一种场畸变型油介质触发开关的制作方法
【专利摘要】本发明一种场畸变油介质触发开关，包括密封的非金属外壳、设置在非金属外壳内的高压电极、低压电极、触发电极和外部触发开关；非金属外壳内充满变压器油；高压电极设置在非金属外壳底部内侧，呈圆环状；低压电极设置在非金属外壳顶部内侧，呈圆环状；触发电极包括触发电极杆和触发圆盘，触发圆盘设置在高压电极和低压电极之间，触发电极杆的一端与触发圆盘固连，其另一端伸出非金属外壳顶部与外部触发开关电连接；外壳、高压电极、低压电极、触发电极杆和触发圆盘同轴心设置。本发明通过引入触发电极结构实现了工作间隙电场畸变、导通时刻控制和放电多通道的形成，提高了开关工作电压范围、降低了电极烧蚀程度，适用于百纳秒至数微妙兆伏级电压脉冲的导通。
【专利说明】一种场畸变型油介质触发开关
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种能够实现高功率脉冲能量导通与传输的油介质短路开关，应用于脉冲功率装置中各储能部件之间的能量转移与脉冲整形。
【背景技术】
[0002]在脉冲功率装置研制中，油介质开关(变压器油)同气体介质开关、水介质开关等一并承担着高功率脉冲电压短路导通的功能。但相对于水介质开关而言，油介质开关击穿场强更高，同时在开关能量损耗、电阻项时间等特性方面又接近于气体介质开关，因此在国际各类大型脉冲功率装置中(如Saturn、Z、ZR等)得到了广泛的应用。
[0003]目前，国内外已研制成功的油介质开关按其使用功能主要分为两类，一类用于中储电容器中储能的释放(即主开关之用)；另一类用于输出功率脉冲的陡化(即锋化开关之用)。但无论为何种功用，其开关工作机制都是利用油间隙在不同作用电压下的自击穿特性实现功率脉冲的导通，例如:在张北镇、胡克松、谭杰等人的《1MV低阻抗加速器主开关优化设计》(强激光与粒子束2010年第22卷第6期)中，给出了一种半球型电极结构的油介质开关，通过调整高、低压电极间隙距离实现lMV、150ns (FWHM)的开关工作电压。该类开关在实际使用中尚还存在以下三方面的不足:第一，由于开关利用油间隙自击穿特性实现脉冲的导通，因此开关导通时刻不具有可控性，且随着工作电压脉宽的增大，其开关击穿时刻的分散性也越大，在具有较高开关同步性要求的脉冲功率装置研制中其应用受到了较大的限制；第二，开关的工作电压主要依靠调整高、低压电极间隙距离实现，因此在开关结构确定的条件下，开关工作电压范围调整余量较小；第三，为提高开关自击穿工作电压的稳定性，开关电极结构设计通常呈现局部场增强特点，使开关放电形成单一的、位置相对固定的放电通道，如此容易造成开关电极的严重烧蚀，影响开关的使用寿命。如上文中所述球电极开关，其电极由两个半径分别为250mm和50mm的金属半球构成,且间隙距离为20mm,因此在正对球-球顶部形成了较强的场增强，使得放电较稳定地产生于两球顶端，进而在开关工作约百发次时，由于电极烧蚀问题而不得不更换电极。
【发明内容】
[0004]为了克服现有自击穿油介质开关在开关导通时刻不可控、工作电压调整范围小和电极烧蚀严重方面的问题，本发明提供了一种场畸变型油介质触发开关。该开关主电极采用环形均匀场结构设计，通过引入触发电极结构实现了工作间隙电场畸变、导通时刻控制和放电多通道的形成，提高了开关工作电压范围、降低了电极烧蚀程度，适用于百纳秒至数微妙兆伏级电压脉冲的导通。
[0005]本发明的技术解决方案是:
