专利名称：触发多通道放电气体火花开关用冲击电压发生器的制作方法
技术领域：
本发明涉及应用于电气设备绝缘试验、脉冲功率电源等领域的冲击电压发生器， 特别是能够产生波前时间小于IOns的触发多通道放电气体火花开关用冲击高电压发生器。
背景技术：
气体火花开关是脉冲功率装置的核心部件。随着脉冲功率装置向更高功率、高重复频率方向发展，要求气体火花开关具有承受电压高、导通电流大、电感和抖动低、寿命长等特性。当气体火花开关间隙形成多个并联的放电通道时，不仅显著降低了每个放电通道的电流密度，减小了开关电弧对电极的烧蚀，延长了开关寿命，而且降低了开关电感和导通电阻。因此，多通道放电气体火花开关获得了日益广泛的应用。气体火花开关中的多通道放电，通常需要在波前时间达纳秒级的冲击电压的触发作用下才能生成，并且波前时间越短、冲击电压峰值越高则多通道放电效果越好。而传统的冲击电压发生器设备尺寸大，产生的冲击电压波前时间大多在微秒量级甚至更长，难以满足多通道放电气体火花开关的触发需要。多通道放电气体火花开关可能工作在不同的气体条件下，所需的触发电压峰值和波形时间参数也需要做相应调整，而传统的冲击电压发生器往往需要逐级调整，过程繁琐费时，会给多通道放电气体火花开关的灵活应用造成很大不便。
发明内容
为了能够灵活可靠地触发多通道放电气体火花开关，本发明提供一种冲击电压发生器，能够产生波前时间小于IOns的冲击高电压，电压峰值在10 IOOkV内连续可调，波形时间参数调整方便。为达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现。—种触发多通道放电气体火花开关用冲击电压发生器，包括绝缘材质密封容器， 及设置在密封容器内腔的冲击电压发生器芯体，其特征在于所述密封容器内腔设置的冲击电压发生器芯体通过绝缘支架连接成五级金属球间隙的Marx回路，所述密封容器外侧设置有波前电阻和波尾电阻，密封容器的顶部设置有顶盖，自顶盖向密封容器内腔延伸有一与绝缘支架的滑动拉杆相连的绝缘材质顶盖螺钉；在绝缘材质密封容器的侧壁上开有与冲击电压发生器芯体相连的充电输入端、触发脉冲输入端、升压电路输出端和接地端的穿孔；在绝缘材质密封容器底部侧壁设有气孔，密封容器内充入绝对压力0. IMPa的SF6气体。本发明进一步的特征在于所述具有五级金属球间隙的Marx回路(即升压电路)由绝缘支架构成矩形框架连接而成，沿绝缘支架内侧分别垂直均布有5个电容器，对应电容器的一侧分布有相对交错布置的5对金属球电极，各金属球电极分别通过连接导体与电容器连接；在矩形绝缘支架其中一框架边上设置有贯穿于其框架边的滑动拉杆。
所述电容器通过金属螺钉紧固在绝缘支架上，相邻电容器之间设置有充电电阻， 并通过连接导体相连。 所述各金属球电极头部均为表面光滑的球形，尾部为连接螺杆。所述滑动拉杆为顶部设有螺孔且截面为阶梯形的绝缘材质条杆，滑动拉杆贯穿于绝缘支架一侧框架边的竖直阶梯槽中，沿该条杆长轴方向均布有5个与金属球电极连接螺杆直径对应的螺孔。所述相对交错布置的5对金属球电极分别通过连接螺杆固定于绝缘支架一个框架边和滑动拉杆上，其中连接于滑动拉杆上的5个金属球电极通过其连接螺杆贯穿于滑动拉杆的螺孔与绝缘支架相连；连接于绝缘支架一个框架边上的5个金属球电极通过其连接螺杆与绝缘支架相连。所述绝缘支架一侧框架边上设有5个穿入金属球电极连接螺杆的腰型孔。所述绝缘支架底部第一级金属球电极的首端通过设置于其中的触发针与触发脉冲输入端连接，第一级金属球电极的首端连接螺杆连接接地端；第一级金属球电极的尾端连接充电输入端5 ；第五级电容器的一极连接所述升压电路输出端。所述波前电阻的一端连接升压电路输出端，另一端为冲击电压输出端。所述波尾电阻的一端连接升压电路输出端，另一端连接接地端。本发明升压电路的绝缘结构适用于绝对压力0. IMPa的SF6气体中，升压电路安装在充入绝对压力0. IMPa的SF6气体的密封容器内，这就使得冲击电压发生器结构紧凑，回路阻抗小，从而有利于产生具有纳秒级波前时间的冲击电压。