一种与触发真空开关配套使用的高温触发源的制作方法

本发明属于大功率脉冲技术领域，更具体地，涉及一种与触发真空开关配套使用的高温触发源。

背景技术：

在石油工业中，由于非溶性盐类沉积等原因，渗油通道通常会堵塞，产油量下降。脉冲放电技术作为石油增产中的一项新兴技术，利用液电效应的力作用，在充满水或油水混合物的油井里产生脉冲大电流，对地层激发周期性冲击波，使地层形成微裂缝，解除油层的堵塞污染，达到解堵增产的目的；触发真空开关(triggeredvacuumswitch)，是将真空开关技术和三电极火花隙技术相结合而发展起来的一种新型开关器件，其特点是利用真空作为主触头间的绝缘和灭弧介质，并采用特殊设计的触发极来控制开关进行快速闭合。作为油井下脉冲放电回路的主放电开关，触发真空开关具有工作电压范围宽、通流能力强、触发简单、介质恢复迅速、结构紧凑、工作可靠性高、价格低廉和维护简单等优点，应用前景广阔。

触发真空开关应用于油井环境中存在如下技术问题：已有的触发源回路中控制放电的开关是晶闸管，但是油井下的工作温度达到120℃，大功率半导体在高温环境下不能可靠工作。

技术实现要素：

针对现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种与触发真空开关配套使用的高温触发源，旨在解决现有技术中的触发源不能工作在120℃的高温环境中的问题。

本发明提供了一种与触发真空开关配套使用的高温触发源，包括：依次连接的继电器触发模块、火花间隙触发模块和真空开关触发模块；所述继电器触发模块用于测量主回路电压且控制继电器闭合；火花间隙触发模块用于触发火花间隙并使之导通，所述真空开关触发模块的输出端用于连接主回路，真空开关触发模块用于对触发真空开关放电且使之导通；工作时，通过所述继电器触发模块测量主回路的电压的大小，当主回路电压达到预定值时，继电器触发模块控制继电器闭合；当继电器闭合后火花间隙触发模块经过继电器的开关触头放电进而触发导通火花间隙；当火花间隙导通后，真空开关触发模块对真空触发开关触发极放电使之导通，进而使得主回路放电。

本发明中高温触发源中各个部件全部由耐高温器件组成，具有通过小电流低电压器件控制，高电压大电流回路的开断和能在高温环境下实现电路的闭环控制的优点，填补了高温环境下触发真空开关应用的空缺。

更进一步地，继电器触发模块包括：分压臂，测量单元，脉冲变压器t，触发单元以及继电器k；所述分压臂包括依次串联连接的电阻r1和电阻r2，所述电阻r1的非串联连接端和所述电阻r2的非串联连接端分别连接在主回路中待测电压的两点，电阻r1与所述电阻r2的串联连接端连接至所述测量单元的输入端，测量单元的输出端连接至所述脉冲变压器t的原方，所述脉冲变压器t的副方连接至所述触发单元的输入端，触发单元的输出端连接至所述继电器k的驱动线圈两端，所述继电器k的开关触头u2作为所述继电器触发模块的输出端连接至所述火花间隙触发模块的输入端。其中，由电阻r1、r2组成的分压臂用于将需测量的电压按比例缩小成低压元器件可测量的电压；测量单元的作用是测量输入电压的大小，并且当输入电压大于预设电压值时，输出触发信号；变压器t的作用是在主回路导通时隔离测量单元与触发单元之间的电位；触发单元的作用是在接收到来自测量单元的触发信号后，控制继电器闭合；继电器的作用是控制下一级电路的更大电流的回路闭合。

更进一步地，脉冲变压器t的磁芯为铁基非晶材料。

更进一步地，脉冲变压器t的原、副方之间的电位相互隔离，且所述脉冲变压器t两端的隔离电位不低于主回路的工作电压。

更进一步地，继电器k的工作温度不低于120℃。

更进一步地，测量单元包括：单片机mcu1、电阻r3、三极管j1、三极管j2和电容c1；所述单片机mcu1的输入端作为所述测量单元的输入端，所述电阻r3的一端连接至所述单片机mcu1的输出端，所述电阻r3的另一端连接至所述三极管j1的基极和所述三极管j2的基极，所述三极管j1的集电极连接至电源vdd，所述三极管j1的发射极连接至所述三极管j2的发射极，所述三极管j2的集电极接地，所述电容c1的一端连接至所述三极管j1的发射极，所述电容c1的另一端作为所述测量单元的输出端。

