CN114914792B - 一种盘电极高压大电流开关及*** - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种盘电极高压大电流开关及***，该开关包括：开关筒体、上电极、下电极和中间电极；其中，所述上电极、下电极为盘式电极，且分别安装在所述开关筒体的相对应的两端；所述中间电极为旋转电极，安装在所述开关筒体内部；所述上、下电极与所述中间电极间隔相同的预设距离，形成两个放电间隙；工作时，所述放电间隙充装绝缘气体。该开关在工作时通过在放电间隙充装绝缘气体，辅助放电间隙高速气流散热和清洁、并采用旋转电极改善定点放电的情况，可实现高电压、大电流、窄脉宽、高重频条件下的稳定可靠工作。

Description

一种盘电极高压大电流开关及***

技术领域

本发明属于脉冲功率技术领域，特别涉及一种盘电极高压大电流开关及***，是形成高压、大电流、快放电和高重复频率电脉冲的关键器件。

背景技术

目前，随着激光技术、微波技术、材料制备技术、材料处理技术的发展、对高压、大电流脉冲功率源的需求越来越大，大功率脉冲功率源的普遍应用，推动了相关技术领域技术的发展。比如在材料领域，作为材料研究重要技术方法的阴极弧技术、微波源技术、直流溅射技术、等离子体技术等，都离不开脉冲功率技术的支撑。脉冲功率技术的发展，向着高电压、大电流、窄脉宽、高重频方向进行，在这些技术方向上，开关技术都起着至关重要的作用，可以说开关技术的水平决定着脉冲功率技术的水平。

对于高电压、大电流、窄脉宽、高重频这四项技术指标，把其中的任何一项做到较高的数值，都不具备技术难度，比如电压到100kV或者电流到几kA或者脉冲宽度到几个ns或者重复频率到几十kHz，但脉冲功率技术发展的实用要求是，一个开关***要同时实现这四项指标，这样一来开关技术面临的技术困难是：实现高电压工作及高电压下的绝缘问题；导通大电流下的电极烧蚀、散热、绝缘恢复等问题；实现ns级放电的结构及降低传输损失问题；开关室绝缘壁被溅射物污染导致的绝缘劣化问题等。

只从电极材料入手，是无法解决大电流放电时表面瞬间高温带来的恶劣影响的，只有以电极部分为主导，从开关所有部分的技术细节考虑，形成一个应对高热电弧的综合处理***，开关性能才可能得到有效的提升。

