一种紧凑型电感负载一体化气体开关的制作方法
【专利摘要】本发明提供一种紧凑型电感负载一体化气体开关，包括外绝缘筒、锥形阴极电极头和锥形阳极电极头；锥形阴极电极头和锥形阳极电极头分别从外绝缘筒的两端将外绝缘筒密封；外绝缘筒内充高压绝缘气体；阴极电极头和阳极电极头中的至少一个采用空心圆锥面电极结构；空心圆锥面电极结构包括电极头、电极底盘以及设置在电极头和电极底盘之间的电感单元；电极底盘为圆环形结构；电极头、半圆形半圆环形电感、电感支撑段构成一个空心圆锥面布局。本发明实现了高电压，强电场条件下的电感、负载和开关的一体化结构，使开关回路结构更加紧凑，自身电感可控。
【专利说明】一种紧凑型电感负载一体化气体开关【技术领域】
[0001]本发明属于一种紧凑型电感、负载一体化气体开关，具体涉及一种用于大型快前沿电磁脉冲源的前沿调节技术的紧凑型高压气体开关。
【背景技术】
[0002]开关是脉冲功率【技术领域】中的关键器件，它连接着储能器件和负载。开关的性能影响着输出电压波形的上升时间、形状和幅值。应用在脉冲功率领域中的高压开关有气体开关、真空开关、半导体开关、机械开关等，不同的应用场合对开关性能和类型的要求也不同。在大型快前沿电磁脉冲源中，经常要求开关电感可控、高耐压、结构紧凑、控制简单可靠
坐寸ο
[0003]常用的脉冲功率设备中，气体开关一般与电感和负载分别设计，连接于电路中。开关常采用两电极对称设计，内充绝缘气体，开关电感由结构决定，不能调节；开关回路中串入的电感一般采用绝缘子表面刻槽外接导体线绕的沿面绝缘结构，须采用沿面绝缘阈值考虑，使得该结构电感笨重，要求绝缘距离较长，导致设备的体积大且输出指标不可控；负载一般按照设备要求设计结构并连接于开关回路中。该类开关回路结构需要足够的空间分别安置各部件，所以开关回路结构体积较大，无法做的十分紧凑。同时，电感采用沿面绝缘可能大幅度降低绝缘强度，易发生绝缘损坏。
[0004]在高电压、强电场要求的设备环境中，一般要求开关回路的体积尽可能小。因为开关回路体积偏大会造成绝缘子体积庞大，制造成本增加等一系列问题。而在要求输出快前沿的电磁脉冲源中，采用开关、电感和负载的分别设计的思路来调节电磁脉冲模拟源的输出脉冲前沿是非常困难的，在技术上和制造成本上都是不可取的。
【发明内容】
[0005]在高电压、强电场、小体积要求的设备环境中，为了满足紧凑型电磁脉冲源的开关应用、电感可控需求，本发明提供了一种紧凑型电感负载一体化气体开关。
[0006]本发明的技术解决方案是:
[0007]一种紧凑型电感负载一体化气体开关，其特殊之处在于:
[0008]包括外绝缘筒、锥形阴极电极头和锥形阳极电极头；所述锥形阴极电极头和锥形阳极电极头分别从外绝缘筒的两端将外绝缘筒密封；所述外绝缘筒内充高压绝缘气体；
[0009]所述阴极电极头和阳极电极头中的至少一个采用空心圆锥面电极结构；
[0010]所述空心圆锥面电极结构包括电极头、电极底盘以及设置在电极头和电极底盘之间的电感单元；
[0011]所述电极底 盘为圆环形结构；
[0012]所述电感单元包括一个半圆环形电感；所述半圆环形电感与电极底盘平行，其一端通过电感支撑段与电极头连接，其另一端与电极底盘连接；所述电感支撑段的高度满足电感绝缘性能要求；[0013]所述电极头、半圆形半圆环形电感、电感支撑段构成一个空心圆锥面布局。
[0014]上述电极头的尖端表面圆滑过渡，构成电场不均匀系数小于2的稍不均匀电场；所述电极头与电感支撑段之间、电感支撑段与半圆环形电感之间、电感支撑段与电极底盘之间均为圆角线切割的过渡结构。
