專利名稱：一種用于引燃長(zhǎng)空氣火花間隙的等離子體噴射裝置及其電路的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明專利屬脈沖功率技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種用于引燃長(zhǎng)空氣火花間隙的等離子體噴射裝置。
背景技術(shù)：
長(zhǎng)空氣火花間隙作為高壓脈沖形成網(wǎng)絡(luò)的開關(guān)元件、高壓脈沖的陡化開關(guān)或是電力設(shè)備的過電壓保護(hù)間隙，多采用強(qiáng)制觸發(fā)方式使其可靠擊穿。采用強(qiáng)制觸發(fā)方式，一方面是由于在大氣條件下，自擊穿電壓受空氣濕度，溫度以及壓強(qiáng)的影響較大，即自擊穿性能不穩(wěn)定，另一方面是為了在低于自擊穿電壓的情況下火花間隙能夠可靠擊穿。
對(duì)于直流高壓或脈沖高壓下長(zhǎng)空氣火花間隙的強(qiáng)制觸發(fā)擊穿研究，國(guó)內(nèi)外做了很多的試驗(yàn)，已經(jīng)得到了十分充足的試驗(yàn)數(shù)據(jù)和較為完善的理論分析。然而，對(duì)于交流高壓下長(zhǎng)空氣火花間隙的強(qiáng)制觸發(fā)擊穿研究，卻很難查閱到詳細(xì)的資料。目前，長(zhǎng)空氣火花間隙工作于交流高壓下，主要被應(yīng)用于串聯(lián)補(bǔ)償裝置中作為氧化鋅限壓器(MOV)的保護(hù)裝置。
氣體火花間隙多采用一個(gè)或多個(gè)小間隙火花放電，使得電場(chǎng)劇烈畸變，或利用放電產(chǎn)生的初始電子或紫外預(yù)電離引起間隙流注放電而使長(zhǎng)間隙擊穿導(dǎo)通。由于小間隙火花放電存在注入長(zhǎng)間隙的引燃能量偏低的缺點(diǎn)，因此造成了引燃長(zhǎng)空氣火花間隙的條件比較苛刻，帶來了很多工作性能的不可靠性。例如長(zhǎng)空氣火花間隙兩端的電壓相比自擊穿電壓過低時(shí)，便不能引燃；為了提高長(zhǎng)空氣火花間隙的觸發(fā)可靠性，火花間隙工作電壓需大于自擊穿電壓的70%，一般取最佳工作電壓為自擊穿電壓的80%，但是由于間隙工作于敞開大氣條件下，自擊穿電壓難免會(huì)受大氣條件所影響，所以工作性能會(huì)受到很大的影響。
采用等離子體噴射裝置引燃長(zhǎng)空氣火花間隙，等離子體噴射裝置安裝于火花間隙的低壓電極柱，噴口指向火花間隙的高壓電極柱，接收到觸發(fā)命令后，等離子體噴射裝置噴出一束等離子體，射入火花間隙電極柱之間，完成長(zhǎng)空氣火花間隙的導(dǎo)通。由于引燃能量提高了 1至2個(gè)數(shù)量級(jí)，在遠(yuǎn)低于火花間隙自擊穿電壓的情況下，引燃可靠性仍然很高。

發(fā)明內(nèi)容
針對(duì)上述傳統(tǒng)引燃方式的不足，本發(fā)明的目的在于提出一種用于可靠引燃長(zhǎng)空氣火花間隙的等離子體噴射裝置，等離子體噴射裝置以傳統(tǒng)的毛細(xì)管放電為基礎(chǔ)，在結(jié)構(gòu)和電路上進(jìn)行了改進(jìn)設(shè)計(jì)，克服了傳統(tǒng)的毛細(xì)管放電等離子體噴射裝置不能重復(fù)使用的缺陷。具體如下