因此，如何提供一种盘电极高压大电流开关，实现高电压、大电流、窄脉宽、高重频条件下的稳定可靠工作，成为同行从业人员亟待解决的问题。

发明内容

本发明的主要目的在于提供一种至少部分解决上述技术问题的盘电极高压大电流开关及***，可实现高电压、大电流、窄脉宽、高重频条件下的稳定可靠工作。

为实现上述目的，本发明采取的技术方案为：

第一方面，本发明提供一种盘电极高压大电流开关，包括：开关筒体、上电极、下电极和中间电极；

其中，所述上电极、下电极为盘式电极，且分别安装在所述开关筒体的相对应的两端；所述中间电极为旋转电极，安装在所述开关筒体内部；

所述上、下电极与所述中间电极间隔相同的预设距离，形成两个放电间隙；工作时，所述放电间隙充装绝缘气体。

进一步地，所述上电极、下电极具有相同的结构，均采用耐高温金属材质；

所述盘式电极的另一端为外延至所述开关筒体外部的延伸电极；所述延伸电极为夹层结构，内通冷却水。

进一步地，所述延伸电极的夹层结构上设有用于进水和排水的水冷口。

进一步地，所述中间电极的旋转轴与上下电极的轴心垂直；

所述中间电极形状为球体结构或圆柱结构，采用耐高温金属材质；所述中间电极施以高压触发脉冲，控制开关的导通。

进一步地，所述上、下电极与中间电极相对应的型面相同；

当所述中间电极为球体结构时，所述上、下电极型面为凹球曲面结构；当所述中间电极为圆柱体结构时，所述上、下电极型面为弦曲面结构。

进一步地，所述开关筒体为圆柱式结构，采用绝缘材料；外部表面具有增大爬电距离的槽型环。

进一步地，所述开关筒体对应所述两个放电间隙的筒壁上设有多个气流口，用于注入和排出绝缘气体。

进一步地，所述绝缘气体包括下述一种或多种：

干燥空气、氮气、二氧化碳和六氟化硫。

进一步地，所述耐高温金属材质为下述任一种：镍基合金、铈钨和紫铜。

进一步地，所述开关筒体采用的绝缘材料为玻璃丝布筒，所述开关筒体内壁采用陶瓷片粘贴。

进一步地，所述上电极、下电极通过环氧树脂粘接在所述开关筒体的相对应的两端。

第二方面，本发明实施例还提供一种盘电极高压大电流开关***，包括如上述任一项实施例所述的一种盘电极高压大电流开关；还包括冷却***和气体密闭循环***；

其中，所述冷却***包括：换热器和冷却装置；所述的气体密闭循环***包括：风机、压力控制装置和过滤器；

所述冷却***的换热器串接在气体密闭循环***的过滤器下游回路中，并将热量传输到冷却装置，对开关放电生成的高温气体进行冷却；

所述风机用于开关工作介质的循环；所述过滤器用于放电间隙中强等离子体中电极溅射物和气体离化生成物的捕获和沉积；

所述压力控制装置用以维持开关间隙的气体压强，保持开关工作的稳定性。

与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

一种盘电极高压大电流开关，包括：开关筒体、上电极、下电极和中间电极；其中，所述上电极、下电极为盘式电极，且分别安装在所述开关筒体的相对应的两端；所述中间电极为旋转电极，安装在所述开关筒体内部；所述上、下电极与所述中间电极间隔相同的预设距离，形成两个放电间隙；工作时，所述放电间隙充装绝缘气体。该开关在工作时通过在放电间隙充装绝缘气体，辅助放电间隙高速气流散热和清洁、并采用旋转电极改善定点放电的情况，可实现高电压、大电流、窄脉宽、高重频条件下的稳定可靠工作。

进一步地，上下电极采用盘式耐高温电极结构，通过延伸电极强制水冷散热、辅助间隙高速气流散热和清洁；中间电极采用旋转电极可改善定点放电、同轴结构降低传输电感等技术措施将大电流电弧的负面影响加以削弱或分担，实现高电压、大电流、窄脉宽、高重频条件下的稳定可靠工作。

附图说明

图1为本发明实施例提供的盘电极高压大电流开关横向剖面图；

图2为本发明实施例提供的盘电极高压大电流开关纵向剖面图；

图3为本发明实施例提供的盘电极高压大电流开关***框图；

图4为本发明实施例提供的采用盘电极高压大电流开关的激光器电路示意图。

具体实施方式

为使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体实施方式，进一步阐述本发明。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”、“内”、“外”“前端”、“后端”、“两端”、“一端”、“另一端”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“设置有”、“连接”等，应做广义理解，例如“连接”，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

实施例1：

参照图1-2所示，本发明提供的一种盘电极高压大电流开关，包括：上电极1、中间电极2、下电极3和开关筒体4；其中，上电极1、下电极3均为盘式电极，可使用环氧树脂胶粘接，分别安装在开关筒体4的相对应两端；中间电极2为旋转电极，安装在开关筒体4内部；中间电极2可通过开关筒体4外的电机带动旋转，电机与中间电极2通过磁耦合器连接。上、下电极与中间电极间隔相同的预设距离，形成两个放电间隙；工作时，放电间隙充装绝缘气体，高速气流可加强内部散热和清洁；并采用旋转电极改善定点放电的情况，可实现高电压、大电流、窄脉宽、高重频条件下的稳定可靠工作。该绝缘气体可为干燥空气、氮气、二氧化碳和六氟化硫的一种或混合物。

上、下电极结构完全相同，均为盘式电极，与中间电极接近的部分为一圆盘结构，另一端为外延至开关筒体外部的延伸电极；延伸电极为夹层结构，内通冷却水。上、下电极采用耐高温的金属电极材料，比如为镍基合金、铈钨和紫铜等；延伸电极，也采用耐高温的金属电极材料，延伸电极在传导电脉冲的同时，对盘式电极进行强制散热，上下电极的外端部用于与应用***的连接。盘式电极可以是一体成型，也可以是由圆盘结构与延伸电极组合安装构成，两部分可通过螺丝紧密连接。