[0015]上述空心圆锥面结构的锥角范围为15?60度角。
[0016]上述电极头、电极底盘、电感单元采用不锈钢或黄铜。
[0017]一种紧凑型电感负载一体化气体开关，其特殊之处在于:
[0018]包括外绝缘筒、锥形阴极电极头和锥形阳极电极头；所述锥形阴极电极头和锥形阳极电极头分别从外绝缘筒的两端将外绝缘筒密封；所述外绝缘筒内充高压绝缘气体；
[0019]所述阴极电极头和阳极电极头中的至少一个采用空心圆锥面电极结构；
[0020]所述空心圆锥面电极结构包括电极头、电极底盘以及设置在电极头和电极底盘之间的电感单元；
[0021]所述电极底盘为圆环形结构；
[0022]所述电感单元包括至少两个半圆环形电感；所述半圆环形电感与电极底盘平行；相邻所述半圆环形电感之间相位角相差180度；相邻所述半圆环形电感之间通过电感支撑段首尾相连；最顶部的半圆环形电感的另一端通过电感支撑段与电极头连接，最底部的半圆环形电感的另一端通过电感支撑段与电极底盘连接；所述电感支撑段的高度满足电感绝缘性能要求；
[0023]所述电极头、半圆形半圆环形电感、电感支撑段构成一个空心圆锥面布局。
[0024]上述电极头的尖端表面圆滑过渡，构成电场不均匀系数小于2的稍不均匀电场；所述电极头与电感支撑段之间、电感支撑段与半圆环形电感之间、电感支撑段与电极底盘之间均为圆角线切割的过渡结构。
[0025]上述空心圆锥面结构的锥角范围为15?60度角。
[0026]上述电极头、电极底盘、电感单元采用不锈钢或黄铜。
[0027]本发明的优点是:
[0028]1、本发明实现了高电压，强电场条件下的电感、负载和开关的一体化结构，使开关回路结构更加紧凑，自身电感可控。该开关可以适应大型电磁脉冲模拟装置内部紧凑、复杂且气体压力大范围变化的工作环境；可以满足前沿I一几ns脉冲电压的前沿调节。
[0029]2、本发明电感主体部采用体击穿绝缘的形式，且对电场增强点进行了圆滑处理，使电感段的体积大大降低，且绝缘强度得到了较大提升，从而达到提高耐压和紧凑结构的目的。
[0030]3、本发明电感段电极的加工采用首先实心锥体和电极头，再加工成空心锥面，最后进行线切割的工艺实现；并在线切割过程中对所有电场增强点进行一次性切割圆滑处理；从而降低了加工难度，并保证了电感段的机械强度和电场绝缘强度。实际应用证明，开关电感段承受电动力大于370N,未发生机械变形；开关工作在2.5MV脉冲电压下，电感段未发生绝缘击穿。
[0031]4、本发明实现了开关和负载的综合设计，开关电极本身作为负载的部分存在，从而大大减小了开关回路的体积，使得开关回路电感可控，满足电磁脉冲源输出波形快前沿的要求。[0032]5、本发明主体电极采用黄铜可以提高开关在脉冲电压下的击穿稳定性，同时可以减小加工过程中的难度。实际应用证明，开关气压最高到1.5MPa时，开关稳定的击穿电压峰值可以达到2.5MV。
[0033]6、本发明同轴结构，在应用于辐射波模拟器输出脉冲陡化时，可以更好的实现模拟器脉冲源与天线的连接，使装置整体结构更加连续以利于快前沿电磁脉冲环境的产生。
【专利附图】
【附图说明】
[0034]图1为单极电感设计的开关结构示意图；
[0035]图2为阳极电感段三维示意图；
[0036]图3为图2的侧面示意图，其中电极底盘含有螺纹孔的地方采用了局部剖；
