一种带陡化间隙的触发真空开关触发源的制作方法

本实用新型属于高电压电工电器技术和脉冲功率技术领域，更具体地，涉及一种带陡化间隙的触发真空开关触发源。

背景技术：

触发真空开关是结合真空开关技术与三极火花隙技术而发展起来的一种新型开关器件，利用真空作为主电极的间隙绝缘介质和灭弧介质，并采用特殊设计的触发电极控制开关闭合，在脉冲功率技术领域中得到了广泛的应用。而触发真空开关的触发单元很大程度上决定了触发真空开关的工作寿命，很多情况下触发真空开关都是因为触发单元不能正常工作即触发极在接收到触发信号后开关不能正常导通，而导致开关寿命终结。

随着脉冲功率技术的发展，要求触发真空开关能在高电压、大电流下工作，且具有较长的寿命能够可靠稳定触发。触发真空开关采用的主电极结构多为平板电极或者多棒电极结构，触发极结构主要有两种：沿面击穿型和场击穿型。多棒极结构的触发真空开关由于电弧通道和燃弧面积的增加，避免了真空电弧集聚对开关主电极的烧蚀，从而大大提高了开关的通流能力；增加棒电极之间的距离可以提高开关工作电压。沿面击穿型触发真空开关在导通过程对触发能量的要求不高。

目前沿面击穿型多棒极触发真空开关的触发主要存在下列问题：(1)多棒极型触发真空开关触发单元布置于电极平台中央。由于远离了燃弧间隙，会对初始等离子体的扩散产生一定的影响，使触发变得困难，这种现象当开关工作在负极性模式下时尤为明显；(2)棒电极之间距离的增加要求开关触发源提供更高的触发能量来保证开关可靠导通；(3)沿面击穿型触发真空开关在导通过程对触发能量的要求不高，但开关关合大电流时，真空电弧所产生的金属蒸汽会不断在沿面上沉积。这将造成沿面击穿电压的下降、触发源输出能量降低，最终导致触发失效。

技术实现要素：

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本实用新型提供了一种带陡化间隙的触发真空开关触发源，由此解决现有技术中开关关合大电流时，真空电弧所产生的金属蒸汽会不断在沿面上沉积导致沿面击穿电压的下降、触发源输出能量降低，触发失效的技术问题。

为实现上述目的，按照本实用新型的一个方面，提供了一种带陡化间隙的触发真空开关触发源，包括：半波整流回路、原方储能电容、晶闸管、续流二极管、脉冲变压器、副方触发电容和陡化间隙；半波整流回路的输入端作为触发真空开关触发源的输入端；晶闸管的阳极连接至半波整流回路的输出端，晶闸管的阳极还通过原方储能电容接地；晶闸管的阴极连接至脉冲变压器的初级绕组的一端，脉冲变压器的初级绕组的另一端接地；续流二极管的阴极连接至脉冲变压器的初级绕组的一端，续流二极管的阳极接地；陡化间隙的一端连接至脉冲变压器的次级绕组的一端，陡化间隙的另一端作为触发真空开关触发源的输出端；陡化间隙的一端还通过副方触发电容接地，脉冲变压器的次级绕组的另一端接地。

触发源利用脉冲变压器产生脉冲高压输出，在脉冲变压器低压侧通过晶闸管控制原方储能电容放电，在脉冲变压器高压侧并联小容值触发电容并在电容后串联陡化间隙。通过调节陡化间隙击穿电压可以提高触发电容充电电压及储存能量，从而增加TVS触发沿面被击穿时注入到其中的触发能量。提高脉冲变压器变比并在变压器输出侧串联陡化间隙后的触发源输出能量大幅提高同时不受触发沿面金属沉积的影响，能够实现对TVS的可靠导通。

更进一步地，半波整流回路包括：升压变压器、高压硅堆和充电电阻；升压变压器的初级绕组作为所述半波整流回路的输入端，高压硅堆的阳极连接至升压变压器的次级绕组的一端，升压变压器的次级绕组的另一端接地，充电电阻的一端连接至高压硅堆的阴极，充电电阻的另一端作为半波整流回路的输出端。