如图1所示，在延伸电极夹层结构的铜棒上设有水冷口5，一个用于注水，另一个用于排水。另外，本实施例中，也可以采用冷却油等其他冷却液。

中间电极为旋转电极，中间电极的旋转轴与上下电极的轴心垂直。中间电极可采用球体结构或圆柱结构，中间电极也采用耐高温电极材料加工而成，中间电极施以高压触发脉冲，控制开关的导通。中间电极与上下电极对应面的电极型面与上下电极面型一致，保持等间距。如中间电极为球体，则盘式电极型面为凹球曲面结构；如中间电极为圆柱体，则盘电极为弦曲面。

如图2所示，开关筒体为圆柱式结构，采用绝缘材料；外部表面具有增大爬电距离的槽型环，内壁采用陶瓷材料，可提高耐烧蚀能力。

开关筒体的绝缘筒壁对应三电极的两个间隙开有四个进出气孔6，工作时通以高速气流吹走放电气体，以保证可靠绝缘和重复放电，同时也具有冷却放电室的作用，开关内的气体因放电加热会引起气压变化，可通过恒压控制***平衡开关室内的气压，使击穿电压不至于有太大的分散性。

实施例2：

参照图3所示，本发明还提供一种盘电极高压大电流开关***，主要包括开关和气体循环两部分。其中开关结构部分是主体，为实施例1的盘电极高压大电流开关，主要包括上下电极、旋转中间电极、开关绝缘筒体三个部分。气体循环部分由冷却***和气体密闭循环***构成。

其中，冷却***包括：换热器和冷却装置；所述的气体密闭循环***包括：风机、压力控制装置和过滤器；冷却装置由冷机组、冷媒循环装置和控温装置构成。

冷却***的换热器串接在气体密闭循环***的过滤器下游回路中，并将热量传输到冷却装置，对开关放电生成的高温气体进行冷却，使开关可以稳定工作。

气体密闭循环***的风机用于开关工作介质的循环，这种循环需要在真空或压力状态下实现密闭***的循环，因此需要满足此种工作条件的风机***；过滤器用于放电间隙中强等离子体中电极溅射物和气体离化生成物的捕获和沉积，以保证开关的正常和稳定工作；压力控制装置用以维持开关间隙的气体压强，保持开关工作的稳定性。

由于开关间隙在导通高能脉冲时，形成放电等离子体，必须在下次放电前，快速恢复放电间隙的绝缘状态，才能保证稳定有效的激励，所以需要对开关间隙的放电介质快速更新，这就是气体密闭循环***的作用，气体密闭循环***需要在真空或压力状态下实现密闭***的气体循环，气体密闭循环***用以提供稳定的高速的气流，气体密闭循环***中的过滤器用于放电间隙中强等离子体中电极溅射物和气体离化生成物的捕获和沉积，这些放电生成物会影响开关的正常和稳定工作；压力的控制一方面保持稳定放电，另外可以随开关的工作电压的变化做相应的调整，提供一定的裕度，从而提高开关稳定性。

又由于放电介质密闭循环，开关放电间隙生成的等离子体成为密闭***的加热源，只有通过冷却***的快速降温，才能保证开关间隙间放电介质的稳定性、可靠性和重复性，保证气体循环部分的工作稳定性。

工作时气体循环部分向开关的开关筒体通以高速气流吹走放电气体，同时也具有冷却放电室的作用，开关内的气体因放电加热会引起气压变化，因此通过压力控制装置平衡开关室内的气压，使击穿电压不至于有太大的分散性。

下面通过通过盘电极高压大电流开关的一个通常性的技术参数来具体解释一下开关的结构、功用和使用情况。

1.开关尺寸：盘电极直径：60mm，厚度：10mm，材料：铈钨；紫铜柱直径：50mm，长度：100mm；中间电极直径；60mm圆球，材料铈钨；绝缘筒直径：200mm，壁厚：25mm，材料：玻璃丝布筒；电极间距：4mm。

