自由落体触发式微秒级三电极高压放电开关及放电方法

摘要

本发明涉及一种三电极高压放电开关及放电方法，特别涉及一种自由落体触发式三电极高压放电开关及放电方法，解决了实际工程应用中，对于要求时序放电时间关联精度为微秒到毫秒量级的，采用电触发高压放电开关成本太高，采用机械触发高压放电开关又无法达到要求的问题。该高压放电开关包括正电极、负电极及触发电极；其特殊之处在于：还包括电磁继电器；正电极和负电极水平并排同轴固定设置，二者之间设有放电间隙；电磁继电器固定设置在放电间隙上方；触发电极利用电磁继电器的电磁力吸附在电磁继电器的下端面上，且触发电极位于放电间隙的正上方；触发电极由铁磁材料制成，且其沿正电极中心与负电极中心连线方向的宽度尺寸小于放电间隙的尺寸。

权利要求

1.一种自由落体触发式微秒级三电极高压放电开关，包括正电极(1)、负电极(2)以及触发电极(4)；其特征在于：还包括电磁继电器(3)；

所述正电极(1)和负电极(2)水平并排同轴固定设置，二者之间设置有放电间隙；

所述电磁继电器(3)固定设置在放电间隙的上方；

所述触发电极(4)利用电磁继电器(3)的电磁力吸附在电磁继电器(3)的下端面上，且触发电极(4)位于放电间隙的正上方；

所述触发电极(4)由铁磁材料制成，且其沿正电极(1)中心与负电极(2)中心连线方向的宽度尺寸小于所述放电间隙的尺寸；

所述触发电极(4)下端面距离正电极(1)中心与负电极(2)中心连线的距离与该高压放电开关的触发延时时间和充电电压均正相关；

所述触发电极(4)下端面距离正电极(1)中心与负电极(2)中心连线的距离加工精度误差为微米量级；

还包括壳体(5)；

所述正电极(1)、负电极(2)以及电磁继电器(3)均固定在壳体(5)上。

2.根据权利要求1所述的自由落体触发式微秒级三电极高压放电开关，其特征在于：所述放电间隙的尺寸与该高压放电开关的充电电压正相关。

3.一种基于权利要求1至2任一所述的自由落体触发式微秒级三电极高压放电开关的放电方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1：通过控制所述电磁继电器(3)，利用电磁继电器(3)的电磁力，将触发电极(4)吸附在电磁继电器(3)的下端面上；

步骤2：通过控制所述电磁继电器(3)的电流断开，使得触发电极(4)开始自由落体运动；

步骤3：触发电极(4)通过放电间隙，使正电极(1)和负电极(2)发生击穿，实现高压放电开关的触发延时放电；步骤3中，所述触发延时的时间，通过调整触发电极(4)下端面距离正电极(1)中心与负电极(2)中心连线的距离来实现。

说明书

自由落体触发式微秒级三电极高压放电开关及放电方法

技术领域

[0001] 本发明涉及一种三电极高压放电开关及放电方法，特别涉及一种自由落体触发式三电极高压放电开关及放电方法。

背景技术

[0002] 在高电压领域，高压放电开关通常用于控制开通高压间隙。高压放电开关开通方式一般分为电触发和机械触发两种。

[0003] 参见图1，现有电触发高压放电开关一般采用三电极结构，即包括正电极01、触发电极03和负电极02；其工作原理如下：当正电极01和负电极02之间充电至预设电压后，给触发电极03上施加一高压脉冲信号，通过其扰动正电极01和负电极02之间的电场，使得正电极01和负电极02之间快速击穿，达到快速放电的目的。电触发高压放电开关三个电极之间的相对位置是固定的；其电触发动作时间在纳秒到微秒，具有关联精度高的优点，一般使用在需要高精度关联时序放电的场景；其缺点是需要配备高压触发器、系统复杂、造价昂贵、系统稳定性差、调试难度大。

[0004] 参见图2，现有机械触发高压放电开关一般采用两电极结构，即包括正电极01和负电极02；其工作原理如下：当正电极01和负电极02之间充电至预设电压后，用机械触发元件04(比如电磁铁或者气动阀)的机械动作移动其中一个电极向另一个电极靠近，当两个电极距离足够接近时，两电极发生过压击穿。机械触发高压放电开关机械触发的动作时间一般在秒量级，关联精度非常差，适用于无时间关联或者时间关联要求非常低的时序放电场景；
但是其具有设计简单、造价低廉、系统稳定度高、调试难度小的优点。