更进一步地，触发单元包括：二极管d1、二极管d2、单片机mcu2、电阻r4、电阻r5、电阻r6，三极管j3、三极管j4和三极管j5；二极管d1的阳极作为触发单元的输入端，单片机mcu2的输入端连接至二极管d1的阴极；二极管d2的阴极连接至单片机mcu2的输入端，二极管d2的阳极接地；电阻r4的一端连接至单片机mcu2的输出端，所述电阻r4的另一端连接至三极管j3的基极和三极管j4的基极，所述三极管j3的集电极连接至电源vdd，三极管j3的发射极连接至三极管j4的发射极，三极管j4的集电极接地；电阻r5的一端连接至三极管j3的发射极，电阻r5的另一端连接至三极管j5的基极，三极管j5的发射极接地，电阻r6的一端连接至三极管j5的集电极，电阻r6的另一端作为触发单元的输出端。

更进一步地，火花间隙触发模块包括：储能电容c2，限流电阻r7和火花间隙gap；储能电容c2的一端作为所述火花间隙触发模块的输入端，储能电容c2的另一端连接至火花间隙gap的一端，火花间隙gap的另一端作为火花间隙触发模块的输出端；限流电阻r7的一端接地，限流电阻r7的另一端连接至火花间隙gap的一端。其中，储能电容c2在充电后提供火花间隙触发的能量，电阻r7在电容c2放电时起到限流的作用，防通流量过大损坏电容c2，火花间隙gap的作用是在触发后，及时导通，使得下一级触发回路导通。

更进一步地，真空开关触发模块包括：电容c3、电容c4，电阻r9、电阻r8和触发真空开关tvs；所述电容c3与所述电阻r8并联后的一端和所述电容c4与所述电阻r9并联后的一端连接并作为所述真空开关触发模块的输入端，所述电容c3与所述电阻r8并联后的另一端和所述电容c4与所述电阻r9并联后的另一端分别连接在所述触发真空开关tvs的两端；所述触发真空开关tvs的主电极作为所述真空开关触发模块的输出端。在触发真空开关的时，电容c4通过火花间隙对触发真空开关触发极放电；另外电容c3，c4，电阻r3，r4的作用是决定充电后电容c4的电压；触发真空开关tvs的作用则是导通主回路。

通过本发明所构思的以上技术方案，与现有技术相比，由于电路采用了电容从主回路分压取能的方式，并且全部由高温器件组成，能够取得能在120℃高温环境下可靠触发真空开关的有益效果。

附图说明

图1是本发明实施例提供的与触发真空开关配套使用的高温触发源的原理框图；

图2是本发明实施例提供的与触发真空开关配套使用的高温触发源中继电器触发模块的具体电路图；

图3是本发明实施例提供的继电器触发模块中测量单元的具体电路图；

图4是本发明实施例提供的继电器触发模块中触发单元的具体电路图；

图5是本发明实施例提供的与触发真空开关配套使用的高温触发源中火花间隙触发模块的具体电路图；

图6是本发明实施例提供的与触发真空开关配套使用的高温触发源中真空开关触发模块的具体电路图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明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发明，并不用于限定本发明。

本发明提供了一种能够保证在120℃的环境下能可靠工作，并且能根据主回路充电电压的大小自动触发开关的触发源，如图1所示，触发源1包括：依次连接的继电器触发模块11、火花间隙触发模块12和真空开关触发模块13；真空开关触发模块13的输出端与主回路2连接，继电器触发模块11起到测量主回路电压并控制继电器闭合的作用；火花间隙触发模块12起到触发火花间隙并使之导通的作用；真空开关触发模块13对触发真空开关放电，使之导通；工作时，继电器触发模块测量主回路的电压的大小，当主回路电压达到预定值时，继电器触发模块控制继电器闭合。当继电器闭合后火花间隙触发模块经过继电器的开关触头放电，进而触发导通火花间隙。当火花间隙导通后，真空开关触发模块对真空触发开关触发极放电使之导通，进而使得主回路放电。该触发系统全部由耐高温器件组成，具有通过小电流低电压器件控制，高电压大电流回路的开断和能在高温环境下实现电路的闭环控制的优点，填补了高温环境下触发真空开关应用的空缺。