—種用于引燃長(zhǎng)空氣火花間隙的等離子體噴射裝置，等離子體噴射裝置包含高壓電極、中壓電極和低壓電極，中壓電極將閃絡(luò)間隙通道分為短間隙通道和長(zhǎng)間隙通道兩部分；等離子體噴射裝置安裝于火花間隙的低壓電極柱，噴口指向火花間隙的高壓電極柱，接收到觸發(fā)命令后，等離子體噴射裝置噴出一串等離子體，射入火花間隙電極柱之間的空間， 完成火花間隙的導(dǎo)通；中壓電極與低壓電極之間連接一放電電感，作為放電回路的分壓?jiǎn)卧c儲(chǔ)能單元使用。
等離子體噴射裝置放電時(shí)，短間隙通道先發(fā)生閃絡(luò)擊穿，短間隙通道處電弧燒蝕產(chǎn)氣材料產(chǎn)生等離子體向長(zhǎng)間隙通道延伸，當(dāng)?shù)入x子體貫穿整個(gè)間隙通道后，間隙被等離子體短路，長(zhǎng)間隙通道隨即發(fā)生閃絡(luò)，形成貫穿整個(gè)間隙通道的長(zhǎng)電弧。
所述產(chǎn)氣材料為高密度聚乙烯、聚四氟乙烯、聚碳酸酯或PMMA等高密度聚合物材料。高壓電極與中壓電極從套管結(jié)構(gòu)中引出。所述低壓電極為采用金屬材料制作的等離子體噴射裝置的殼體。所述等離子體噴射裝置的噴口為一擴(kuò)張的錐角，錐角全角度為8° 30°。
一種等離子體噴射裝置的放電電路，該放電回路包括放電電容、受控開關(guān)和放電電感；所述放電電容器的一端與受控開關(guān)的一端連接，放電電容器的另一端連接到低壓電極，受控開關(guān)的另一端連接到所述高壓電極；放電電感的一端連接到中壓電極、另一端連接到低壓電極；受控開關(guān)由控制器控制其通斷。
所述放電電感在放電起始階段作為分壓?jiǎn)卧?；在放電電容器能量釋放完畢后，放電電感作為?chǔ)能單元完成長(zhǎng)間隙通道電弧的續(xù)流。
在放電起始階段，短間隙通道起弧，放電回路為長(zhǎng)脈沖寬度小峰值電流RLC放電， 所述放電電感儲(chǔ)能；隨后，短間隙通道電弧燒蝕產(chǎn)生的等離子體貫穿整個(gè)間隙通道，長(zhǎng)間隙通道隨即起弧，放電電感被長(zhǎng)間隙通道電弧短路，放電回路為短脈沖寬度大峰值電流RLC 放電；最后，放電電容器能量釋放完畢，短間隙通道電弧熄滅，放電電感作為儲(chǔ)能單元完成此時(shí)長(zhǎng)間隙通道電弧的續(xù)流，放電回路為L(zhǎng)R放電。
本發(fā)明的有益效果
等離子體噴射裝置在設(shè)計(jì)時(shí)，在高壓電極與低壓電極間加裝一中壓電極，不但實(shí)現(xiàn)了等離子體噴射裝置重復(fù)使用的性能要求，而且可以滿足等離子體噴射裝置在較低電壓下就可以形成毛細(xì)管放電。
與使用高電壓脈沖使得整個(gè)間隙通道預(yù)電離或使得短間隙通道先發(fā)生閃絡(luò)，消融產(chǎn)氣材料產(chǎn)生等離子體，實(shí)現(xiàn)等離子體噴射裝置的重復(fù)使用相比，在長(zhǎng)間隙通道并聯(lián)放電電感不但結(jié)構(gòu)和電路上實(shí)現(xiàn)起來簡(jiǎn)單，工作可靠性高，而且等離子體噴射裝置易于被引燃， 工作可靠性大大提高。同時(shí)，在放電回路中放電電感作為儲(chǔ)能單元可以延長(zhǎng)長(zhǎng)間隙通道燃弧的時(shí)間，從而有效地增加產(chǎn)氣量和噴射時(shí)間。
等離子體噴射裝置噴口設(shè)計(jì)采用拉法爾噴管設(shè)計(jì)原理，有效地加快了等離子體噴射出口速度，根據(jù)高速攝影儀的測(cè)量，噴射速度達(dá)到了數(shù)倍音速以上。