升压电路的滑动拉杆可在绝缘支架框架边中的阶梯槽中滑动，滑动范围不小于lcm，顶盖螺钉悬挂于顶盖上，并伸入密封容器内腔，旋入滑动拉杆顶部的螺孔中，即可以通过旋拧顶盖螺钉拉动密封容器内的滑动拉杆，对五级金属球间隙距离联动调节，从而能方便地实现对输出冲击电压峰值的调节； 波前电阻和波尾电阻可以各自独立更换，从而能方便地实现对输出冲击电压波形时间参数的调整。本发明的优点及有益效果是1、冲击电压发生器结构紧凑、回路阻抗小，可以输出波前时间小于IOns的双指数形冲击电压。2、冲击电压发生器输出的冲击电压峰值可以通过滑动拉杆五级联动极为方便地调节，冲击电压峰值调节范围宽，为10 100kV。3、需要调整输出冲击电压波形的时间参数时，无需打开密封容器，只需更换密封容器外的波前电阻和波尾电阻，操作方便。4、冲击电压发生器升压电路放在密封容器内，受外界湿度、温度、气压影响较小， 性能稳定。
下面结合附图和具体实施方式
对本发明进一步说明。图1是本发明结构示意图。图2是图1的俯视图。图3是本发明的冲击电压发生器升压电路结构示意图。
图4是图3的左视图。图5是图3的俯视图。图6是本发明的升压电路滑动拉杆结构示意图。图7是图6的左视图。图8是本发明的电路原理图。图中1.顶盖，2.密封垫，3.密封容器，4.顶盖螺钉，5.充电输入端，6.气孔，7.升压电路输出端，8.波前电阻，9.波尾电阻，10.接地端，11.触发脉冲输入端，12.冲击电压输出端，13.绝缘支架，14.滑动拉杆，15.金属球电极，16.电容器，17.触发针，18.充电电阻， 19.连接导体，20.升压电路。
具体实施例方式如图1、图2所示，该触发多通道放电气体火花开关用冲击电压发生器，包括绝缘材质密封容器3，及设置在密封容器3内腔的冲击电压发生器芯体，其中所述密封容器3 内腔设置的冲击电压发生器芯体通过绝缘支架13连接成五级金属球间隙的Marx回路(即图8所示升压电路20)，本发明升压电路20的绝缘结构适用于绝对压力0. IMPa的SF6气体中，密封容器3内需要充入绝对压力0. IMPa的SF6气体，这就使得冲击电压发生器结构紧凑，回路阻抗小，从而有利于产生具有纳秒级波前时间的冲击电压。波前电阻8和波尾电阻 9设置于所述密封容器3外侧，可以各自独立更换。从而可以通过更换不同阻值的波前电阻8和波尾电阻9方便地调整输出冲击电压波形的时间参数；密封容器3的顶部设置有绝缘材质的顶盖1，顶盖1与密封容器3之间设有密封垫2，顶盖1、密封垫2与密封容器3用尼龙螺栓紧固；顶盖1上开有一个通孔，通过此通孔自顶盖1向密封容器3内腔延伸有一与绝缘支架13的滑动拉杆14相连的绝缘材质顶盖螺钉4 ；即可以通过旋拧顶盖螺钉4拉动密封容器3内的滑动拉杆14，对所述五级金属球间隙距离联动调节，从而能方便地实现对输出冲击电压峰值的调节。在密封容器3的侧壁上开有与冲击电压发生器芯体相连的充电输入端5、触发脉冲输入端11、升压电路输出端7和接地端10的穿孔；在密封容器3底部侧壁设有气孔6，气孔6内插入气管，气管与气孔6之间用密封胶封住，气管再接气阀，即可向密封容器3内充入SF6气体，用来保证升压电路20的外绝缘，整个密封容器3仅适合绝对气压0. IMPa的气体密封。顶盖螺钉4上缠绕生料带以实现顶盖1上通孔的密封，密封容器3侧壁上充电输入端5、触发脉冲输入端7、升压电路输出端11和接地端10的穿孔处用密封胶封住，各端子与具有五级金属球间隙的Marx回路(升压电路20)连接点之间留有足够长的引线以方便取出具有五级金属球间隙的Marx回路(升压电路20)。如图3、图4、图5所示，具有五级金属球间隙的Marx回路由绝缘支架13构成矩形框架连接而成，沿绝缘支架13内侧分别垂直均布有5个电容器16，对应电容器16的一侧分布有相对交错布置的5对金属球电极15，各金属球电极15分别通过连接导体19与电容器 16连接；电容器16通过金属螺钉紧固在绝缘支架13上，相邻电容器16之间设置有充电电阻18，并通过连接导体19相连。各金属球电极15头部均为表面光滑的球形，尾部为连接螺杆。