[0037]附图标记如下:1-外绝缘筒，2-阴极电极头，3-阳极电极头，4-电感段，6-径向密封圈，7-负载锥体延伸段，8-开关充/放气孔。
【具体实施方式】
[0038]下面结合附图对本发明进一步描述:
[0039]如图1所示，本发明紧凑型电感负载一体化气体开关采用两电极、自击穿结构。阳极电极头3和阴极电极头2与外绝缘筒I构成主电极腔体,腔体密封，内充高压绝缘气体。电极由高电导率、非铁磁性物质的黄铜材料加工而成。开关电极尖端表面圆滑过渡，构成电场不均匀系数小于2的稍不均匀电场。开关外绝缘筒采用机械强度高、绝缘性能好的真空浸溃玻璃钢筒，内外表面光滑，残余少量气泡排列无序，尽量与电场方向不一致，可提高外绝缘筒内外表面耐压水平。外绝缘筒通过外部结构传递的轴向压力安装于负载锥体延伸段上，与锥体采用径向密封的方式保证开关内部的最高1.5MPa的SF6气体密封。
[0040]紧凑型电感负载一体化气体开关中的两个电极的整体结构采用与负载要求匹配的锥形结构，锥形结构的母线与轴线的夹角在15?60度角可调。根据双锥阻抗的计算公式，可以得到与设备输出负载要求一致的负载角度。
[0041 ] 结合图1，本发明的阴极通过螺纹安装与高压端，其密封通过电极底部密封面与锥体上的密封槽和径向密封圈6的配合实现。本发明阳极与电感、负载采取一体化结构，通过其底部的螺纹孔安装于负载延伸段7上，并通过开关充/放气孔8进行开关气压的调节。
[0042]本发明中的阴极电极头和阳极电极头中的任意一个均可采用空心圆锥面电极结构，空心圆锥面电极由一段满足负载角度要求的空心圆锥结构支撑，在这一空心圆锥表面上采用线切割工艺制成两段半圆弧电感，并在所有过渡结构中采用圆角线切割。两电感段4在电路上采用同向串联结构，每段电感均沿着锥面进行圆角过渡处理，以得到最好的电感绝缘性能。
[0043]结合图2，本发明的电感段沿着锥面进行线切割工艺实现，所有转角采用圆滑过渡处理，保证了机械强度和绝缘强度。加工完成后，对电感段所有棱边进行倒角处理，使电感段电场分布更均匀。、
[0044]本发明所体现的思想:
[0045]1、开关、电感与负载一体化设计思路与结构。
[0046]本发明开关电极的整体结构采用与负载要求匹配的双锥结构，双锥与轴心成15?60度角。根据双锥阻抗的计算公式，可以得到，开关内双锥段的波阻抗与设备输出负
载要求一致。
[0047]2、开关电极的加工方法。
[0048]本发明在这一空心圆锥表面上采用线切割工艺制成两段半圆弧电感，每段电感在电路上采用同向串联结构。本发明电感段电极的加工采用首先实心锥体和电极头，再加工成空心锥面，最后进行线切割的工艺实现；并在线切割过程中对所有电场增强点进行一次性切割圆滑处理；从而降低了加工难度，并保证了电感段的机械强度和电场绝缘强度。以得到最好的电感绝缘性能。
[0049]3、开关电极电感可控的思想。
[0050]通过调节电极电感段的直径和半圆电感的数量可以实现对电极电感的控制。
[0051 ] 4、开关电极电感段与负载的一体化的设计思路与结构。
[0052]本发明开关电感段的设计集中在开关的电极上，开关一端或两端电极由一段满足一定角度要求的空心圆锥结构支撑，这一角度与负载要求一致。
[0053]5、开关电极的可扩展性
[0054]本发明的开关电极可在阴极、阳极的任一电极采用这种电感可控的电极，也可两边都采用，具有一定的选择性和灵活性。
