一种环形刀-平板电极的电晕稳定开关及其工作方法

一种环形刀
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平板电极的电晕稳定开关及其工作方法
技术领域
1.本发明属于电晕稳定开关技术领域，特别涉及一种环形刀
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平板电极的电晕稳定开关及其工作方法。


背景技术：

2.近年来，重复频率脉冲功率技术在生物医学、流动控制、辅助燃烧、环境治理等工业应用领域展示出的巨大的发展潜力。应用领域的拓展和技术参数需求的提高牵引着重复频率脉冲功率系统的电路理论及器件水平快速发展。开关器件决定着重复频率脉冲功率系统的工作参数和性能，是系统的核心部件与关键技术瓶颈。电晕稳定开关器件具有工作电压高、通流能力强、电压电流上升速率快、结构简单等高气压气体开关的独特优点，同时利用强电负性气体sf6中极不均匀电场间隙击穿的电晕稳定化作用提高开关的重复频率工作上限。因而是一种具有潜力的高重复频率开关元件，在对工作电压、功率和重复频率具有较高要求的工业场合中具有广阔应用前景。
3.现有的电晕稳定开关为获得击穿的稳定化作用以提高其重复频率工作上限，通常使用极不均匀电场间隙的电极结构配置，例如单针
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平板/单棒
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平板。使用单棒/针
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平板电极配置的开关在工程应用中存在电晕稳定化作用较弱的问题，此类开关通过利用电晕稳定化作用改善开关重复频率工作性能的效果仍有待提升。此外，开关重复频率运行过程中，大曲率高压电极在多次重复击穿过程中易出现严重烧蚀，烧蚀将会劣化金属电极表面形貌特征及粗糙程度，进而对高压电极周围空间电场分布特性产生影响，这一效应致使脉冲功率电源系统输出的重复电压脉冲的一致性变差，且开关寿命也将因此大幅缩短。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于提供一种环形刀
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平板电极的电晕稳定开关及其工作方法，解决现有电晕稳定开关电晕稳定化作用较弱，以及电极烧蚀严重所导致的重复频率工作性能下降和开关寿命大幅缩短的问题，
5.本发明是通过以下技术方案来实现：
6.一种环形刀
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平板电极的电晕稳定开关，包括开关腔体、腔体底盖、环形刀状高压电极、高压辅助电极以及平板地电极；
7.腔体底盖盖设在开关腔体下部，形成中空的密封腔体；环形刀状高压电极设置在开关腔体的顶部，高压辅助电极设置在环形刀状高压电极内，平板地电极设置在腔体底盖上，环形刀状高压电极和平板地电极相对设置；
8.环形刀状高压电极包括底座和与底座连接的刀状电极，刀状电极的下端为尖端；
9.高压辅助电极包括连杆和圆盘电极，连杆一端与底座连接，另一端与圆盘电极连接，圆盘电极的边缘加工为刀状。
10.进一步，刀状电极的尖端的锥角≤60
°
11.进一步，在开关腔体的侧壁上开有用于充入或排放工作气体的气孔，气孔内装有
密封装置。
12.进一步，圆盘电极的下表面与刀状电极的最下端在同一水平面。
13.进一步，开关腔体和腔体底盖由透明有机玻璃材质制成，环形刀状高压电极、高压辅助电极及平板地电极均由金属材料制成。
14.进一步，在开关腔体顶壁上加工有用于固定安装环形刀状高压电极的凹槽，在腔体底盖上加工有用于固定平板地电极的凹槽。
15.进一步，底座的下表面开有用于固定安装高压辅助电极的螺纹孔。
16.进一步，开关腔体为中空的圆筒，腔体底盖为圆盘。
17.进一步，开关腔体和腔体底盖采用尼龙紧固螺栓固定连接。
18.本发明公开了所述环形刀
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平板电极的电晕稳定开关的工作方法，包括以下过程：
19.向环形刀状高压电极施加外部电压，刀状电极尖端周围的电场强度增大，当刀状电极尖端附近的电场强度增大至工作气体临界击穿场强时，沿刀状电极周围出现电晕放电；