更进一步地，陡化间隙可以为火花隙开关。

本实用新型提供的触发真空开关触发源，输出能量高且不受触发沿面金属沉积的影响；具有以下技术效果：

(1)触发源采用利用脉冲变压器产生脉冲高压输出，提高脉冲变压器变比可以提高触发源的输出能量。

(2)在脉冲变压器低压侧通过晶闸管控制原方储能电容放电，通过光纤由前级控制回路控制导通。

(3)在脉冲变压器高压侧并联小容值触发电容，用于储存触发能量，产生一个幅值很高、上升陡度很大的触发电流，由此产生大量初始等离子体用于开关导通。

(4)在触发电容与触发极之间串联陡化间隙，通过调节陡化间隙击穿电压可以提高触发电容充电电压及储存能量，从而增加触发真空开关触发沿面被击穿时注入到其中的触发能量。

附图说明

图1是本实用新型提供的带陡化间隙的触发真空开关触发源的结构示意图。

图2是本实用新型提供的陡化间隙的结构示意图，图2(a)中两电极火花间隙为自放电方式开关，图2(b)中为触发管型火花间隙，图2(c)、图2(d)中为场畸变型火花间隙。

图3是本实用新型提供的带陡化间隙的触发真空开关触发源中陡化间隙的结构示意图。

图4是本实用新型提供的陡化间隙为触发管型火花间隙的触发真空开关触发源的结构示意图。

在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：1为升压变压器；2为高压硅堆；3为充电电阻；4为原方储能电容；5为晶闸管；6为续流二极管；7为脉冲变压器；8为副方触发电容；9为陡化间隙；A、B为主电极；C为绝缘支撑结构；D为触发极；E为触发极外绝缘，90为触发极；91为绝缘瓷管；92、93为主电极；94为绝缘支撑结构。

具体实施方式

为了使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本实用新型进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。此外，下面所描述的本实用新型各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

本实用新型涉及一种带陡化间隙的触发真空开关的触发源，可以应用于直流耐压25kV以上的沿面击穿型多棒极触发真空开关的触发。

本实用新型的目的是为了增加主电极间隙在20mm以上直流耐压达到25kV以上的触发真空开关的寿命，抑制由于沿面金属沉积造成的触发源输出电压下降，同时提高触发源的输出能量。触发源输出能量高且不受触发沿面金属沉积的影响，能够实现对TVS的100％可靠导通。

本实用新型提供了一种带陡化间隙的触发真空开关触发源，其整个回路结构为：升压变压器1、高压硅堆2、充电电阻3构成半波整流回路，用于对脉冲变压器原方储能电容进行充电。晶闸管5作为原方储能电容4的放电控制开关。续流二极管6防止放电时脉冲变压器绕组上发生振荡。脉冲变压器7副方产生高压脉冲输出给副方触发电容8充电。在脉冲变压器7高压侧并联小容值触发电容，并在触发电容与触发真空开关触发极之间串联一个陡化间隙9。

本实用新型中，触发源采用利用脉冲变压器产生脉冲高压输出，提高脉冲变压器变比可以提高触发源的输出能量。在脉冲变压器低压侧通过晶闸管控制原方储能电容放电，通过光纤由前级控制回路控制导通。在脉冲变压器高压侧并联小容值触发电容，用于储存触发能量，产生一个幅值很高、上升陡度很大的触发电流，由此产生大量初始等离子体用于开关导通。在触发电容与触发极之间串联陡化间隙，通过调节陡化间隙击穿电压可以提高触发电容充电电压及储存能量，从而增加触发真空开关触发沿面被击穿时注入到其中的触发能量。

为了使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本实用新型进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。此外，下面所描述的本实用新型各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