采用等離子體噴射裝置引燃長(zhǎng)空氣火花間隙，火花間隙在遠(yuǎn)低于自擊穿電壓的情況下，即可可靠擊穿，欠壓比< 30% ；相比傳統(tǒng)的火花間隙引燃方式，放電可靠性和放電時(shí)延的分散性都有很大改善；測(cè)得火花間隙放電時(shí)延< 600us。
通過改變等離子噴射裝置的結(jié)構(gòu)參數(shù)和電路參數(shù)，可以得到不同的噴射速度和噴射長(zhǎng)度，從而滿足不同的需求；除串聯(lián)補(bǔ)償裝置氧化鋅限壓器(MOV)保護(hù)用火花間隙外，等離子體噴射裝置還可應(yīng)用于三電極開關(guān)及其它需要產(chǎn)生高速、高溫、高壓等離子體的領(lǐng)域。


圖1是長(zhǎng)空氣火花間隙結(jié)構(gòu)示意圖。
圖2是等離子體噴射裝置結(jié)構(gòu)示意圖。
圖3是等離子體噴射裝置放電回路示意圖。
圖4是等離子體噴射裝置放電電流波形圖。
圖5是使用高速攝影儀拍攝得到的等離子體噴射裝置噴射效果圖。
圖中A是長(zhǎng)空氣火花間隙高壓電極柱、B是長(zhǎng)空氣火花間隙低壓電極柱、C是絕緣子、D是等離子體噴射裝置、E是支撐平臺(tái)、PFN是電源模塊、1是產(chǎn)氣材料；2是等離子體噴射裝置噴口 ；3、8是金屬殼體即低壓電極；4、5是絕緣套管；6是中壓電極；7是高壓電極。
具體實(shí)施例方式
如圖1所示，等離子體噴射裝置D安裝于長(zhǎng)空氣火花間隙的低壓電極柱，噴口指向火花間隙的高壓電極柱，接收到觸發(fā)命令后，等離子體噴射裝置噴出一束高速、高溫的高電導(dǎo)率等離子體，射向火花間隙電極柱之間的空間，完成火花間隙的擊穿導(dǎo)通。PFN為等離子體噴射裝置的電源模塊，包括放電電容器，放電電感，受控開關(guān)和控制受控開關(guān)動(dòng)作的控制器。其電路的連接方式參見下圖3。
圖2中，等離子體噴射裝置采用高密度聚乙烯、聚四氟乙烯、聚碳酸酯、PMMA等作為產(chǎn)氣材料1，等離子體噴射裝置噴口 2采用擴(kuò)張式錐角設(shè)計(jì)，錐角全角度為8° 30°。 等離子體噴射裝置的間隙通道管徑為Imm 5mm，管長(zhǎng)為5mm 80mm。金屬殼體3、8作為放電的低壓電極。4、5為絕緣套管，引出中壓電極6與高壓電極7，中壓電極6與高壓電極 7采用直徑為Imm 3mm的耐燒蝕金屬棒作為電極材料。高壓電極7與中壓電極6構(gòu)成長(zhǎng)度為Imm IOmm的短間隙通道，中壓電極6與低壓電極3構(gòu)成長(zhǎng)間隙通道。
圖3中C是放電電容器，容量在5μ F 100 μ F之間，電容器放電電壓在3kV 50kV之間；K是受控開關(guān)，由控制器控制通斷，開關(guān)高壓端連接放電電容器C，低壓端連接等離子體噴射裝置高壓電極7 是回路寄生電感，根據(jù)回路的長(zhǎng)短和布置不同，一般為 1 μ H ~ 3 μ H ;L2是放電電感，電感在10 μ H 100 μ H之間，連接于等離子體噴射裝置中壓電極與低壓電極之間，作為分壓?jiǎn)卧c儲(chǔ)能單元。
