一种耦合型多棒-平板电极电晕稳定开关及其工作方法

一种耦合型多棒
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平板电极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，特别涉及一种耦合型多棒
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平板电极电晕稳定开关及其工作方法。


背景技术：

2.电晕稳定开关是利用强电负性气体sf6中，极不均匀电场间隙击穿过程中的电晕放电活动，将高压电极周围区域(电晕层)的空间电场强度钳制在电晕起始场强水平，同时在电晕层和平板电极之间产生一个低场强区域。低场强区域的电场强度发展到足以引发间隙击穿的水平仍然需要一定的时间，这一发展过程延长了放电间隙中气体介质强度的恢复时间，迟滞了开关在其绝缘强度尚未充分恢复前的过早击穿，从而改善开关重复频率击穿过程中的绝缘恢复性能，提升开关的重复工作频率上限。
3.现有的电晕稳定开关通常采用单针
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平板这一典型电极结构配置以获得电极间隙中的极不均匀空间电场分布，进而获得击穿的电晕稳定化效果。单针
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平板电极开关在高重复频率工况下长时间运行存在针状高压电极电晕放电活动范围小，电晕稳定化作用弱的缺点，对改善开关重复工作频率上限的效果非常有限。此外，由于高压针电极放电端部通常采用极高曲率的结构设计，使得其在重复频率工作过程中击穿位置过度集中，高压针电极烧蚀严重，开关寿命较短，严重制约了开关在长期连续工作场合中的应用。
4.综上，现有的电晕稳定开关技术方案未从电晕放电耦合的角度探索多棒结构对于增强电晕稳定化效应以及改善开关重复频率工作过程中绝缘恢复性能的作用和意义。