20.同时，高压辅助电极具有和刀状电极相同的电位，在高压辅助电极的刀状边缘上出现电晕放电；
21.高压辅助电极产生的电晕空间电荷加强了刀状高压电极尖端的电晕放电活动强度，增强了电晕稳定化作用。
22.与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：
23.本发明公开了一种环形刀
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平板电极的电晕稳定开关，包括开关腔体、腔体底盖、环形刀状高压电极、高压辅助电极以及平板地电极；高压辅助电极设置在环形刀状高压电极内，环形刀状高压电极包括底座和与底座连接的刀状电极，刀状电极的下端为尖端；高压辅助电极包括连杆和圆盘电极，圆盘电极的边缘加工为刀状；环形刀状高压电极和高压辅助电极形成高压电极部分。当外施电压施加在环形刀状高压电极上，刀状电极尖端周围的电场强度迅速增大，由于电极间隙中的电场呈极不均匀分布，空间各处的电场强度随该位置与刀电极尖端距离的增加而快速衰减。当刀状电极尖端附近的电场强度增大至临界击穿场强时，刀状电极周围将会出现电晕放电，由于刀电极尖端在结构上的连续性，将会沿环形刀状高压电极出现一个环形的均匀电晕层。与此同时，高压辅助电极具有和环形刀状高压电极相同的电位，且由于高压辅助电极的边缘同样使用了刀状的结构设计，使得辅助电极的刀状边缘位置的空间电场强度分布也呈现极不均匀特征。因此，在高压辅助电极的刀状边缘上同样处出现上述电晕放电活动，高压辅助电极产生的电晕空间电荷加强了刀状高压电极尖端的电晕放电活动强度，进一步增强了电晕稳定化作用。本发明通过使用环形刀状高压电极作为开关的高压电极，在增强电晕稳定化作用的前提下能够大幅降低因高压电极烧蚀所带来的开关重复频率工作性能劣化，并显著提升开关的工作寿命。此外，通过在高压电极中引入一种平板刀状辅助结构的高压辅助电极，能够增强开关击穿过程中的电晕放电活动的强度，进一步加强高压电极周围的电晕稳定化作用及其对开关绝缘恢复性能的改善效果。
24.进一步，刀状电极的尖端的锥角≤60
°
，其目的是增加电极间隙中空间电场分布的不均匀程度，以便产生更加强烈的空间电晕放电活动和更优的电晕稳定化作用。
附图说明
25.图1是本发明整体结构示意图；
26.图2是本发明的环形刀状高压电极的立体结构示意图；
27.图3为图2的截面图；
28.图4为本发明的高压辅助电极的结构示意图。
29.其中：1为开关腔体；2为腔体底盖；3为气孔；4为环形刀状高压电极；5为高压辅助电极；6为平板地电极；
30.41为底座，42为刀状电极；
31.51为连杆，52为圆盘电极。
具体实施方式
32.下面结合具体的实施例对本发明做进一步的详细说明，所述是对本发明的解释而不是限定。
33.如图1所示，本发明公开了一种环形刀
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平板电极的电晕稳定开关，包括开关腔体1、腔体底盖2、环形刀状高压电极4、高压辅助电极5以及平板地电极6。
34.开关腔体1为中空圆筒，由有机玻璃绝缘材质制成。开关腔体1侧壁上加工有标准气孔3。开关腔体1的内部上侧留有与环形刀状高压电极4贴合的凹槽，用以安装环形刀状高压电极4，凹槽圆心位置留有过孔。
35.环形刀状高压电极4由常用的金属材料制成，金属材料可选用黄铜、不锈钢、铜钨、铝等。
36.如图2
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3所示，环形刀状高压电极4包括底座41和与底座41连接的刀状电极42，刀状电极42的下端为尖端，刀状电极42为一个金属材质圆筒，刀状电极42上端加工有螺纹，下侧倒圆角加工成尖角。底座41下表面圆心位置处留有内螺纹孔，用于安装高压辅助电极5。
37.环形刀状电极42的尖端的锥角α≤60
°
。
38.高压辅助电极5是由与环形刀状高压电极4相同的金属材质制成，如图3所示，高压辅助电极5包括连杆51和圆盘电极52，连杆51一端与底座41连接，另一端与圆盘电极52连接；连杆51上侧加工有外螺纹，圆盘电极52下侧为光滑平面，圆盘电极52上边缘倒圆角，下边缘加工成具有一定锥角(β≤60
°
)的刀状。
39.将高压辅助电极5通过螺纹紧固在环形刀状高压电极4上。高压辅助电极5的最大半径不超过圆环形刀状高压电极4的内半径大小。安装完成后应确保辅助高压辅助电极5的下表面与环形刀状高压电极4最下端在同一个水平面内。