當(dāng)高壓脈沖加至等離子體噴射裝置時(shí)，由于放電電感L2的作用，放電電容器C電壓完全施加于高壓電極與中壓電極之間，使得短間隙通道發(fā)生閃絡(luò)擊穿。由于電弧的燒蝕作用，管壁材料被解離，進(jìn)而在電弧的輻射和熱對(duì)流作用下升華、電離，成為部分電離的等離子體。由于通道管徑很小，在幾十微秒內(nèi)產(chǎn)生的大量的等離子體會(huì)在通道內(nèi)形成幾到幾十兆帕的壓強(qiáng)，從而使得等離子體沿毛細(xì)管通道向外快速噴射。當(dāng)消融產(chǎn)生的等離子體沿毛細(xì)管通道噴射貫穿整個(gè)間隙通道后，長(zhǎng)間隙通道隨即發(fā)生閃絡(luò)，形成擊穿，從而完成了等離子體噴射裝置整個(gè)毛細(xì)管通道的閃絡(luò)擊穿。放電電感L2在放電起始階段作為分壓?jiǎn)卧?在放電電容器C能量釋放完畢后，由于之前的放電，使得放電電感L2儲(chǔ)存了一部分電磁能量，繼而放電電感L2作為儲(chǔ)能單元完成長(zhǎng)間隙通道電弧的續(xù)流。
圖4是等離子體噴射裝置放電電流波形，曲線1為回路全電流波形，曲線2為長(zhǎng)間隙通道電流波形。在a區(qū)域，此時(shí)短間隙通道起弧，電弧燒蝕短間隙通道產(chǎn)氣材料，產(chǎn)生等離子體，向外噴射，放電回路為長(zhǎng)脈沖寬度小峰值電流RLC放電；在b區(qū)域，此時(shí)短間隙通道電弧燒蝕產(chǎn)生的等離子體已貫穿整個(gè)間隙通道，長(zhǎng)間隙通道隨即起弧，放電電感L2被長(zhǎng)間隙通道電弧短路，放電回路為短脈沖寬度大峰值電流RLC放電；在c區(qū)域，此時(shí)放電電容器C能量釋放完畢，短間隙通道電弧熄滅。然而，由于放電電感L2在a區(qū)域放電時(shí)儲(chǔ)存了一部分電磁能量，放電電感L2此時(shí)作為儲(chǔ)能單元完成長(zhǎng)間隙通道電弧的續(xù)流，放電回路為L(zhǎng)R放 H1^ ο
圖5是使用高速攝影儀拍攝得到的等離子噴射裝置噴射效果圖。由于等離子體噴射裝置內(nèi)部發(fā)生閃絡(luò)擊穿時(shí)電弧燒蝕產(chǎn)氣材料，會(huì)在等離子體內(nèi)部產(chǎn)生很大的機(jī)械沖擊應(yīng)力，為解決這一問題，噴射裝置的殼體3、8采用金屬材料，并且在裝配時(shí)采用過盈量裝配， 使得各個(gè)組件達(dá)到緊配合。同時(shí)，殼體3、8作為放電的低壓電極。
等離子體噴射裝置噴管采用拉法爾噴管設(shè)計(jì)，由于等離子體出口速度已大于本地音速，所以噴管采用擴(kuò)張式設(shè)計(jì)，通過計(jì)算，并考慮到加工的可行性，設(shè)計(jì)噴口為一擴(kuò)張的錐角，錐角全角度為8° 30°。
通過試驗(yàn)，驗(yàn)證了所發(fā)明等離子體噴射裝置具有良好的機(jī)械性能和電氣性能，可以在較低電壓下起弧形成擊穿，噴射40次以上沒有發(fā)生結(jié)構(gòu)碎裂的現(xiàn)象；噴射裝置出口速度達(dá)到了數(shù)倍音速以上，；長(zhǎng)空氣火花間隙在小于30%的欠壓比下仍能可靠強(qiáng)制觸發(fā)擊穿， 火花間隙放電時(shí)延< 600us。
實(shí)施例1
本實(shí)施例為一用于引燃長(zhǎng)空氣火花間隙的等離子體噴射裝置，其結(jié)構(gòu)示意圖和放電回路示意圖如圖2和圖3所示。3、8為金屬殼體，產(chǎn)氣材料1為高密度聚乙烯，高壓電極 7與低壓電極6為Imm的耐燒蝕金屬棒，絕緣套管4、5采用高密度聚乙烯制成，在裝配時(shí)采用過盈量裝配，使各個(gè)組件達(dá)到緊配合。短間隙通道長(zhǎng)度為Imm ；間隙通道長(zhǎng)度為5mm，通道管徑為Imm ；噴射裝置噴口錐角全角度為8° ；放電電容器C容量為5 μ F，充電電壓為3kV ； 放電電感L2為10 μ H。