如图2所示，继电器触发模块11包括：一对由电阻r1、r2组成的分压臂，测量单元111，脉冲变压器t，触发单元112以及继电器k。其中分压臂的电阻r1、r2两端连接主回路中需测量电压的两点之间，r1为高压臂，r2为低压臂，电阻r2两端接到测量单元的输入端，测量单元的输出端接到脉冲变压器t的原方，脉冲变压器t的副方接到触发单元的输入端，触发单元的输出端接到继电器k的驱动线圈两端，继电器的开关触头u2连接到火花间隙触发模块。此模块中电阻r1、r2组成的分压臂的作用是，将需测量的电压按比例缩小成低压元器件可测量的电压；测量单元的作用是测量输入电压的大小，并且当输入电压大于预设电压值时，输出触发信号；变压器t的作用是在主回路导通时隔离测量单元与触发单元之间的电位；触发单元的作用是在接收到来自测量单元的触发信号后，控制继电器闭合；继电器的作用是控制下一级电路的更大电流的回路闭合。

其中电阻r1、r2应满足可在120℃高温环境下能可靠工作的条件；变压器应满足正常工作高于120℃的条件，优选地，可采用铁基非晶材料作为变压器的磁芯，并且脉冲电压器原方副方之间的电位应能相互隔离，优选地，变压器两端的隔离电位应不低于主回路的工作电压；继电器应满足工作温度不低于120℃。

如图3所示，测量单元111包括：单片机mcu1、电阻r3、三极管j1、j2和电容c1。图2所示的电阻r2两端接于单片机的模数转换端口u3；单片机的i/o口通过电阻r3接于由三极管j1、j2的基极；j1为npn三极管，j2为pnp三极管，两三极管的基极相连，射极相连，j1的集电极连接到芯片电源vdd，j2的集电极连接到共地电位vss1；三极管j1、j2的射极通过的电容c1；输出端u4连接到下一级电路，即图2所示的脉冲变压t的原方。其中mcu1的功能是测量输入电压，并将该电压与预设电压进行比较电压进行比较，并将输出触发信号；电阻r3的作用是承受压降，防止三极管输入电流过大；三极管j1、j2组成的推挽电路的功能是提高mcu1的输出功率，电容c1的作用是滤除输出信号中的直流分量。

其中单片机的正常工作温度应高于120℃，优选地，单片机的工作温度应不低于125℃；电阻r3应满足工作温度高于120℃，优选地电阻工作温度应大于150℃；三极管j1、j2的节温应不低于150℃；电容c1的工作温度应高于120℃，优选地，电容c1的耐受温度应不低于125℃。

如图4所示，触发单元112包括：二极管d1、d2，单片机mcu2，电阻r4、r5、r6，三极管j3、j4、j5。图2所示的脉冲变压器t的副方连接到触发单元的输入端即u5，二极管d1、d2反向串联在输入端；d2两端并联在单片机mcu2的模数转换输入口两端，其中d2的正极接于触发单元的共地电位vss2，d2的负极接于mcu2的模数转换输入引脚；mcu2的输出i/o口通过电阻r4连接到三极管j3、j4的基极；npn三极管j3和pnp三极管j4的基极相互连接，射极相互连接，其中j3的集电极连接到芯片电源vdd，j4的集电极连接到共地电位；j3、j4的集电极通过电阻r5连接到npn三极管j5的基极，j5的射极连接到地电位，j5的集电极连接到电阻r6，构成输出端的低压端，输出端的高压端是电源vcc；其中vdd为单片机mcu2的供电电源，vcc为继电器线圈驱动电源，vcc电压高于vdd。图中的二极管d1、d2的作用是斩除负半波，使得输入mcu2的只有正半波；图中的mcu2的作用是将受到的波形进行处理，并输出控制继电器闭合的信号；电阻r4的作用是防止进入推挽电路j3、j4的电流过大，j3、j4组成的推挽电路的作用是提高mcu2的输出功率；电阻r5的作用是防止进入三极管j5的电流过大；电阻r6的作用是与负载分压，提供合理的输出电压。

