本發(fā)明屬于脈沖功率技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種兆伏低抖動(dòng)多級(jí)電暈開(kāi)關(guān)。

背景技術(shù)：

電暈開(kāi)關(guān)是一種低抖動(dòng)重頻氣體開(kāi)關(guān)。電暈開(kāi)關(guān)利用電暈穩(wěn)定原理，實(shí)現(xiàn)高頻率、低抖動(dòng)工作，被廣泛應(yīng)用于脈沖功率領(lǐng)域。場(chǎng)增強(qiáng)系數(shù)是電場(chǎng)最大值與平均值之比。根據(jù)場(chǎng)增強(qiáng)系數(shù)的大小，場(chǎng)增強(qiáng)系數(shù)為1的電場(chǎng)為均勻場(chǎng)；場(chǎng)增強(qiáng)系數(shù)介于1和4之間的電場(chǎng)為稍不均勻場(chǎng)；場(chǎng)增強(qiáng)系數(shù)大于4的電場(chǎng)為極不均勻場(chǎng)。電暈放電是極不均勻場(chǎng)中一種自持放電形式。在重頻工作條件下，電暈放電可有效抑制開(kāi)關(guān)的預(yù)擊穿，降低開(kāi)關(guān)的擊穿電壓抖動(dòng)。常見(jiàn)的電暈開(kāi)關(guān)采用“針-板”電極結(jié)構(gòu)，以形成極不均勻場(chǎng)，為電暈放電提供條件。然而，當(dāng)場(chǎng)增強(qiáng)系數(shù)過(guò)高時(shí)，電暈開(kāi)關(guān)的擊穿電壓會(huì)嚴(yán)重削減。一方面，電暈開(kāi)關(guān)受到高場(chǎng)增強(qiáng)系數(shù)的制約，另一方面，單級(jí)電暈開(kāi)關(guān)的電極間距有限。電暈開(kāi)關(guān)的擊穿電壓受限于百、十千伏水平，難以應(yīng)用于兆伏水平的脈沖功率裝置。目前，尚缺乏一種電暈開(kāi)關(guān)，在保證擊穿電壓抖動(dòng)低、工作頻率高、輸出特性良好的基礎(chǔ)上，將擊穿電壓提高到兆伏水平。

參照?qǐng)D1，2011年IEEE脈沖功率會(huì)議文集736至740頁(yè)題為“Experimental studies of a self-synchronising，multi pin-plane，corona stabilization closing switch”的文章公布了一種單級(jí)“多針-板”結(jié)構(gòu)的電暈開(kāi)關(guān)。該開(kāi)關(guān)由第一平板電極6、第二平板電極7、針電極8、絕緣子9組成。第一平板電極6、第二平板電極7、多個(gè)針電極8的材料均為銅。絕緣子9的材料為有機(jī)玻璃。針電極8位于第一平板電極6的一側(cè)，沿圓周方向均勻分布，與第二平板電極6正對(duì)，形成“多針-板”結(jié)構(gòu)。針電極8的針尖處倒角。該電暈開(kāi)關(guān)的場(chǎng)增強(qiáng)系數(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于4。依據(jù)實(shí)驗(yàn)，當(dāng)開(kāi)關(guān)間隙取2.8mm，氣壓為0.7bar時(shí)，該開(kāi)關(guān)的擊穿電壓僅為24kV。常用的電暈開(kāi)關(guān)因采用單級(jí)“針-板”結(jié)構(gòu)，其擊穿電壓受限于百、十千伏水平，難以應(yīng)用于兆伏水平的脈沖功率裝置。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為了克服常用的電暈開(kāi)關(guān)擊穿電壓受限于百、十千伏的不足，本發(fā)明提供了一種兆伏低抖動(dòng)多級(jí)電暈開(kāi)關(guān)。

本發(fā)明的技術(shù)解決方案是提供一種兆伏低抖動(dòng)多級(jí)電暈開(kāi)關(guān)，包括開(kāi)關(guān)腔體、設(shè)置在開(kāi)關(guān)腔體內(nèi)的開(kāi)關(guān)組件、充滿(mǎn)開(kāi)關(guān)腔體的絕緣氣體，其特殊之處在于：

上述開(kāi)關(guān)組件包括一個(gè)平板電極2、至少兩個(gè)刀形電極1、設(shè)置在平板電極和刀形電極之間以及相鄰刀形電極1之間的多個(gè)第二絕緣子5、用于將平板電極、刀形電極、第二絕緣子同軸固連在一起的絕緣螺桿4；