[0006]—种场畸变油介质触发开关，包括密封的非金属外壳、设置在非金属外壳内的高压电极2、低压电极7，其特殊之处在于:还包括触发电极和外部触发开关；所述非金属外壳内充满变压器油；所述高压电极2设置在非金属外壳底部内侧，呈圆环状；所述低压电极7设置在非金属外壳顶部内侧，呈圆环状；所述触发电极包括触发电极杆5和触发圆盘6，所述触发圆盘设置在高压电极2和低压电极7之间，所述触发电极杆的一端与触发圆盘6固连，其另一端伸出非金属外壳顶部与外部触发开关电连接；所述外壳1、高压电极2、低压电极7、触发电极杆5和触发圆盘同轴心设置。
[0007]上述触发圆盘6与高压电极2和低压电极7之间的距离比为4:1至2:1。
[0008]上述触发圆盘6与高压电极2和低压电极7之间的最佳距离比为3:1。
[0009]上述高压电极2和低压电极7的圆环尺寸相一致；所述触发圆盘边缘位于高压电极2圆环的中线附近位置。
[0010]上述触发圆盘6的边缘倒角处理。
[0011]上述低压电极接地；所述高压电极通过高压绝缘拉杆与外壳固连；所述触发电极杆5和低压电极7之间设置有绝缘隔离套筒。
[0012]上述外部触发开关为气体触发开关；所述高压电极2和低压电极7采用lCrl8Ni9Ti不锈钢材料，所述触发电极杆5和触发圆盘采用钨钢合金；所述外壳I为有机玻璃。
[0013]本发明优点:
[0014]1、本发明的场畸变油介质触发开关，由于引入触发电极，使得开关导通时刻可由触发电压信号控制；开关主间隙可工作于一定欠压比状态，使得开关在保持间隙距离不变的条件下，可以实现一定范围内的工作电压调整。
[0015]2、本发明的场畸变油介质触发开关，由于采用圆环状主电极结构且边缘经倒角优化处理，使得电极表面在工作电压下形成较大面积的均匀电场区域(沿圆环中心沿线一带)，进而增大了开关工作中放电点位置的面积，减小了电极烧蚀问题；同时经边缘倒角的圆盘形触发电极的引入，使得开关主间隙在触发电压的作用下产生较强的场畸变，增加了开关多通道形成的机率，有利于降低开关电极烧蚀程度。
【专利附图】
【附图说明】
[0016]图1是本发明的纵剖面结构图；
[0017]其中:1_有机玻璃外壳；2_高压电极；3_高压绝缘支柱；4_高压绝缘拉杆；5-触发电极杆；6_触发圆盘；7_低压电极；8_绝缘隔离套筒；9_变压器油；10_安装座；11_齿状波纹；12_排气孔；13_前级气体触发开关单元。
【具体实施方式】
[0018]图1是本发明的纵剖面结构图。图1中，本发明的场畸变油介质触发开关整体呈圆柱状结构；外壳I为有机玻璃圆筒形结构，分上下两部分，通过尼龙螺栓连接；外壳外侧经抛光处理，内侧设计有高8mm、齿距mm、齿顶倒角Rl.6mm和齿底倒角R2.9mm的齿状波纹，以改善绝缘沿面闪络特性；外壳I内部自下而上安装有高压电极2、触发电极杆5和低压电极? ;高压电极2呈圆环状结构,外径约178mm、内径约60mm、中心厚约15mm,内侧倒角为RIOmm，外侧倒角为R15mm ;高压电极2通过高压绝缘支柱3同外壳I之间相互隔离和定位；高压绝缘拉杆3 —端同高压电极2压接，另一端穿过高压绝缘支柱3中心利用螺母固定至外壳I ;高压电极、高压绝缘支柱、外壳三者同样呈同轴心设置；低压电极7 —端同高压电极2正对，同高压电极正对形成较大面积的环形均匀电场区域，呈圆环状结构，外径约140mm、内径约60mm、中心厚约18mm,边缘倒角为R8mm;低压电极7另一端为圆盘状结构(即触发圆盘)，同绝缘外壳I上部通过尼龙螺钉连接，同时通过金属螺钉电连接至安装座(地电位)上，即在实际使用中需同地电位相接；触发电极杆5 —端为触发圆盘6，触发圆盘6直径为100_，边缘倒角为R2_ ;触发电极杆5另一端为一连接杆，穿过绝缘隔离套筒8后同前级气体触发开关单元13电极相连接；绝缘隔离套筒位于触发电极与低压电极之间，一端延伸至低压电极环状结构附近，另一端延伸至前级气体触发开关单元绝缘外壳，用于触发电极与低压电极之间的电气隔离；绝缘隔离套筒8位于触发电极杆5和低压电极7之间，三者位于同一轴心并相互嵌套定位；绝缘隔离套筒8内侧同外壳I 一样设置有齿状波纹，以增强沿面闪络场强；整个开关均置于变压器油9环境中，开关内侧上端同油面相接的部位以及低压电极7上端根部均设置有排气孔12，以排除开关安装和工作过程中的残留气泡，确保开关工作的一致性。