[0005] 在实际工程应用中，往往会遇到一些要求时序放电时间关联精度为微秒到毫秒量级的，采用电触发高压放电开关成本太高，采用机械触发高压放电开关又无法达到要求。

发明内容

[0006] 本发明的目的是提供一种自由落体触发式三电极高压放电开关及放电方法，以解决在实际工程应用中，对于要求时序放电时间关联精度为微秒到毫秒量级的，采用电触发高压放电开关成本太高，采用机械触发高压放电开关又无法达到要求的技术问题。

[0007] 本发明所采用的技术方案是，一种自由落体触发式三电极高压放电开关，包括正电极、负电极以及触发电极；其特殊之处在于：

[0008] 还包括电磁继电器；

[0009] 所述正电极和负电极水平并排同轴固定设置，二者之间设置有放电间隙；

[0010] 所述电磁继电器固定设置在放电间隙的上方；

[0011] 所述触发电极利用电磁继电器的电磁力吸附在电磁继电器的下端面上，且触发电极位于放电间隙的正上方；

[0012] 所述触发电极由铁磁材料制成，且其沿正电极中心与负电极中心连线方向的宽度尺寸小于所述放电间隙的尺寸。

[0013] 进一步地，所述触发电极下端面距离正电极中心与负电极中心连线的距离与该高压放电开关的触发延时时间和充电电压均正相关；

[0014] 所述触发电极下端面距离正电极中心与负电极中心连线的距离加工精度误差为微米量级。这样，通过精确控制触发电极下端面距离正电极中心与负电极中心连线的距离，可精确控制该高压放电开关的触发延时时间，该高压放电开关的触发延时时间抖动为微秒量级。

[0015] 进一步地，还包括壳体；

[0016] 所述正电极、负电极以及电磁继电器均固定在壳体上。这样，该高压放电开关为一个独立的产品。

[0017] 进一步地，所述放电间隙的尺寸与该高压放电开关的充电电压正相关。

[0018] 本发明还提供了一种基于上述自由落体触发式三电极高压放电开关的放电方法，其特殊之处在于，包括以下步骤：

[0019] 步骤1：通过控制所述电磁继电器，利用电磁继电器的电磁力，将触发电极吸附在电磁继电器的下端面上；

[0020] 步骤2：通过控制所述电磁继电器的电流断开，使得触发电极开始自由落体运动；

[0021] 步骤3：触发电极通过放电间隙，使正电极和负电极发生击穿，实现高压放电开关的触发延时放电。

[0022] 进一步地，步骤3中，所述触发延时的时间，通过调整触发电极下端面距离正电极中心与负电极中心连线的距离来实现。

[0023] 本发明的有益效果是：

[0024] (1)本发明的自由落体触发式三电极高压放电开关及放电方法，利用重力作用下的自由落体原理以及电磁继电器的工作原理(当电磁继电器线圈通电后，线圈中的铁芯产生强大的电磁力，衔铁吸附触发电极；当电磁继电器线圈断电后，触发电极在重力作用下，开始自由落体运动，进而触发该高压放电开关动作。)，可通过精确控制触发电极自由落体的下落高度，精确控制该高压放电开关的触发延时时间；按照现有的机械加工精度，触发电极位于初始位置时，其下端面距离正电极中心与负电极中心连线的距离误差可以做到微米量级，因而该高压放电开关的触发延时时间误差可控制在微秒量级，其精度远高于现有普通的机械触发式高压放电开关，而且其相对于现有电触发高压放电开关成本也降低很多；因此，本发明解决了在实际工程应用中，对于要求时序放电时间关联精度为微秒到毫秒量级的，采用电触发高压放电开关成本太高，采用机械触发高压放电开关又无法达到要求的技术问题。本发明的自由落体触发式三电极高压放电开关的最大优势在于：其触发延时时间可精确控制，且触发延时时间精度可以达到微秒量级。

[0025] (2)本发明的自由落体触发式三电极高压放电开关，优选地还包括有壳体；正电极、负电极以及电磁继电器均固定在壳体上。这样，该高压放电开关构成一个独立的产品。