在矩形绝缘支架13其中一框架边上设置有贯穿于其框架边的滑动拉杆14。如图6、图7所示，滑动拉杆14为顶部设有螺孔且截面为阶梯形的绝缘材质条杆，滑动拉杆14贯穿于绝缘支架13—侧框架边的竖直阶梯槽中，滑动拉杆14可以在阶梯槽中滑动， 滑动范围不小于1cm，滑动的上限位置见图3、图4所示。沿该条杆长轴方向均布有5 个与金属球电极15连接螺杆直径对应的螺孔。相对交错布置的5对金属球电极15分别通过连接螺杆固定于绝缘支架13 —个框架边和滑动拉杆14上，其中连接于滑动拉杆14上的5个金属球电极15通过其连接螺杆贯穿于滑动拉杆14的螺孔与绝缘支架13连接；连接于绝缘支架13 —个框架边上的5个金属球电极15通过其连接螺杆穿过设在该绝缘支架13框架边对应位置的5个腰型孔与绝缘支架13相连。腰形孔中金属球电极15连接螺杆的位置可以略微移动，便于调节各级球隙距离来实现同步放电。调节各级球隙距离以实现同步放电的方法是先将各级金属球电极15安装在图3 中所示位置，并将滑动拉杆14滑到绝缘支架13底部，再调节腰型孔中金属球电极15连接螺杆的位置，使得带有触发针17的最下面一级的两球挨紧接触上，然后调节其它各级球隙距离以实现同步放电，一般情况下每一级球隙距离稍大于其相邻的下面一级球隙距离。只要各级金属球间隙已经调整好同步放电，通过滑动拉杆14五级联动调整金属球间隙距离后就仍然可以实现同步放电，这样就可以根据需要方便地调节输出冲击电压峰值。绝缘支架13底部第一级金属球电极15的首端通过设置于其中的触发针17与触发脉冲输入端11连接(见图3)，第一级金属球电极15的首端连接螺杆连接接地端10 ；第一级金属球电极15的尾端连接充电输入端5 ；第五级电容器16未直接与金属球电极15连接的一端连接所述升压电路输出端7 (见图1结合图8所示)。图1中，波前电阻8的一端连接升压电路输出端7，另一端为冲击电压输出端12。 波尾电阻9的一端连接升压电路输出端7，另一端连接接地端10。参照本发明的电路原理8结合图1所示，绝缘支架13底部第一级金属球电极 15首端连接螺杆连接接地端10，第一级金属球电极15的尾端连接螺杆连接充电输入端5， 同时连接到第一级电容器16的一极。第一级电容器16的另一极连接到第二级金属球电极 15首端连接螺杆，同时通过一个充电电阻18连接到第一级金属球电极15首端连接螺杆。第二级金属球电极15尾端连接螺杆连接第二级电容器的一极，同时通过一个充电电阻18连接到第一级金属球电极15尾端连接螺杆。以后各级电容器16与各级金属球电极15按同样方式依次级连。最后一级电容器16未直接与金属球电极15连接的一极连接所述升压电路输出端7。波前电阻(Rf)S的一端连接升压电路输出端7，另一端为冲击电压输出端12。 波尾电阻(Rt)9的一端连接升压电路输出端7，另一端连接接地端10。由于冲击电压发生器结构紧凑、回路阻抗小，每级回路中均未接入阻尼电阻，这也有利于减小输出冲击电压的波前时间。充电输入端5需要通过一个限流保护电阻连接到直流高压电源给冲击电压发生器充电，充电后，通过触发脉冲输入端11向冲击电压发生器输入一个高压脉冲，使得第一级金属球间隙击穿，若各级金属球间隙已经调整好同步，就会依次击穿，最终冲击电压输出端 12输出所需冲击电压。升压电路20中元件参数选取范围为电容器(C) 16容量350pF 500pF，充电电阻(R) 18的阻值是波尾电阻(Rt) 9的10 20倍。
权利要求
1.一种触发多通道放电气体火花开关用冲击电压发生器，包括绝缘材质密封容器 (3)，及设置在密封容器(3)内腔的冲击电压发生器芯体，其特征在于所述密封容器(3)内腔设置的冲击电压发生器芯体通过绝缘支架(13)连接成五级金属球间隙的Marx回路，所述密封容器(3)外侧设置有波前电阻(8)和波尾电阻(9)，密封容器(3)顶部设置有顶盖 (1)，自顶盖(1)向密封容器(3)内腔延伸有一与绝缘支架(13)的滑动拉杆(14)相连的绝缘材质顶盖螺钉(4)；在绝缘材质密封容器(3)的侧壁上开有与冲击电压发生器芯体相连的充电输入端(5)、触发脉冲输入端(11)、升压电路输出端(7)和接地端(10)的穿孔；在绝缘材质密封容器⑶底部侧壁设有气孔(6)，密封容器(3)内充入绝对压力0. 1MPa的SF6 气体。