實(shí)施例2
本實(shí)施例為一用于引燃長(zhǎng)空氣火花間隙的等離子體噴射裝置，其結(jié)構(gòu)示意圖和放電回路示意圖如圖2和圖3所示。3、8為金屬殼體，產(chǎn)氣材料1為聚碳酸酯，高壓電極7與低壓電極6為2mm的耐燒蝕金屬棒，絕緣套管4、5采用尼龍材料制成，在裝配時(shí)采用過盈量裝配，使各個(gè)組件達(dá)到緊配合。短間隙通道長(zhǎng)度為4mm ；間隙通道長(zhǎng)度為30mm，通道管徑為 3mm；；噴射裝置噴口錐角全角度為12° ；放電電容器C容量為M μ F，充電電壓為IOkV ；放電電感L2為40 μ H。
實(shí)施例3
本實(shí)施例為一用于引燃長(zhǎng)空氣火花間隙的等離子體噴射裝置，其結(jié)構(gòu)示意圖和放電回路示意圖如圖2和圖3所示。3、8為金屬殼體，產(chǎn)氣材料1為ΡΜΜΑ，高壓電極7與低壓電極6為2mm的耐燒蝕金屬棒，絕緣套管4、5采用尼龍材料制成，在裝配時(shí)采用過盈量裝配，使各個(gè)組件達(dá)到緊配合。短間隙通道長(zhǎng)度為5mm ；間隙通道長(zhǎng)度為50mm，通道管徑為 5mm；；噴射裝置噴口錐角全角度為20° ；放電電容器C容量為40 μ F，充電電壓為30kV ；放電電感L2為80 μ H。
實(shí)施例4
本實(shí)施例為一用于引燃長(zhǎng)空氣火花間隙的等離子體噴射裝置，其結(jié)構(gòu)示意圖和放電回路示意圖如圖2和圖3所示。3、8為金屬殼體，產(chǎn)氣材料1為聚四氟乙烯，高壓電極7 與低壓電極6為3mm的耐燒蝕金屬棒，絕緣套管4、5采用聚四氟乙烯制成，在裝配時(shí)采用過盈量裝配，使各個(gè)組件達(dá)到緊配合。短間隙通道長(zhǎng)度為IOmm;間隙通道長(zhǎng)度為80mm，通道管徑為5mm;；噴射裝置噴口錐角全角度為30° ；放電電容器C容量為100 μ F，充電電壓為 50kV ；放電電感L2為100 μ H。
權(quán)利要求
1.一種用于引燃長(zhǎng)空氣火花間隙的等離子體噴射裝置，等離子體噴射裝置包含高壓電極、中壓電極和低壓電極，中壓電極將閃絡(luò)間隙通道分為短間隙通道和長(zhǎng)間隙通道兩部分； 等離子體噴射裝置安裝于火花間隙的低壓電極柱，噴口指向火花間隙的高壓電極柱，接收到觸發(fā)命令后，等離子體噴射裝置噴出一串等離子體，射入火花間隙電極柱之間的空間，完成火花間隙的導(dǎo)通；其特征在于中壓電極與低壓電極之間連接一放電電感，作為放電回路的分壓?jiǎn)卧c儲(chǔ)能單元使用。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的等離子體噴射裝置，其特征在于等離子體噴射裝置放電時(shí)， 短間隙通道先發(fā)生閃絡(luò)擊穿，短間隙通道處電弧燒蝕產(chǎn)氣材料產(chǎn)生等離子體向長(zhǎng)間隙通道延伸，當(dāng)?shù)入x子體貫穿整個(gè)間隙通道后，間隙被等離子體短路，長(zhǎng)間隙通道隨即發(fā)生閃絡(luò)， 形成貫穿整個(gè)間隙通道的長(zhǎng)電弧。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的等離子體噴射裝置，其特征在于合物材料。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的等離子體噴射裝置，其特征在于高密度聚乙烯、聚四氟乙烯、聚碳酸酯或PMMA。