[0055]本发明的工作原理是:开关工作时，阴极处于高电位，阳极处于低电位。当高压脉冲到来时，正负电极之间产生强电场，导致开关主间隙击穿，将电感和双锥负载同时接入开关回路中，进而实现电感和负载在小空间内接入电路中。此时，开关电感段的电压降与每段电感的值及加载在其两段的电流的变化率有关，必须进行绝缘强度的设计和校核。当脉冲电压消失后，开关主间隙熄弧，开关恢复到绝缘状态，电感段的电压降消失。
【权利要求】
1.一种紧凑型电感负载一体化气体开关，其特征在于: 包括外绝缘筒、锥形阴极电极头和锥形阳极电极头；所述锥形阴极电极头和锥形阳极电极头分别从外绝缘筒的两端将外绝缘筒密封；所述外绝缘筒内充高压绝缘气体； 所述阴极电极头和阳极电极头中的至少一个采用空心圆锥面电极结构； 所述空心圆锥面电极结构包括电极头、电极底盘以及设置在电极头和电极底盘之间的电感单元； 所述电极底盘为圆环形结构； 所述电感单元包括一个半圆环形电感；所述半圆环形电感与电极底盘平行，其一端通过电感支撑段与电极头连接，其另一端与电极底盘连接；所述电感支撑段的高度满足电感绝缘性能要求； 所述电极头、半圆形半圆环形电感、电感支撑段构成一个空心圆锥面布局。
2.根据权利要求1所述的紧凑型电感负载一体化气体开关，其特征在于:所述电极头的尖端表面圆滑过渡，构成电场不均匀系数小于2的稍不均匀电场；所述电极头与电感支撑段之间、电感支撑段与半圆环形电感之间、电感支撑段与电极底盘之间均为圆角线切割的过渡结构。
3.根据权利要求1或2所述的紧凑型电感负载一体化气体开关，其特征在于:所述空心圆锥面结构的锥角范 围为15~60度角。
4.根据权利要求3所述的紧凑型电感负载一体化气体开关，其特征在于:所述电极头、电极底盘、电感单元采用不锈钢或黄铜。
5.一种紧凑型电感负载一体化气体开关，其特征在于: 包括外绝缘筒、锥形阴极电极头和锥形阳极电极头；所述锥形阴极电极头和锥形阳极电极头分别从外绝缘筒的两端将外绝缘筒密封；所述外绝缘筒内充高压绝缘气体； 所述阴极电极头和阳极电极头中的至少一个采用空心圆锥面电极结构； 所述空心圆锥面电极结构包括电极头、电极底盘以及设置在电极头和电极底盘之间的电感单元； 所述电极底盘为圆环形结构； 所述电感单元包括至少两个半圆环形电感；所述半圆环形电感与电极底盘平行；相邻所述半圆环形电感之间相位角相差180度；相邻所述半圆环形电感之间通过电感支撑段首尾相连；最顶部的半圆环形电感的另一端通过电感支撑段与电极头连接，最底部的半圆环形电感的另一端通过电感支撑段与电极底盘连接；所述电感支撑段的高度满足电感绝缘性能要求； 所述电极头、半圆形半圆环形电感、电感支撑段构成一个空心圆锥面布局。
6.根据权利要求5所述的紧凑型电感负载一体化气体开关，其特征在于:所述电极头的尖端表面圆滑过渡，构成电场不均匀系数小于2的稍不均匀电场；所述电极头与电感支撑段之间、电感支撑段与半圆环形电感之间、电感支撑段与电极底盘之间均为圆角线切割的过渡结构。
7.根据权利要求5或6所述的紧凑型电感负载一体化气体开关，其特征在于:所述空心圆锥面结构的锥角范围为15~60度角。
8.根据权利要求7所述的紧凑型电感负载一体化气体开关，其特征在于:所述电极头、电极底盘、 电感单元采用不锈钢或黄铜。
【文档编号】H01T19/04GK103944072SQ201410120289
【公开日】2014年7月23日 申请日期:2014年3月27日 优先权日:2014年3月27日
【发明者】李俊娜, 汤俊萍, 郭帆, 陈志强, 陈维青, 贾伟, 王海洋, 何小平, 孙凤荣, 张国伟 申请人:西北核技术研究所