附图说明

[0026] 图1是背景技术中现有电触发高压放电开关的结构示意图；

[0027] 图2是背景技术中现有机械触发高压放电开关的结构示意图；

[0028] 图1和图2中各标号的说明如下：

[0029] 01‑正电极，02‑负电极，03‑触发电极，04‑机械触发元件。

[0030] 图3是本发明实施例的结构示意图；

[0031] 图3中各标号的说明如下：

[0032] 1‑正电极，2‑负电极，3‑电磁继电器，4‑触发电极，5‑壳体。

具体实施方式

[0033] 下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。

[0034] 参见图3，本发明一种自由落体触发式三电极高压放电开关，包括正电极1、负电极2、触发电极4以及电磁继电器3。

[0035] 上述正电极1和负电极2水平并排同轴固定设置，二者之间设置有放电间隙；电磁继电器3固定设置在放电间隙的上方；触发电极4利用电磁继电器3的电磁力吸附在电磁继电器3的下端面上，且触发电极4位于放电间隙的正上方；触发电极4由铁磁材料制成，且其沿正电极1中心与负电极2中心连线方向的宽度尺寸小于上述放电间隙的尺寸。

[0036] 上述触发电极4下端面距离正电极1中心与负电极2中心连线的距离与该高压放电开关的触发延时时间和充电电压均正相关；本实施例中，为了使该高压放电开关的触发延时时间误差控制在微秒量级，上述触发电极4下端面距离正电极1中心与负电极2中心连线的距离加工精度误差为微米量级。为了能构成一个独立的产品，本实施例的自由落体触发式三电极高压放电开关，优选地还包括壳体5，上述正电极1、负电极2以及电磁继电器3均固定在壳体5上。上述放电间隙的尺寸与该高压放电开关的充电电压正相关。

[0037] 本发明还提供了一种基于上述自由落体触发式三电极高压放电开关的放电方法，包括以下步骤：

[0038] 步骤1：通过控制上述电磁继电器3，利用电磁继电器3的电磁力，将触发电极4吸附在电磁继电器3的下端面上；

[0039] 步骤2：通过控制上述电磁继电器3的电流断开，使得触发电极4开始自由落体运动；

[0040] 步骤3：触发电极4通过放电间隙，使正电极1和负电极2发生击穿，实现高压放电开关的触发延时放电。

[0041] 上述步骤3中，触发延时的时间，通过调整触发电极4下端面距离正电极1中心与负电极2中心连线的距离来实现。

[0042] 本发明的自由落体触发式三电极高压放电开关的工作原理为：首先利用电磁继电器3的电磁力，将触发电极4吸附，使触发电极4被固定在高于正电极1和负电极2的某一确定高度，然后将正电极1和负电极2之间充电至预设电压；当需要该高压放电开关动作时，通过控制电磁继电器3的电流断开，使得触发电极4在重力作用下，开始自由落体运动，随着触发电极4与正电极1和负电极2的相对距离逐渐缩小，正电极1和负电极2之间电场逐渐增强，直至发生击穿。通过调整触发电极4距离正电极1中心与负电极2中心连线的距离，即可调整该2
高压放电开关的触发延时时间。根据初速度为零的自由落体公式H＝0.5gt (式中H为下落高度、g为重力加速度、t为下降时间)可知：自由落体的下降时间仅与下落高度有关，即从电磁继电器3断电，触发电极4自由落体，到触发电极4触发正电极1和负电极2产生放电的时间精度，取决于触发电极4位于初始位置时，其下端面距离正电极1中心与负电极2中心连线的距离。按照现有的机械加工精度，触发电极4位于初始位置时，其下端面距离正电极1中心与负电极2中心连线的距离误差可控制到微米量级，所以该高压放电开关的触发延时时间误差可控制在微秒量级，其精度远高于现有普通的机械触发式高压放电开关。

[0043] 本发明的自由落体触发式三电极高压放电开关，可以采用多个该高压放电开关进行组建电路，在电路中，该多个高压放电开关的开关间隔时间可以控制延时在微秒量级，使多个高压放电开关逐个打开或者关闭，而该高压放电开关的延时时间特性比现有普通的机械触发式高压放电开关的动作延时时间更短，故在工程应用中更有应用前景。

[0044] 本发明的自由落体触发式三电极高压放电开关及放电方法，其触发延时时间可精确控制，且触发延时时间精度可以达到微秒量级，其主要应用于高压放电领域。