如参见图1，本实施例升压变压器1经高压硅堆2、充电电阻3构成半波整流回路对原方储能电容4进行充电。原方储能电容4充电完成后，控制晶闸管5导通，原方储能电容4对脉冲变压器7的原方放电。脉冲变压器7副方产生高压脉冲输出作用于副方触发电容8上。在副方触发电容8与触发极之间串联一个陡化间隙9，当副方触发电容8上的电压低于陡化间隙击穿电压时，脉冲变压器7将持续对副方触发电容8进行充电。当副方触发电容8上的电压幅值达到陡化间隙9的击穿电压时，陡化间隙9发生击穿。陡化间隙9击穿后，脉冲变压器7副方产生的高压脉冲输出作用于触发真空开关触发沿面上，触发沿面上的电压迅速上升，触发沿面瞬间发生击穿并形成放电通道，副方触发电容8上积聚的电荷通过沿面上的放电通道迅速释放，沿面上将流过一个幅值很高、上升陡度很大的放电电流，由此产生大量初始等离子体扩散到触发真空开关的主电极间隙用于开关导通。

在本发明实施例中，对于触发回路中所加入的陡化间隙，可以选取为火花隙开关。主要考虑到火花隙开关自身结构简单，并且可以通过调节开关电极之间的距离或者内部气压来改变开关击穿电压。火花隙开关常用的四种典型结构如图2所示。

图2(a)所示为两电极火花间隙为自放电方式开关，当开关两端电压达到间隙距离的击穿电压时，间隙自动击穿放电；其他三种为三电极火花间隙，通过施加触发脉冲于触发极来控制间隙击穿放电。与自放电间隙相比，由于设置有触发电极，开关的工作稳定性更高并且有着更低的放电时延。图2(b)中为触发管型火花间隙，其优点在于工作电压范围宽，具有良好的触发特性，很宽的触发范围以及相对简单的结构。而图2(c)、图2(d)所示为场畸变型火花间隙，其触发机理在于通过触发电极电位的变化使主电极间电场发生畸变。主电极间电场增强部分间隙先发生击穿，进而导致整个间隙发生击穿。通常场畸变型火花间隙触发电压相对较高且有着更高的触发能量要求。因此TVS触发回路中所采用的陡化间隙选择图2(b)所示的三电极触发管型结构。

图3所示为实际所使用陡化间隙的结构示意图，图中90为触发极，置于主电极92中央，并通过绝缘瓷管91与主电极92保持绝缘。主电极92、93均采用半球结构，电极材料选用无氧铜，电极之间间距数毫米。94为绝缘支撑结构，采用波纹状陶瓷管壳。间隙内部充入气体，调节气压至合适范围。

由于所选取陡化间隙为三电极触发管型结构，间隙导通时需要对触发极施加电脉冲。因此陡化间隙击穿时刻需要与触发回路原方晶闸管的导通时刻在放电时序上进行配合，这会使整个触发回路变得很复杂。为了避免放电时序配合的问题，同时简化陡化间隙的触发装置，将陡化间隙的触发极通过高阻抗接地，让间隙工作于自触发模式下。如图4所示，陡化间隙触发极经大电阻R₂与电容C₂低压侧相连。

触发极经R₂接地后，当脉冲变压器T₂对电容C₂充电的过程中，C₂上的电压将作用于主电极C与触发极之间的陶瓷沿面上。当C₂上的电压高于沿面闪络电压后，沿面先发生闪络放电并产生大量电子。由于接地大阻抗的电位钳制作用，主电极C(图4所示)的电位不会因为沿面的击穿而快速下降到地电位，而是随着C₂上的电压继续升高，直至主电极C、D之间发生击穿放电。由气体放电理论可知，沿面闪络放电释放的电子可以减小间隙主电极击穿的平均统计时延，实现间隙稳定流注击穿，从而减小陡化间隙开关击穿电压的分散性及减小击穿时延的抖动。

在本发明实施例中，电容器4可以选用3.0uF+10％/4KV；充电硅堆2可以采用10kV/1A高压硅堆；为了电容放电时的电流在脉冲变压器7上形成振荡，同时截断脉冲变压器的反向电压和电流，要求续流硅堆6耐压6500V；电容器8可以采用无源的续流电容，电容量为2nF/40KV，主要用来保证脉冲变压器输出电压的稳定性。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。