其中上述二极管d1、d2应满足可在120℃环境下工作的要求，优选地，d1、d2至少应该能在150℃的环境下工作；上述mcu2应满足可在120℃环境下工作，优选地，mcu2应能在125℃的环境下稳定工作；电阻r4、r5、r6应满足可在120℃环境下工作的要求，优选地，r4、r5、r6至少应该能在150℃的环境下工作；三极管j3、j4可耐受的节温应不低于150℃；三极管j5开断继电器线圈电流，可耐受的节温应不低于200℃。

如图5所示，火花间隙触发模块12包括：储能电容c2，限流电阻r7，火花间隙gap。其中u2处为图2所示继电器的主开关触头，电容c2电阻和火花间隙的触发极依次串联接于u2处；火花间隙gap的阴极和阳极引出接至下一模块，即真空开关触发模块。其中电容c2在充电后提供火花间隙触发的能量，电阻r7在电容c2放电时起到限流的作用，防通流量过大损坏电容c2，火花间隙gap的作用是在触发后，及时导通，使得下一级触发回路导通。

其中上述电容c2应满足可在120℃环境下稳定工作的条件，优选地，电容c2应能在150℃的环境下稳定工作；电阻r7应能在150℃的环境下稳定工作；火花间隙需满足可充气的条件，进而可以通过调节gap内部气压来调节gap的工作电压。

如图6所示，真空开关触发模块13包括：电容c3、c4，电阻r8、r9和触发真空开关tvs。电容c3与电阻r8并联，电容c4与电阻r9并联；c3、c4与触发真空开关的主电极串联；c3与c4相连的节点为输入端的一个端点，触发真空开关的触发极为输入端的另一端点，输入端连接到图5所示的火花间隙两端；触发真空开关的主电极为此模块的输出端，接于图1所示的主回路中，使之导通闭合。在触发真空开关的时，电容c4通过火花间隙对触发真空开关触发极放电；另外电容c3，c4，电阻r8，r9的作用是决定充电后电容c4的电压；触发真空开关tvs的作用则是导通主回路。

上述电容c3、c4和电阻r8、r9应满足可在高温环境下可靠工作，应满足可在120℃环境下稳定工作的条件，优选地，电容c3、c4和电阻r8、r9应能在150℃的环境下稳定工作。

与触发真空开关配套使用的高温触发源采用三级电路闭合的方式工作：在电路的充电电压达到预设值后，测量单元测通过脉冲变压器向触发模块发出触发信号；接收到信号后，触发模块控制继电器闭合；在继电器闭合后，一电容经继电器对三电极火花间隙的触发极放电；在三电极火花间隙导通之后，另一电容经三电极火花间隙对触发真空开关触发极放电，触发真空开关被触发导通。

在继电器触发模块11中，主回路中的分压臂的低压臂两端连接到测量单元，电压测量单元与触发模块之间通过变压器连接，触发模块的输出端与继电器k的驱动线圈相连，继电器的开关触头连接到火花间隙触发模块12；当回路主电容电压大于预设值时，测量单元经变压器向触发模块发出方波，触发模块接收方波后控制继电器开关触头闭合。在火花间隙触发模块12中，储能电容c2与继电器k的开关触头，限流电阻r7，火花间隙gap的触发极依次串联；当继电器闭合后电容c2经电阻r7对gap的触发极放电，使得火花间隙gap导通。在真空开关触发模块13中，电容c3与电阻r8并联，电容c4与电阻r9并联，电容c3、c4，触发真空开关的主电极依次串联，触发真空开关的触发极和火花间隙gap的主电极串联后并联在电容c3两端；电容c2、c3上的电压取决于电阻r8、r9的比值，电容c4从触发真空开关两端分得的能量将用于触发真空开关，在火花间隙gap导通之后，电容c4对触发真空开关的触发极放电使得触发真空开关导通。

本发明通过采用两电容分压和“继电器-火花间隙-触发真空开关”三级开关触发的方式避免了大功率半导体器件的使用，此触发源可在高温环境下可靠工作，并且回路能测量触发电压的大小，完成触发真空开关的自动触发。

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