一种用于交直流高压的高速机械开关的制作方法

本实用新型涉及一种用于交直流高压的高速机械开关，并且具有隔离和单刀双掷的功能，属于高压电气领域的交直流高速机械开关。

背景技术：

高电压技术的发展始于20世纪初期，至今已成为电工学科的一个重要分支。而我国也已成为世界上交、直流输电电压最高，输电容量最大、送电距离最远的输电大国，国内还有多个完善的高压研究基地。

等离子体研究领域和高能物理研究领域都需要运用到高电压技术，特别是超级电容的充放电控制以及静电加速器中倍压电路的初级电源供电控制需要高速开关，高速开关既可以满足实验的需要，也能有效保护前级充电电路。目前，主要使用的开关是干簧管继电器和各种晶体管，干簧管继电器在高压直流控制方面效果很好，但是在高压交流方面并不能正常工作，因为交流电自带的交变磁场会干扰干簧管的关闭，并且干簧管关断时，因为磁场控制线圈存在剩磁，所以关断速度较慢。而在晶体管方面，为了导通交流电需要采用昂贵的双向晶闸管，晶闸管自身需要复杂的保护电路和控制电路，成本较高，另外晶闸管主要是通过大电流，在功率恒定的情况下，工作电压一般在10KV以内。另外干簧管继电器和晶体管结构复杂、价格昂贵，如果损坏将没有维修价值，所以成本升高。

目前市面上可用于交直流0～20KV的高速机械开关几乎是空白的，关于交直流高压高速机械开关方面的专利：

(1)公告号为CN103219170B的中国专利中性束注入高压电源输出机械保护开关，该发明可以在100KV电气隔离保障下使用，但是因为使用的是推力电机控制开关的开闭，这会存在开关无法在毫秒量级高速开闭的问题，并且使用继电器控制推力电机，导致在强磁场环境下，继电器将无法正常工作，继而开关无法正常工作。在100KV高压环境下工作时，电极表面也忽略了防尘功能，尘埃在电极表面的附着会导致污闪和沿面击穿。

(2)公告号为CN105529207B的中国专利一种电磁式高压隔离开关，该发明可以实现远程控制和高压隔离，但是这种结构会导致电场畸形，不适合较高电压下使用，特别是强磁场环境下使用，并且该开关功能较为简单，不能实现复杂电路中单刀双掷的需要。

(3)公告号为CN106449250A的中国专利单刀双掷开关的手动控制机构及其手动单，该发明公开了一种在低压环境下使用的手工单刀双掷开关，该开关设计原理简单，但是存在严重的机械磨损问题。

综上所述，能够在0～20KV交直流环境下高速开闭、体积较小、可模块化拆卸并且在 20KV交直流电压下实现防尘和适合复杂电路需要的的机械开关目前基本还是空白。

技术实现要素：

本实用新型要解决的技术问题为：为了克服现有技术存在的不足，本实用新型提供一种用于交直流高压的高速机械开关。

本实用新型采用的技术方案为：一种用于交直流高压的高速机械开关，包括双头气缸组件、动电极组件、静电极组件、固定件、导线和平面校准板；所述的双头气缸组件、静电极组件通过固定件固定于平面校准板上，并且双头气缸组件、动电极组件、静电极组件的中心对称轴是共线的；

所述的双头气缸组件包括导气管和伸缩方向相反的第一活塞杆和第二活塞杆；

所述的动电极组件包括十字型公插头、第一校准导向管、第一绝缘螺母、活塞杆连接孔和第一导线孔，活塞杆连接孔位于第一校准导向管的一端，第一绝缘螺母和十字型公插头位于第一校准导向管的另一端；

所述的静电极组件包括第二校准导向管、第三校准导向管、绝缘环、T字型母插口、第二绝缘螺母、第一弹簧、校准导向管封盖和中空管，并且构成同轴结构；

所述的活塞杆与动电极组件连接，并且实现推动动电极组件做一维运动；

所述的动电极组件在一维运动中实现和静电极组件接触连接和自由分离；

所述的导线和动电极组件、静电极组件之间是可插拔的连接方式。

所述的第一活塞杆和第二活塞杆一维运动结束时，一个活塞杆连接的动电极组件与静电极组件接触连接，另一个活塞杆连接的动电极组件与静电极组件处于连接断开状态；

所述双头气缸的活塞杆与动电极组件的连接方式是可拆卸的，并且连接处构成电绝缘。

所述的绝缘环、T字型母插口、第二绝缘螺母位于第三校准导向管的一端，第三校准导向管的另一端与第一弹簧的一端连接，第一弹簧的另一端与校准导向管封盖连接，中空管位于第一弹簧和校准导向管封盖内部，并且中空管一端与第三校准导向管靠近第一弹簧的一端构成可拆卸式连接，其中中空管是绝缘体；