技术实现要素：

5.本发明的目的在于提供一种耦合型多棒
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平板电极电晕稳定开关及其工作方法，解决了现有的单针
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平板电晕稳定开关重复频率工作过程中电晕稳定化作用较弱以及烧蚀严重的问题。
6.本发明是通过以下技术方案来实现：
7.一种耦合型多棒
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平板电极电晕稳定开关，包括开关腔体、腔体下盖、棒电极固定盘和平板地电极；
8.腔体下盖盖设在开关腔体下部，形成中空的密封腔体；棒电极固定盘设置在开关腔体的顶部，棒电极固定盘下表面装设多个棒状高压电极，平板地电极设置在腔体下盖的内壁，棒电极固定盘和平板地电极相对设置；
9.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。
10.进一步，开关腔体为中空的圆筒，腔体下盖为圆盘。
11.进一步，开关腔体和腔体下盖为透明有机玻璃材质，棒状高压电极、棒电极固定盘和平板地电极为黄铜材质。
12.进一步，在开关腔体顶壁上加工有用于固定安装棒电极固定盘的凹槽，凹槽中心
位置处加工有圆形通孔；在腔体下盖上加工有用于固定平板地电极的凹槽，凹槽中心位置处加工有圆形通孔。
13.进一步，棒电极固定盘的下表面加工有若干个用于固定安装棒状高压电极的螺纹孔。
14.进一步，螺纹孔总数量为个，包括一个中心螺纹孔及分层排列在中心螺纹孔外围n个正六边形上的个螺纹孔，n为总层数；
15.第n(n＝1，2，
……
n)层的螺纹孔数量为6
×
n，螺纹孔均匀布设在正六边形的边线上。
16.进一步，单个棒状高压电极与平板地电极的击穿电压u
b
，任意相邻两个螺纹孔的孔间距为d，d1≤d≤d2；
17.其中，d1＝1/6u
b
，d2＝1/2u
b
。
18.进一步，棒状高压电极的上端加工有外螺纹，下端加工为半球形。
19.进一步，开关腔体和腔体下盖采用尼龙紧固螺钉固定连接。
20.本发明还公开了所述的耦合型多棒
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平板电极的高重复频率电晕稳定开关的工作方法，包括以下过程：
21.向棒电极固定盘施加外部电压，棒状高压电极上将具有相同的电位并建立空间电场，随着外施电压幅值的增加，每一个棒状高压电极的尖端周围区域的空间电场强度急剧增加，直至超过工作气体的临界击穿电场强度，电极间隙中出现局部放电活动；
22.局部放电活动首先从棒状高压电极的尖端附近区域开始发展，并形成电晕；
23.随着外施电压幅值的增加，每个棒状高压电极前方的电晕层范围不断扩大，不同棒状高压电极所产生的稳定电晕层产生耦合关联，多个棒状高压电极的半球形电晕层连接成一个波浪形稳定电晕层。
24.与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：
25.本发明公开了一种耦合型多棒
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平板电极电晕稳定开关，包括开关腔体、腔体下盖、棒电极固定盘和平板地电极；棒电极固定盘下表面设有多个棒状高压电极，可通过在高压电极固定盘上灵活设计孔位，实现多个棒状高压电极空间位置配置的灵活调整，同时可以灵活更换棒状高压电极。多个棒状高压电极能够在击穿发展过程中建立电晕放电活动的耦合关联，其作用效果相当于在棒电极群前方空间更大范围内产生电晕层及稳定化效应。大范围稳定电晕层的作用相当于增大了高压电极的曲率半径，削弱了空间电场分布的不均匀程度，使得开关重复频率击穿过程中击穿电压远高于电晕起始电压，电晕稳定化效应得以增强。本发明可以获得相较于单针电极更加良好的电晕稳定化作用，能够进一步改善开关的绝缘恢复特性，提升其重复工作频率上限。
26.进一步，给出了螺纹孔的布设方式，可以多层设置，该布设方式可以实现可变数量棒状高压电极的电晕放电耦合，从而方便耦合型多棒
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平板电晕稳定开关中高压电极的灵活设计。
附图说明
27.图1是本发明的一种耦合型多棒
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平板电极的高重复频率电晕稳定开关的整体结构示意图；
28.图2为本发明的棒电极固定盘上的螺纹孔位布设示意图；
29.图3为本发明的单个棒状高压电极的结构示意图。
30.图4为多个棒状高压电极的电晕层耦合原理示意图。
31.其中，1为开关腔体；2为腔体下盖；3为气孔；4为棒电极固定盘；5为棒状高压电极；6为平板地电极；401为中心螺纹孔。
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，本发明公开了一种耦合型多棒