2.根据权利要求1所述的一种触发多通道放电气体火花开关用冲击电压发生器，其特征在于所述五级金属球间隙的Marx回路由绝缘支架(13)构成矩形框架连接而成，沿绝缘支架(13)内侧分别垂直均布有5个电容器(16)，对应电容器(16) —侧分布有相对交错布置的5对金属球电极(15)，各金属球电极(15)分别通过连接导体(19)与电容器(16)连接；在矩形绝缘支架(13)其中一框架边上设置有贯穿于其框架边的滑动拉杆(14)。
3.根据权利要求2所述的一种触发多通道放电气体火花开关用冲击电压发生器，其特征在于所述电容器(16)通过金属螺钉紧固在绝缘支架(13)上，相邻电容器(16)之间设置有充电电阻(18)，并通过连接导体(19)相连。
4.根据权利要求2所述的一种触发多通道放电气体火花开关用冲击电压发生器，其特征在于所述各金属球电极(15)头部均为表面光滑的球形，尾部为连接螺杆。
5.根据权利要求2所述的一种触发多通道放电气体火花开关用冲击电压发生器，其特征在于所述滑动拉杆(14)为顶部设有螺孔且截面为阶梯形的绝缘材质条杆，滑动拉杆 (14)贯穿于绝缘支架(13) 一侧框架边的竖直阶梯槽中，沿该条杆长轴方向均布有5个与金属球电极(15)连接螺杆直径对应的螺孔。
6.根据权利要求2或5所述的一种触发多通道放电气体火花开关用冲击电压发生器， 其特征在于所述相对交错布置的5对金属球电极(15)分别通过连接螺杆固定于绝缘支架 (13) —个框架边和滑动拉杆(14)上，其中连接于滑动拉杆(14)上的5个金属球电极(15) 通过其连接螺杆贯穿于滑动拉杆(14)的螺孔与绝缘支架(13)相连；连接于绝缘支架(13) 一个框架边上的5个金属球电极(15)通过其连接螺杆与绝缘支架(13)相连。
7.根据权利要求6所述的一种触发多通道放电气体火花开关用冲击电压发生器，其特征在于所述绝缘支架(13) 一侧框架边上设有5个穿入金属球电极(15)连接螺杆的腰型孔。
8.根据权利要求1所述的一种触发多通道放电气体火花开关用冲击电压发生器，其特征在于所述绝缘支架(13)底部第一级金属球电极(15)的首端通过设置于其中的触发针 (17)与触发脉冲输入端(11)连接，第一级金属球电极(15)的首端连接螺杆连接接地端 (10)；第一级金属球电极(15)的尾端连接充电输入端(5)；第五级电容器(16)的一极连接所述升压电路输出端(7)。
9.根据权利要求1所述的一种触发多通道放电气体火花开关用冲击电压发生器，其特征在于所述波前电阻(8)的一端连接升压电路输出端(7)，另一端为冲击电压输出端 (12)。
10.根据权利要求1所述的一种触发多通道放电气体火花开关用冲击电压发生器，其特征在于所述波尾电阻(9)的一端连接升压电路输出端(7)，另一端连接接地端(10)。
全文摘要
本发明公开了一种触发多通道放电气体火花开关用冲击电压发生器，包括绝缘材质密封容器，及设置在密封容器内腔的冲击电压发生器芯体，所述密封容器内腔设置的冲击电压发生器芯体通过绝缘支架连接成金属球间隙同步放电结构，绝缘材质密封容器外侧设置有波前电阻和波尾电阻，绝缘材质密封容器的顶部设置有顶盖，自顶盖向密封容器内腔延伸有一与绝缘支架的滑动拉杆相连的顶盖螺钉；在绝缘材质密封容器的侧壁上开有与冲击电压发生器芯体相连的充电输入端、升压电路输出端和接地端的穿孔；在绝缘材质密封容器底部侧壁设有气孔。该冲击电压发生器能产生波前时间小于10ns、电压峰值在10～100KV内连续可调、波形时间参数也调整方便的冲击高电压。
文档编号H02M9/00GK102158116SQ20111002297
公开日2011年8月17日 申请日期2011年1月20日 优先权日2011年1月20日
发明者常家森, 张乔根, 邱爱慈 申请人:西安交通大学