所述的导线可以依次穿过中空管和第三校准导向管，与T字型母插口的一端构成插拔式连接。

所述的十字型公插头、T字型母插口和导线为良导体，并且三者之间的连接方式是快速插接；

所述的第一校准导向管、第三校准导向管的圆柱外直径等于第二校准导向管的圆柱内直径，第一校准导向管、第三校准导向管在第二校准导向管内一维滑动；

所述的第一校准导向管、第二校准导向管和第三校准导向管为绝缘体。

所述的第一弹簧位于静电极组件中，在拉伸和压缩时，第一弹簧的形变数值远远小于活塞杆的位移数值。

所述的双头气缸组件、静电极组件通过固定件固定于平面校准板上，在正常工作中，固定件每个连接面都是紧紧连接。

所述的双头气缸组件为无磁高速气缸，并且气缸密封性良好。

所述的动电极组件中的第一校准导向管和静电极组件中的第二校准导向管在开关开闭状态下，均处于同轴心的面接触状态；

所述的动电极组件中的十字型公插头在开关开闭状态下，均处于静电极组件中的第二校准导向管内部。

所述的动电极组件中的第一导线孔位于第一校准导线管的圆柱侧面；

所述的动电极组件中的第一导线孔在开关开闭状态下，均处于静电极组件中的第二校准导向管外部。

本实用新型的优点在于：

(1)本实用新型中机械开关的开闭是通过双头气缸组件中活塞推杆的一维运动实现的，高速气缸的周期可以控制在毫秒量级，另外双头气缸拥有两个活塞杆，所以一个气缸可以实现两个机械开关的毫秒量级控制，通过连接导线就可以实现单刀双掷开关的功能，以便应用于较复杂的电路中。

(2)本实用新型为了适合在强磁场环境下使用，避免高电压对于弱电影响，采用的是无磁高速气缸，气缸和高压气体成本较低，例如高压空气、高压二氧化碳。

(3)本实用新型是模块化设计，方便拆卸组装和维修，其中第一校准导向管、第三校准导向管、第二校准导向管不仅在导向方面保证了整个开关各个组件中轴线的准直性，也将动电极组件和静电极组件的接触点保持在了第一校准导向管、第三校准导向管之间的第二校准导向管空间内，可以较好的防尘。

(4)本实用新型如果在低电压低功率情况下使用，第一校准导向管、第三校准导向管、第二校准导向管可以采用透明绝缘材料(例如亚克力有机玻璃)，方便直观的观察。

(5)本实用新型中静电极组件内的第一弹簧可以有效减弱高速开关存在的机械撞击和磨损。

(6)本实用新型中的双头气缸通过控制气压高低实现高速和低速开闭，以便应用于高电压低速机械开关领域。

(7)本实用新型中十字型公插头、T字型母插口和导线之间的连接方式是快速插接，并且香蕉插头插接结构不仅能够有效防止电场畸变，也增大了加工时所需的公差数值，易于加工；

(8)本实用新型中的平面校准板既可以校准实现快速拼装，电气性能又是绝缘体，可以实现高压电气的隔离。

(9)本实用新型在标准大气压下，可以提供0～20KV交直流低功率电路的高低速机械开关开闭功能。

附图说明

图1是本实用新型一种用于交直流高压的高速机械开关的剖面图；

图2是本实用新型一种用于交直流高压的高速机械开关的结构示意图；

图3是本实用新型中去除第二校准导向管后的静电极组件截面示意图；

图4是本实用新型中动电极组件的截面示意图；

图5是本实用新型中香蕉插头导线的结构示意图；

图6是本实用新型中固定件的结构示意图；

图中：1.双头气缸组件；101.第一活塞杆；102.第二活塞杆；2.动电极组件；201.十字型公插头；202.第一绝缘螺母；203.活塞杆连接孔；204.第一导线孔；205.第一校准导向管；3. 静电极组件；301.绝缘环；302.T字型母插口303.第二绝缘螺母；304.第一弹簧；305.校准导向管封盖；306.中空管；307.第三校准导向管；308.第二校准导向管；4.第二弹簧；501.第一导气管；502.第二导气管；6.固定件；601.第一螺丝孔；602.第二螺丝孔；701.第一香蕉插头导线；702.第二香蕉插头导线；8.平面校准板。