40.将环形刀状高压电极4嵌入开关腔体1上壁的凹槽中，其上表面紧贴开关腔体1的上壁凹槽，并压紧密封圈。环形刀状高压电极4上方的圆柱状连杆穿过开关腔体1上壁圆心位置的圆形通孔，在开关腔体1上壁外侧使用紧固螺母与环形刀状高压电极4的底座41螺纹连接，使得环形刀状高压电极4与开关腔体1的上壁凹槽紧密贴合。
41.至此，高压电极部分安装完成。
42.腔体底盖2使用和开关腔体1相同的材质，加工成圆盘形状。腔体底盖上表面加工有一个圆形凹槽，用于放置平板地电极6。
43.平板地电极6使用与环形刀状高压电极4相同的金属材质，加工成圆盘形状。其上
表面为光滑平面，下表面加工成带有螺纹的圆柱状连杆，如图1所示。安装时将平板地电极6下表面与腔体底盖2的凹槽上表面的紧密贴合，并压紧密封圈。平板地电极6下表面的圆柱状连杆通过腔体底盖2圆心位置处的圆形通孔穿过腔体底盖2。在腔体底盖2下侧使用紧固螺母与平板地电极6的下侧连杆螺纹配合，使得平板地电极6与腔体底盖2的凹槽紧密贴合。
44.至此，地电极部分安装完成。
45.将开关腔体1和腔体底盖2通过尼龙螺钉紧固。通过气孔3将开关内部空气抽出，之后向开关腔体1内通入诸如sf6气体，当开关腔体1内部气压达到设定数值时，封闭气孔3。确保开关腔体1具有良好的气体密封性，满足漏气速率<10
‑8pa
·
l/s。
46.至此，开关安装工作全部完成。
47.开关工作过程中，外部电压通过高压导线施加在环形刀状高压电极4的圆柱状连杆上。此外，还应在高压电极端采用必要的电晕抑制手段，比如在容易出现电场强度集中的结构位置处增设均压环或戴均压球，防止开关腔体1外出出现电晕放电。
48.工作原理和过程：
49.开关正常工作时，当外施电压施加在环形刀状高压电极4上，其刀状尖端周围的电场强度迅速增大，由于电极间隙中的电场呈极不均匀分布，空间各处的电场强度随该位置与刀状尖端距离的增加而快速衰减。当刀状尖端附近的电场强度增大至sf6临界击穿场强时，刀状尖端周围将会出现电晕放电。由于环形刀状高压电极的尖端在结构上呈现出连续的特征，因此，将会沿环形刀状高压电极出现一个均匀的电晕环。
50.与此同时，高压辅助电极5具有和环形刀状高压电极4相同的电位，且由于高压辅助电极5的下边缘同样使用了刀状的结构设计，使得高压辅助电极5的刀状尖端位置的空间电场强度分布也呈现极不均匀特征。因此，在高压辅助电极5的刀状边缘上同样处出现电晕放电。高压辅助电极5产生的电晕空间电荷加强了环形刀状高压电极4的电晕放电活动强度，进一步增强了电晕稳定化作用。
51.由于高压辅助电极5对环形刀状高压电极4的电晕放电增强效果，开关工作过程中的电晕稳定化作用因此得以强化。在重复频率击穿过程中，更强的电晕稳定化作用能够使开关在其工作介质绝缘强度尚未完全恢复时，后续外施电压作用下的过早击穿变得更加困难，从而为开关工作介质绝缘强度恢复争取更多时间，相当于加速了开关在重复频率击穿过程中的绝缘强度恢复速率，提高了开关的重复频率工作上限。
52.此外，由于使用了环形刀状高压电极4，因此相对于平板地电极6来说，高压电极部分可以近似看作一个环形电极，高压电极刀状尖端的环形平面与平板地电极6严格平行，则环形刀状高压电极4可以看作由无数个高压电晕电极组成，每一个电晕电极距离平板地电极6的距离相等。因此，外施电压作用下能够在环形电极前端产生大范围的均匀电晕空间电荷，对刀电极形成良好屏蔽。另一方面，由于环形刀状高压电极4的环形刀状尖端上每一点距离平板地电极6距离相等，因此在开关高重复频率工作过程中，击穿通道有可能从环形刀状尖端任意位置起始并发展，这使得开关在多次重复频率击穿过程中击穿通道能够均匀分布在圆环状空间位置上，避免了在使用单个棒或针电极开关的情形中，多次重复频率击穿的放电通道总是沿着高曲率电极尖端发展，从而造成高曲率电极尖端严重烧蚀的问题。
53.本发明提出的环形刀
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平板电极的高重复频率电晕稳定开关能够显著提高开关重复频率工作过程中电晕稳定化作用的强度，进一步提升开关的重复频率工作上限。此外，这
一新型结构还能够改善高压电极在重复频率击穿过程中，击穿位置过于集中的缺陷。通过将击穿位置均匀的分散在环状区域内，能够有效避免击穿总是从少数固定位置发展，显著缓解电极的烧蚀，从而提高了开关重复频率工作的稳定性，并大幅提升开关的工作寿命。