发明绝缘垫块的结构示意图；

[0024] 图3为锥形弹性金属环的结构示意图；

[0025] 其中：1-下盖板，2-外绝缘筒，3-绝缘垫块，4-电极，5-弹性金属环，6-上盖板，7-触发连接件，8-气嘴，9-橡胶密封环，10-气孔，11-环形槽。

具体实施方式

[0026] 本发明堆栈式多间隙气体开关为圆柱形，主要包括外绝缘筒、顶部的上盖板和底部的下盖板、六个电极、六个绝缘垫块以及弹性金属环。外绝缘筒为圆筒形，中平面开有触发连接件和气嘴。上盖板和下盖板为圆盘形，通过螺钉紧固在外绝缘筒两端，盖板和外绝缘筒之间装有橡胶密封环，下盖板同时作为电极之一。电极和绝缘垫块均为圆环形，二者嵌套在一起构成一个堆栈组件，绝缘垫块的外侧开有气孔，所有电极和绝缘垫块位于外绝缘筒内部，与外绝缘筒同轴。弹性金属环为锥形圆环，安装在上盖板和电极之间，将整个绝缘堆栈压紧。外绝缘筒和绝缘垫块的外表面和内表面设计为波纹面。

[0027] 开关电极设计参考同类开关，电极设计为圆环形，放电区域为平面。绝缘设计和密封设计参照相关设计手册，绝缘部件的安全系数大于2。

[0028] 外绝缘筒的材料可采用有机玻璃、尼龙、聚四氟乙烯等，盖板、弹性金属环、触发连接件、气嘴的材料可采用不锈钢，可通过机床加工获得；绝缘垫块的材料可采用有机玻璃、尼龙等，电极的材料可采用不锈钢或者钨铜合金，可通过机床加工或者整体压模成型获得；可通过机床加工或者整体压模成型获得。

[0029] 首先通过螺栓将外绝缘筒与下盖板紧固，外绝缘筒与下盖板之间安装橡胶密封环9；将绝缘垫块3嵌套在下盖板1上，将电极4嵌套在绝缘垫块3上，绝缘垫块3和电极4按照上述方法逐一交替安装、层层嵌套组合；将弹性金属环5固定在上盖板6的环形槽里，通过螺栓把上盖板6与外绝缘筒2紧固，弹性金属环发生形变将整个绝缘堆栈压紧，外绝缘筒
2与上盖板6之间安装橡胶密封环9；最后安装触发连接件和气嘴。使用时开关充一定压力干燥气体，触发电缆固定在触发连接件上，上盖板和下盖板分别施加正高压和负高压，在触发脉冲的作用下，电极之间的气体间隙发生击穿，开关导通放电。