具体实施方式

下面结合附图和具体施例对本实用新型进行说明：

如图1-2所示，本实用新型一种用于交直流高压的高速机械开关，包括双头气缸组件1、动电极组件2、静电极组件3、固定件6、导线701、702和平面校准板8；双头气缸组件1、静电极组件3通过固定件6固定于平面校准板8上，并且双头气缸组件1、动电极组件2、静电极组件3的中心对称轴是共线的；双头气缸组件1包括第一导气管501、第二导气管502 和伸缩方向相反的第一活塞杆101和第二活塞杆102；双头气缸的活塞杆101、102与动电极组件2的连接方式是可拆卸的，并且连接处构成电绝缘。双头气缸组件1选用的是密封性良好的无磁高速气缸。第一活塞杆101、第二活塞杆102与动电极组件2连接，并且实现推动动电极组件2做一维运动。其中，第一活塞杆101和第二活塞杆102一维运动结束时，一个活塞杆连接的动电极组件2和静电极组件3接触连接，另一个活塞杆连接的动电极组件2和静电极组件3处于连接断开状态；

如图2-5所示，动电极组件2包括十字型公插头201、第一校准导向管205、第一绝缘螺母、活塞杆连接孔203和第一导线孔204，活塞杆连接孔203位于第一校准导向管205的一端，第一绝缘螺母和十字型公插头201位于第一校准导向管205的另一端；而静电极组件 3包括第二校准导向管308、第三校准导向管307、绝缘环301、T字型母插口302、第二绝缘螺母303、第一弹簧304、校准导向管封盖305和中空管306，并且构成同轴结构。

在正常使用中，动电极组件2在一维运动中实现和静电极组件3接触连接和自由分离；导线701、702和动电极组件2、静电极组件3之间是可插拔的连接方式。

在静电极组件3中，绝缘环301、T字型母插口302、第二绝缘螺母303位于第三校准导向管307的一端，第三校准导向管307的另一端与第一弹簧304的一端连接，第一弹簧304 的另一端与校准导向管封盖305连接，中空管306位于第一弹簧304和校准导向管封盖305 内部，并且中空管306一端与第三校准导向管307靠近第一弹簧304的一端构成可拆卸式连接，其中中空管306是绝缘体，导线702可以依次穿过中空管306和第三校准导向管307，与T字型母插口302的一端构成插拔式连接。在正常工作中，第一弹簧304位于静电极组件 3中，在拉伸和压缩时，第一弹簧304的形变量数值远远小于第一活塞杆101、第二活塞杆 102的位移数值。

动电极组件2和静电极组件3装配和配合使用时，第一校准导向管205、第三校准导向管307的圆柱外直径等于第二校准导向管308的圆柱内直径，第一校准导向管205、第三校准导向管307在第二校准导向管308内做一维滑动；动电极组件2中的第一导线孔204位于第一校准导线管205的圆柱侧面，在开关开闭状态下，第一导线孔204均处于静电极组件3 中的第二校准导向管308外部。

需要说明的是：十字型公插头201、T字型母插口302和导线701、702为良导体，并且三者之间的连接方式是快速插接；第一校准导向管205、第二校准导向管308和第三校准导向管307为绝缘体。

如图2、图6所示，双头气缸组件1、静电极组件3通过固定件6固定于平面校准板8 上，在正常工作中，固定件6每个连接面都是紧紧连接。固定件6上包括第一螺丝孔601和第二螺丝孔602，螺丝穿过第一螺丝孔601后将固定件6与平面校准板8牢牢连接；而同轴心的两个第二螺丝孔602被同一个螺栓穿过后，通过调节该螺栓的螺母，就可以实现两个同轴心第二螺丝孔602距离大小的控制。当需要固定件6和双头气缸组件1、静电极组件3紧密连接时，通过拧紧两个同轴心第二螺丝孔602中的螺栓即可，当需要固定件6和平面校准板8牢牢固定时，通过拧紧第一螺丝孔601中的螺丝即可。

具体实施步骤如下：

为了本实用新型能够正常工作，需要对本实用新型中各个模块组件进行组装，该机械开关的组装流程是多样的，本实例演示流程只代表其中一种，本行业人员均可理解其他组装流程和本演示流程具有同等效果。

组装流程的具体步骤如下：

1.取出一个固定件6并通过其第一螺丝孔601连接到平面校准板8上，然后将双头气缸组件1通过第二螺丝孔602中的螺栓牢牢固定于固定件6中，其中双头气缸组件1中的导气管501、502不遮挡同轴心的第二螺丝孔602的同轴线。

先设置第一导气管501为进气孔，第二导气管502为出气孔，导入高压气体后，第一活塞杆101收缩，第二活塞杆102伸出。

2.十字型公插头201的一端是具有弹性的香蕉插头，另一端是带插孔螺丝；将十字型公插头201的螺丝一端插入第一校准导向管205，然后在第一校准导向管205内用第一绝缘螺母202咬合十字型公插头201的螺丝端，实现十字型公插头201和第一校准导向管205的牢固连接；其中第一绝缘螺母202的最大外径小于活塞杆连接孔203，方便第一绝缘螺母202 进出第一校准导向管205内部。然后将第一香蕉插头导线701带有香蕉插头的一端穿过第一导线孔204，然后插入十字型公插头201的螺丝端的插口中，其中第一导线孔204的直径大于第一香蕉插头导线701的最大外径。