上述第二絕緣子的厚度均相同；

上述刀形電極1包括：結(jié)構(gòu)與平板電極相同的平板11、設(shè)置在平板11其中一個(gè)側(cè)面的環(huán)狀刀刃12；

上述平板電極位于開(kāi)關(guān)組件的一側(cè)，所有刀形電極的環(huán)狀刀刃均朝向平板電極。

本發(fā)明的開(kāi)關(guān)還包括設(shè)置在平板電極2與螺桿之間以及刀形電極1與螺桿之間的第一絕緣子3；上述第一絕緣子與平板電極的厚度相同，其外徑與第二絕緣子5的外徑相同。

為了可以自由調(diào)節(jié)電極間隙距離，上述第一絕緣子3與平板電極2以及刀形電極之間膠結(jié)方式連接；上述第一絕緣子與螺桿之間螺紋方式連接；第二絕緣子5和螺桿4螺紋連接。

為了確保擊穿電壓抖動(dòng)較低，上述環(huán)狀刀刃的刀尖倒圓。

上述刀尖倒圓的半徑為1mm。

為了避免滑閃，上述第二絕緣子5的圓周側(cè)面設(shè)置有凹槽。

上述刀形電極1、平板電極2的材料采用304不銹鋼；所述螺桿4、第一絕緣子3、第二絕緣子5的材料采用MC尼龍或聚酰亞胺。

上述絕緣氣體為六氟化硫氣體。

本發(fā)明的有益效果是：

1、電極刀刃的尖端倒圓，圓的半徑為1mm。經(jīng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，該形狀的電極可保證擊穿電壓抖動(dòng)較低。開(kāi)關(guān)級(jí)數(shù)和間距可調(diào)。

2、各級(jí)結(jié)構(gòu)相同，包括電極形狀和電極距離。第一絕緣子3與刀形電極1粘接，中間開(kāi)內(nèi)螺紋，與螺桿4通過(guò)螺紋連接。通過(guò)螺紋結(jié)構(gòu)可以自由調(diào)節(jié)電極間隙距離。第二絕緣子5通過(guò)螺紋與螺桿4連接，限定電極相對(duì)位置。各級(jí)的第二絕緣子5尺寸相同，使各級(jí)的電極間隙相同，即擊穿電壓相同，保證過(guò)壓間隙的電暈間隙具備較高的欠壓比，從而穩(wěn)定過(guò)壓擊穿。在第一級(jí)電暈間隙擊穿后、剩余間隙穩(wěn)定過(guò)壓擊穿的情況下，輸出脈沖前沿較快。

3、多級(jí)“刀-板”結(jié)構(gòu)的擊穿電壓相對(duì)較高。刀形電極1一側(cè)為環(huán)狀刀刃，另一側(cè)為平面。在兩個(gè)相鄰的刀形電極1之間，相對(duì)的環(huán)狀刀刃與平面構(gòu)成了“刀-板”間隙。平板電極2位于多級(jí)電暈開(kāi)關(guān)的末端。采用螺桿4將多個(gè)刀形電極1串聯(lián)，使多個(gè)電暈間隙串聯(lián)，其擊穿電壓是單級(jí)電暈間隙的數(shù)倍；將整體擊穿電壓提高至兆伏水平。

4、電暈間隙采用“刀-板”電極結(jié)構(gòu)，各電暈間隙的電極距離可調(diào)。“刀-板”結(jié)構(gòu)可以產(chǎn)生穩(wěn)定的電暈放電效果。同時(shí)，刀電極的耐燒蝕能力較強(qiáng)。通過(guò)調(diào)節(jié)電極距離，可以改變開(kāi)關(guān)的擊穿電壓。

5、該開(kāi)關(guān)的電暈間隙采用“刀-板”結(jié)構(gòu)，降低了電場(chǎng)增強(qiáng)系數(shù)，提高了電暈間隙的擊穿電壓。