2.开关装配：上下电极安装在玻璃丝筒的两个端面，使用环氧树脂胶粘接；中间电极通过开关筒外的电机带动旋转，电机与中间电极通过磁耦合器连接；开关内壁用陶瓷片粘接于内表面。

3.辅助***：使用5kW水冷机组冷却；7.5kW密闭压气机作为气体循环动力；充气压力：0.2MPa；充装气体：氮气。

4.触发器参数：电压：50kV；脉宽：10us；频率：500Hz；功率：4kW。

按上述参数设计的盘电极高压大电流开关，可以使用在在50kV，500Hz，脉宽几十ns的准分子激光器上，导通功率达到100KW。图4为采用盘电极高压大电流开关的激光器电路示意图，该电路为典型的C-C快放电激励电路，图中，C0为主储能电容，L是充电电感，C1为并联在激光器激光腔两侧的峰化电容，当盘电极高压大电流开关在触发脉冲控制下导通时，储能电容C0先向峰化电容C1充电，然后C1向激光腔放电，激励激光腔的***体，产生激光。采用该电路形式，使用XeCI准分子激光器，工作气压0.2Mpa，若储能电容容量为0.1uF，50kV，500Hz条件下，可以实现1kW以上的准分子激光输出。

本发明实施例提供的盘电极高压大电流开关是一种应用于高电压、大电流场合的高功率开关器件，主要针对于高功率脉冲气体激光器高电压、大电流及快放电要求而设计。其技术特点在于：开关为三电极结构；上下电极采用耐高温金属电极，电极为大尺寸盘式型面；中间电极为旋转式结构；三电极形成的两个放电间隙间通以高速气流，气体密闭循环。这种结构，大尺寸电极可以有效降低电流密度或提升注入能量，冷却***和气体密闭循环***也有利于提升开关的稳定性。这种盘电极高压大电流开关技术指标可以达到：工作电压50KV，导通功率100kW，工作频率500Hz,，放电脉宽几十纳秒。

以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (4)

1.一种盘电极高压大电流开关，其特征在于，包括：开关筒体、上电极、下电极和中间电极；

其中，所述开关筒体为圆柱式结构，采用绝缘材料；外部表面具有增大爬电距离的槽型环；

所述上电极、下电极为盘式电极，且分别安装在所述开关筒体的相对应的两端；所述盘式电极的另一端为外延至所述开关筒体外部的延伸电极；所述延伸电极为夹层结构，内通冷却水；所述延伸电极的夹层结构上设有用于进水和排水的水冷口；

所述中间电极为旋转电极，安装在所述开关筒体内部；

所述上、下电极与中间电极相对应的型面相同；当所述中间电极为球体结构时，所述上、下电极型面为凹球曲面结构；当所述中间电极为圆柱体结构时，所述上、下电极型面为弦曲面结构；

所述上、下电极与所述中间电极间隔相同的预设距离，形成两个放电间隙；工作时，所述放电间隙充装绝缘气体。

2.根据权利要求1所述的一种盘电极高压大电流开关，其特征在于：所述中间电极的旋转轴与上下电极的轴心垂直；

所述中间电极形状为球体结构或圆柱结构，采用耐高温金属材质；所述中间电极施以高压触发脉冲，控制开关的导通。

3.根据权利要求1所述的一种盘电极高压大电流开关，其特征在于：所述开关筒体对应所述两个放电间隙的筒壁上设有多个气流口，用于注入和排出绝缘气体。

4.一种盘电极高压大电流开关***，其特征在于：包括如权利要求1-3任一项所述的一种盘电极高压大电流开关；还包括冷却***和气体密闭循环***；

其中，所述冷却***包括：换热器和冷却装置；所述的气体密闭循环***包括：风机、压力控制装置和过滤器；

所述冷却***的换热器串接在气体密闭循环***的过滤器下游回路中，并将热量传输到冷却装置，对开关放电生成的高温气体进行冷却；

所述风机用于开关工作介质的循环；所述过滤器用于放电间隙中强等离子体中电极溅射物和气体离化生成物的捕获和沉积；

所述压力控制装置用以维持开关间隙的气体压强，保持开关工作的稳定性。