3.进一步，将组装好的动电极组件2通过活塞杆连接孔203与双头气缸组件1的第一活塞杆101和第二活塞杆102进行可拆卸连接。

4.带有绝缘环301的T字型母插口302的一端带有螺纹，将螺纹端插入第三校准导向管 307中，然后通过第二绝缘螺母303连接该螺纹，实现带有绝缘环301的T字型母插口302 和第三校准导向管307的牢牢连接，其中第三校准导向管307的另一个带通孔的端面连接第一弹簧304，该通孔实现了第二绝缘螺母303、第二香蕉插头导线702进出第三校准导向管 307，以及第三校准导向管307和中空管306的连接。

进一步，将第二香蕉插头导线702中带有香蕉插头的一端依次穿过中空管306、校准导向管封盖305和第一弹簧304，然后插入第三校准导向管307中T字型母插口302的螺纹端插口中。

进一步，第一弹簧304两个端面分别和第三校准导向管307和校准导向管封盖305可拆卸连接，并且第一弹簧304、第三校准导向管307和校准导向管封盖305是同轴心的圆柱结构；

进一步，将中空管306依次穿过校准导向管封盖305和第一弹簧304后，与第三校准导向管307带有通孔的端面实现可拆卸式连接，其中中空管306可以在校准导向管封盖305和第一弹簧304中做一维滑动。

进一步，第二校准导向管308的内径和绝缘环301、第三校准导向管307和第一弹簧304 最大外径相同，以及和校准导向管封盖305的最小外径相同，所以第二校准导向管308依次穿过绝缘环301、第三校准导向管307和第一弹簧304和校准导向管封盖305的最小外径实现可拆卸连接。

5.静电极组件3组装完毕后，将静电极组件3牢牢固定于固定件6中，此时固定件6 和静电极组件3构成一体。

6.开始移动静电极组件3，使组件3中第二校准导向管308的内径能够套住第二活塞杆 102连接的动电极组件2的第一校准导向管205；缓缓移动静电极组件3，使第二校准导向管 308和第一校准导向管205的接触面积增大，直到动电极组件2中十字型公插头201长度的 50％～90％刚刚能够插入静电极组件3中的T字型母插口302中，然后通过固定件6上的第一螺丝孔601将固定件6和平面校准板8牢固连接。

7.再次设置双头气缸组件1中的第二导气管502为进气孔，第一导气管501为出气孔，导入高压气体后，第一活塞杆101伸出，第二活塞杆102收缩。利用和上一步(第6步)相同的操作步骤，就可以实现另一个静电极组件3的成功安装。

经过以上步骤的操作，本实用新型一种用于交直流高压的高速机械开关进行了组装和调试，进一步，通过第一导气孔501和第二导气孔502交替成为进气孔和出气孔可以实现机械开关的交替开闭，开闭时间取决于高速气缸内部单位时间的进气率和出气率；在高速开关闭合时，静电极组件3中的第一弹簧304会受到动电极组件2产生的外推力而变成有压缩形变的第二弹簧4，但是第一弹簧304的形变数值远远小于第一活塞杆101、第二活塞杆102的位移数值。

组装完毕后，可以进行本实用新型的多种功能性展示：

实施例一：独立开关功能使用方法展示

将高压交直流源的一端连接到第一活塞杆101最近一侧的第一香蕉插头导线701上，再将第一活塞杆101一侧的第二香蕉插头导线702连接到该高压交直流源的负载上。此时，通过对双头气缸组件1的远程控制，在电路带电运行状态下就可以实现高压交直流源和负载之间的电气隔离和电气连接，进而实现了独立开关功能。

实施例二：单刀双掷开关功能使用方法展示

将高压交直流源的一端同时连接到第一活塞杆101和第二活塞杆102两侧的第一香蕉插头导线701上，并且将第一活塞杆101一侧的第二香蕉插头导线702连接到该高压交直流源的第一路独立负载上；最后将第二活塞杆102一侧的第二香蕉插头导线702连接到该高压交直流源的第二路路独立负载上。此时，通过对双头气缸组件1的远程控制，在电路带电运行状态下就可以实现高压交直流源和两路独立负载之间的电气隔离和电气连接，进而实现了单刀双掷开关功能。

上述仅为本实用新型的一种实施例，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做的任何修改、等同替换、改进等，均包含在本实用新型的保护范围之内。