6、開(kāi)關(guān)充六氟化硫氣體。六氟化硫是一種電負(fù)性氣體，有利于產(chǎn)生穩(wěn)定的電暈放電。

附圖說(shuō)明

圖1是現(xiàn)有單級(jí)“多針-板”電暈開(kāi)關(guān)結(jié)構(gòu)示意圖。

圖中，6-第一平板電極；7-第二平板電極；8-針電極；9-絕緣子。

圖2是本發(fā)明兆伏低抖動(dòng)多級(jí)電暈開(kāi)關(guān)結(jié)構(gòu)剖視圖。

圖中，1-刀形電極；11-平板；12-環(huán)狀刀刃；2-平板電極；3-第一絕緣子；4-螺桿；5-第二絕緣子。

圖3是本發(fā)明兆伏低抖動(dòng)多級(jí)電暈開(kāi)關(guān)結(jié)構(gòu)三維圖。

圖中，1-刀形電極；11-平板；12-環(huán)狀刀刃；2-平板電極；3-第一絕緣子；4-螺桿；5-第二絕緣子。

具體實(shí)施方式

一種兆伏低抖動(dòng)多級(jí)電暈開(kāi)關(guān)，由刀形電極1、平板電極2、第一絕緣子3、螺桿4、第二絕緣子5組成。刀形電極1和平板電極2中間開(kāi)通孔，用以嵌入第一絕緣子3。在刀形電極1、平板電極2與第一絕緣子3結(jié)合面涂抹F46膠。將第一絕緣子3壓入刀形電極1、平板電極2上的通孔，再將其放入高溫環(huán)境下，使F46膠層受熱固化，保證刀形電極1、平板電極2與第一絕緣子3粘接牢靠。第一絕緣子3刻內(nèi)螺紋，螺桿4相應(yīng)刻外螺紋，兩者通過(guò)螺紋旋接。第二絕緣子5和螺桿4螺紋連接，第二絕緣子5位于電極之間，可限定電極間的距離。為了避免滑閃，第二絕緣子5表面刻凹槽，增加爬電距離。刀形電極1、平板電極2的材料采用304不銹鋼。螺桿4、第一絕緣子3、第二絕緣子5的材料采用MC尼龍、聚酰亞胺中任意一種。

圖2和圖3所示為6級(jí)電暈間隙。其中，刀形電極1的直徑為90mm，其刀尖倒圓，半徑為1mm。刀形電極1中央開(kāi)直徑40mm通孔，內(nèi)嵌第一絕緣子3。兩者相接面通過(guò)F46膠粘接。第一絕緣子3和第二絕緣子5刻M20內(nèi)螺紋，與螺桿4通過(guò)螺紋連接。螺桿4上相繼串接6個(gè)刀形電極4與1個(gè)平板電極2，構(gòu)成6級(jí)電暈間隙，每級(jí)間隙距離為1.5cm。根據(jù)仿真結(jié)果，單級(jí)電暈間隙的場(chǎng)增強(qiáng)系數(shù)為3.31，根據(jù)六氟化硫擊穿電壓計(jì)算公式：

V_single＝1.321(pd)^0.915f^-0.85

取氣壓p為4atm，間隙距離d為1.5cm，場(chǎng)增強(qiáng)系數(shù)f為3.3，則單級(jí)擊穿電壓V_single為166.7kV。則6級(jí)電暈間隙的總擊穿電壓為1MV。由于各級(jí)的結(jié)構(gòu)相同，則過(guò)壓擊穿的電暈間隙欠壓比為1。根據(jù)過(guò)壓倍數(shù)定義，計(jì)算得出過(guò)壓倍數(shù)與擊穿順序的關(guān)系，如下表所示：

表過(guò)壓倍數(shù)與擊穿順序的關(guān)系

從表中可見(jiàn)，過(guò)電壓最低為間隙擊穿電壓的1.2倍，且越靠后擊穿的間隙過(guò)壓倍數(shù)越高，最高為6倍。這種情況下，在某一級(jí)電暈間隙擊穿后，剩余的電暈間隙可以穩(wěn)定地過(guò)壓擊穿，保證了較快的輸出波形前沿。

本發(fā)明原理：

本發(fā)明電暈開(kāi)關(guān)由多級(jí)“刀-板”結(jié)構(gòu)的電暈間隙串聯(lián)組成。刀電極的尖端倒圓，圓的半徑為1mm。各級(jí)電暈間隙結(jié)構(gòu)相同。開(kāi)關(guān)腔體充六氟化硫氣體。某一級(jí)電暈間隙優(yōu)先擊穿，隨后剩余電暈間隙在過(guò)電壓下?lián)舸?。?dāng)間隙的充電電壓小于間隙的擊穿電壓時(shí)，間隙的充電電壓與擊穿電壓之比稱(chēng)為“欠壓比”；當(dāng)間隙的充電電壓高于間隙的擊穿電壓時(shí)，間隙的充電電壓與擊穿電壓之比稱(chēng)為“過(guò)壓倍數(shù)”。欠壓比太低，會(huì)削弱間隙的過(guò)壓倍數(shù)，嚴(yán)重時(shí)可能使間隙無(wú)法過(guò)壓擊穿，影響輸出波形前沿。由于各級(jí)電暈間隙的結(jié)構(gòu)相同，過(guò)壓擊穿的電暈間隙具有較高的欠壓比，當(dāng)某一級(jí)電暈間隙擊穿后，隨后擊穿的電暈間隙可以達(dá)到較高的過(guò)壓倍數(shù)，保證穩(wěn)定過(guò)壓擊穿。該開(kāi)關(guān)在擊穿電壓抖動(dòng)低、工作頻率高、輸出特性良好的基礎(chǔ)上，能夠?qū)舸╇妷禾岣叩秸追健?/p>