高压电极、高压绝缘支柱、高压绝缘拉杆、触发电极、绝缘隔离套筒、低压电极和外壳均为同轴心设置。
[0019]高压电极2、低压电极7呈圆环状结构，触发电极杆5有效触发部分呈圆盘状结构，三者为同轴心设置，呈高度的轴对称分布。
[0020]高压电极2、低压电极7和触发圆盘6平面保持高度平行，电极表面经抛光处理，以获取较大面积均匀电场；触发圆盘6位于高、低压间隙距离的4:1至2:1之间，其中3:1位置处最佳，圆盘边缘延伸至高、低压电极圆环中线附近位置，边缘经倒角处理，使其不影响主间隙电场分布的条件下具备较强的电场畸变能力。
[0021]本发明中高压电极2、低压电极7和触发电极杆5尺寸及材料组合并不唯一；尺寸大小的选择主要以实现高、低压间隙在工作电压下形成较大面积的均匀电场区域，而触发电压作用下形成较强的场畸变区域为目的，本实施例中的尺寸选择详见上文；材料选择则以增强电极的耐烧蚀特性为目的，本实施例中，高压电极2和低压电极7采用ICrlSNiOTi不锈钢材料，触发电极杆5采用钨钢合金。
【权利要求】
1.一种场畸变油介质触发开关，包括密封的非金属外壳、设置在非金属外壳内的高压电极(2)、低压电极(7)， 其特征在于: 还包括触发电极和外部触发开关； 所述非金属外壳内充满变压器油； 所述高压电极(2)设置在非金属外壳底部内侧，呈圆环状； 所述低压电极(7)设置在非金属外壳顶部内侧，呈圆环状； 所述触发电极包括触发电极杆(5)和触发圆盘(6)，所述触发圆盘设置在高压电极(2)和低压电极(7)之间，所述触发电极杆的一端与触发圆盘(6)固连，其另一端伸出非金属外壳顶部与外部触发开关电连接； 所述外壳(I)、高压电极(2)、低压电极(7)、触发电极杆(5)和触发圆盘同轴心设置。
2.根据权利要求1所述的场畸变油介质触发开关，其特征在于: 所述触发圆盘(6)与高压电极(2)和低压电极(7)之间的距离比为4:1至2:1。
3.根据权利要求2所述的场畸变油介质触发开关，其特征在于: 所述触发圆盘(6)与高压电极(2)和低压电极(7)之间的距离比为3:1。
4.根据权利要求1或2或3所述的场畸变油介质触发开关，其特征在于: 所述高压电极(2)和低压电极(7)的圆环尺寸相一致；所述触发圆盘边缘位于高压电极(2)圆环的中线附近位置。
5.根据权利要求4所述的场畸变油介质触发开关，其特征在于: 所述触发圆盘(6)的边缘倒角处理。
6.根据权利要求5所述的场畸变油介质触发开关，其特征在于: 所述低压电极接地；所述高压电极通过高压绝缘拉杆与外壳固连；所述触发电极杆(5)和低压电极(7)之间设置有绝缘隔离套筒。
7.根据权利要求5所述的场畸变油介质触发开关，其特征在于: 所述外部触发开关为气体触发开关；所述高压电极(2)和低压电极(7)采用lCrl8Ni9Ti不锈钢材料，所述触发电极杆(5和触发圆盘采用钨钢合金；所述外壳(I)为有机玻璃。
【文档编号】H01T1/22GK103682983SQ201310638106
【公开日】2014年3月26日 申请日期:2013年11月29日 优先权日:2013年11月29日
【发明者】呼义翔, 曾江涛, 孙凤举, 尹佳辉, 丛培天 申请人:西北核技术研究所