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的等離子體噴射裝置，其特征在于管結(jié)構(gòu)中引出。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的等離子體噴射裝置，其特征在于材料制作的等離子體噴射裝置的殼體。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的等離子體噴射裝置，其特征在于噴口為一擴(kuò)張的錐角，錐角全角度為8° 30°。
8.一種根據(jù)上述權(quán)利要求任一項(xiàng)所述的等離子體噴射裝置的放電電路，其特征在于 該放電回路包括放電電容、受控開關(guān)和放電電感；所述放電電容器的一端與受控開關(guān)的一端連接，放電電容器的另一端連接到低壓電極，受控開關(guān)的另一端連接到所述高壓電極；放電電感的一端連接到中壓電極、另一端連接到低壓電極；受控開關(guān)由控制器控制其通斷。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的放電電路，其特征在于所述放電電感在放電起始階段作為分壓?jiǎn)卧辉诜烹婋娙萜髂芰酷尫磐戤吅?，放電電感作為?chǔ)能單元完成長(zhǎng)間隙通道電弧的續(xù)流。
10.根據(jù)權(quán)利要求8或9所述的等離子體噴射裝置，其特征在于在放電起始階段，短間隙通道起弧，放電回路為RLC放電，所述放電電感儲(chǔ)能；隨后，短間隙通道電弧燒蝕產(chǎn)生的等離子體貫穿整個(gè)間隙通道，長(zhǎng)間隙通道隨即起弧，放電電感被長(zhǎng)間隙通道電弧短路，放電回路為RLC放電；最后，放電電容器能量釋放完畢，短間隙通道電弧熄滅，放電電感作為儲(chǔ)能單元完成此時(shí)長(zhǎng)間隙通道電弧的續(xù)流，放電回路為L(zhǎng)R放電。所述產(chǎn)氣材料為高密度聚 所述高密度聚合物材料為 高壓電極與中壓電極從套 所述低壓電極為采用金屬 所述等離子體噴射裝置的
全文摘要
本發(fā)明公開了一種長(zhǎng)空氣火花間隙的引燃機(jī)構(gòu)，在火花間隙其中一個(gè)電極柱上安裝高能等離子體噴射裝置，等離子體噴射裝置包含高壓電極、中壓電極和低壓電極，中壓電極將一個(gè)閃絡(luò)間隙通道分為短間隙通道和長(zhǎng)間隙通道兩部分；中壓電極與低壓電極之間連接一電感，作為放電回路的分壓?jiǎn)卧c儲(chǔ)能單元使用。所述電感在放電起始階段作為分壓?jiǎn)卧?；在放電電容器能量釋放完畢后，電感作為?chǔ)能單元完成長(zhǎng)間隙通道電弧的續(xù)流。所述等離子體噴射裝置可以在較低放電電壓下多次穩(wěn)定噴射出大量的等離子體，等離子體出口噴射速度達(dá)到了數(shù)倍音速以上；具有可重復(fù)使用的優(yōu)點(diǎn)，多次反復(fù)噴射后，性能基本不發(fā)生變化，能夠使長(zhǎng)空氣火花間隙可靠引燃擊穿。
文檔編號(hào)H05H1/32GK102523675SQ20111041957
公開日2012年6月27日 申請(qǐng)日期2011年12月13日 優(yōu)先權(quán)日2011年12月13日
發(fā)明者吳偉, 張玲玲, 張皓維, 徐然, 楊蘭均, 黃東 申請(qǐng)人:西安交通大學(xué)