[发明专利]一种等离子体喷射开关装置

说明书

技术领域

本发明属于高电压电工电器技术和脉冲功率技术领域，涉及一种等离子体喷射开关装置。

背景技术

近两年来，为了解决极低工作系数下气体火花开关的可靠触发问题，中国的铁维昊、刘善红等人提出了喷射等离子体触发技术。这种气体火花开关基于传统的三电极场畸变气体开关结构，在触发电极内部嵌入一个由电极板、绝缘环和针电极三部分组成的等离子体喷射腔。通过施加触发脉冲引起喷射腔内部火花放电，产生大量的带电粒子。同时，放电产生的热量加热喷射腔内的气体以及放电烧蚀绝缘材料产生大量气体，使得气压急剧上升。在触发电压引起的轴向电场和高气压的共同作用下，带电粒子注入主间隙中，形成喷射等离子体，进而诱发主间隙导通。这种触发方式可以缩短间隙的统计时延，而且能够实现开关在工作系数<50％的条件下的可靠触发导通。

但是，这种开关由于等离子体喷射腔位于主电极中心，主间隙导通时电弧主要集中于主电极中心位置，容易引起通流电弧主要集中烧蚀于电极中心位置。电极中心喷射腔喷嘴附近的电极物质在电弧熔融、冷凝后往往形成烧蚀物堆积，造成喷嘴堵塞和主间隙绝缘强度不可恢复的降低，从而影响电极寿命。此外，触发技术和喷射腔没有提出优化设计措施，触发时等离子体喷射高度有限，在5ns前沿脉冲上升时间、80kV幅值的陡脉冲下，喷射高度只有1.0cm左右。

发明内容

针对现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种等离子体喷射开关装置，旨在解决现有技术中的喷射等离子体开关的技术性能差的问题。

本发明提供了一种等离子体喷射开关装置，包括第一主电极、第二主电极、绝缘环、触发针电极和触发电路；所述第一主电极为平面电极或半球形电极；所述第二主电极为内凹的曲面电极；所述绝缘环包裹着所述触发针电极，且所述绝缘环、所述触发针电极和所述第二主电极共同形成等离子体喷射腔；所述等离子体喷射腔的喷嘴口位于所述第二主电极中间或中心的位置；所述触发针电极为细长的锥面针头形；所述触发电路采用双副绕组变压器的结构，可保证触发电流不至于快速衰减，有利于形成充沛的等离子体，从而提高等离子体的喷射高度。触发电路包括变压器T、开关K、储能电容C、二极管D和限流电阻R；所述变压器T包括原方绕组L0、第一副方绕组L1和第二副方绕组L2，所述原方绕组L0的一端通过所述开关K与所述储能电容C的一端连接，所述原方绕组L0的另一端和所述储能电容C的另一端均接地；所述第一副方绕组L1和所述第二副方绕组L2串联连接，所述第一副方绕组L1的非串联连接端通过所述限流电阻R与所述触发针电极连接；所述第二副方绕组L2的非串联连接端接地；所述二极管D的阳极连接至所述第一副方绕组L1与所述第二副方绕组L2的串联连接端，所述二极管D的阴极与所述触发针电极连接。

更进一步地，所述等离子体喷射腔的喷嘴出口位于所述第二主电极内凹曲面的中心，且内凹曲面的轮廓线平滑延伸到所述第二主电极的边缘。

更进一步地，在所述触发针电极和所述绝缘环之间，且位于距离喷嘴较远处，形成有一定间隙，且越接近喷嘴，所述触发针电极和所述绝缘环之间的间隙越大；所述触发针电极头部靠近喷嘴，且与喷嘴保持一定的距离，不直接接触。

更进一步地，所述第二主电极的喷嘴开口很小，喷嘴开口夹角为不大于90度的锐角。

更进一步地，所述触发针电极与所述第二主电极之间且沿着绝缘环内壁构成的间隙沿面距离L大于5倍的触发针电极直径。

更进一步地，所述触发针电极直径为2mm～5mm。

更进一步地，针电极与主电极喷嘴之间的最小距离h与L的大小选择应满足绝缘配合原则，所述绝缘配合的原则为：当触发电压施加的时候，应该确保沿面间隙L先发生沿面电弧烧蚀，而不是h先发生针电极和主电极之间的直接击穿。

本发明的技术效果是：

(1)曲面主电极的结构，使得主间隙导通放电时，电弧弧根容易向电极外边缘运动，避免电极中心位置过度烧蚀，防止喷嘴堵塞和中心位置的烧蚀物堆积，提高了喷射等离子体开关的寿命。

(2)锥面的针电极，迫使喷射腔内等离子在洛伦兹力作用下向喷嘴运动；针电极针尖靠近喷嘴出口，占据喷嘴出口空间，加强压缩喷射效果；改进的喷射腔结构，延长了触发电弧的沿面烧蚀距离，有利于形成更为充沛的等离子体，提高喷射腔内的等离子体压力，进而提高了等离子体的喷射高度。