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平板电极电晕稳定开关，包括开关腔体1、腔体下盖2、棒电极固定盘4、棒状高压电极5和平板地电极6。
34.开关腔体1为中空的透明有机玻璃材质圆筒。其上侧内壁加工有用于固定棒电极固定盘4的凹槽，凹槽的高度和半径与棒电极固定盘4相同。
35.开关腔体1侧壁留有气孔3，以便向开关充入工作气体，或排除开关内的工作气体，充气或排气结束后应使用密封堵头或其他密封装置使气孔3保持密闭状态，以确保开关腔体1的密封性能。
36.棒电极固定盘4为黄铜材质，其上表面加工有带外螺纹的圆柱状连杆，安装时上表面紧贴开关腔体1的上壁凹槽，并压紧密封圈。圆柱状连杆穿过开关腔体1上侧壁中心位置处的圆形通孔，通过高压电极紧固螺母拧紧以确保开关的密封性能。
37.为实现耦合型多棒
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平板电极的电晕稳定开关在工作过程中，多个棒电极产生的放电电晕能够有效且均匀的耦合，以获得最优的电晕稳定化击穿效果，在设置多个棒电极空间位置时需确保任一棒状高压电极5与其周围棒电极的间隔距离相同且均为d。为实现这一目的，需要在棒电极固定盘4的下表面加工个棒电极固定螺纹孔，用于安装固定棒状高压电极5。
38.螺纹孔的数量和排布方式按照如下方法确定：个棒电极固定螺纹孔在棒电极固定盘4下表面分层排列，如图2所示，其中层数为n(n＝0，1，2，3，
……
，n)，其具体数值可根据实际需要(如开关尺寸)设置。
39.在棒电极固定盘4的圆心位置设置一个中心螺纹孔401，规定中心螺纹孔401为第零层(n＝0)。
40.从第一层开始(n≥1)，任一层螺纹孔的数量为6
×
n个，该层所有螺纹孔的圆心连线构成一个标准的正六边形，螺纹孔在正六边形边线上均匀排布，即第n层的正六边形每一条边线上均匀分布(1+n)个螺纹孔，具体设置方法如图2所示。
41.相邻两层正六边形对应边线的垂直距离固定为d，越靠近中心螺纹孔401，层编号n越小。
42.在已知棒状高压电极5和平板电极尺寸以及电极间距的条件下，通过仿真计算可得特定外施电压幅值下棒
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板电极间的空间电场分布。在已知开关气体介质种类(sf6)条件下，可根据工作气压p确定气体介质的临界击穿电场强度e
cr
(＝88.5/p(kv/(mm
·
mpa)))。通过比对棒电极周围区域中任意位置r处空间电场强度e(r)与气体介质临界击穿电场强度e
cr
的相对大小确定电晕活动区域(e(r)>e
cr
对应的空间位置处为电晕放电区域)。通过实验测量单个棒状高压电极5与平板地电极6的击穿电压u
b
，分别计算外施电压为(1/6)u
b
和(1/2)u
b
时棒状高压电极5周围电晕区域的最大分布半径d1和d2。棒电极固定盘4上任意相邻两个螺纹孔的孔间距为d，且有d1≤d≤d2。
43.如图3所示，棒状高压电极5采用黄铜材质制成，其上端加工为外螺纹，以便紧固在棒电极固定盘4上以及在连续重复工作条件下过度损耗后更换，下端加工成半球形，半球形尖端的半径与杆部半径相同。个棒状高压电极5应具有相同的长度及形状，通过上端外螺纹紧固在棒电极固定盘4上。
44.腔体下盖2为透明有机玻璃材质的圆盘。圆盘上侧加工有半径和高度与平板地电极6相同的凹槽，凹槽用于安装平板地电极。
45.平板地电极6为黄铜材质圆盘。其上表面加工成光滑平整的平面，其下表面加工有带外螺纹的圆柱状连杆，安装时下表面紧贴腔体下盖2的凹槽表面，并压紧密封圈，平板地电极6下表面的圆柱状连杆穿过腔体下盖2中间的圆形通孔，通过地电极紧固螺母拧紧以确保开关的密封性能。
46.为避免产生感应电势，使用尼龙紧固螺栓将开关腔体1和腔体下盖2紧固，并压紧密封圈以确保开关整体的密封性能。开关正常工作时，应在0.01～0.6mpa气压范围内具有良好的密闭性能，漏气率应<10
‑4pa
·
l/s。
47.本发明的一种耦合型多棒
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平板电极电晕稳定开关的工作原理如图4所示，当外部电压施加在棒电极固定盘4上，个棒状高压电极5上将具有相同的电位并建立空间电场。随着外施电压幅值的增加，每一个棒状高压电极5半球形尖端周围区域的空间电场强度急剧增加，直至超过sf6气体的临界击穿电场强度，电极间隙中将会出现局部放电活动。由于每个棒状高压电极5周围的电场分布均具有很高的不均匀程度，因此，局部放电活动首先从棒状电极尖端半球附近区域开始发展，并形成电晕。棒状高压电极5是典型的空间二维对称结构，因此电晕层的分布将具有明显的球形特征。
48.随着外施电压的增加，每个棒状高压电极5前方的电晕层范围不断扩大，不同棒状高压电极5所产生的稳定电晕层将会产生耦合关联，其工作原理如图4所示。个棒状高压电极5的球形电晕层将会耦合连接成一个形似波浪的稳定电晕层。波浪形电晕层具有更大的范围，其作用效果相当于增加了高压电极的表面积，大幅降低电极间隙的电场不均匀程度，使得开关在电晕稳定化作用下的击穿变得更加困难。由此进一步加大了开关电晕起始电压和击穿电压之间的差距，改善了开关的绝缘恢复性能，提升开关重复工作频率上限。