[发明专利]一种空气绝缘开关及快前沿高压方波发生器

说明书

技术领域

本发明属于高电压技术和脉冲功率技术，涉及一种高压方波发生器，尤其是一种快前沿的高压方波发生器

背景技术

方波脉冲发生器主要应用于高电压技术和脉冲功率技术领域，通常用来对分压器这类测量探头的分压比进行实验标定，对其输出的方波要求是上升前沿尽可能快、幅值高。

方波脉冲发生器的原理是，使用脉冲形成线(同轴电缆、L-C人工线或带状传输线)作为储能单元，快速闭合开关与脉冲形成线相连，预先对脉冲形成线进行直流充电，通过控制闭合开关快速闭合，在脉冲形成线中产生电磁波的折、返射过程，从而形成方波脉冲。方波脉冲的前沿、幅值和波形与闭合开关的性能密切相关。

目前方波脉冲发生器通常采用汞润开关(即水银开关)、放电管、半导体开关、气体火花开关、薄膜开关等。使用前三种开关的方波发生器，受开关本身性能的限制，难以同时满足输出方波脉冲前沿快(ns级)、幅值高(10kV以上)的要求。与本发明密切相关的是，2005年1月授权的一项发明专利即一种快前沿高电压方波脉冲发生器、刘锐于2006年公开的用于标定分压器的高电压毫微秒脉冲发生器和毛志国于2007年公开的一种10kV方波电压发生器。其中，第一种发生器采用单个放电间隙固体薄膜介质开关，配以电磁驱动机械式触发机构，联接标准同轴电缆，输出方波脉冲波形规则，前沿小于2ns，幅值达到12kV。第二种发生器使用紧凑型气体火花开关，输出方波幅值10kV，前沿约13ns。第三种发生器使用紧凑型氮气火花开关，输出方波幅值10kV，前沿小于2ns。

上述三种方波发生器在使用上都存在一定的不足。对于第一种发生器而言，由于开关中用来绝缘的固体薄膜在使用一次之后即失效，每次使用前都需更换新的薄膜，给使用者带来不便，降低了实验效率。第二种发生器输出方波幅值虽高，但前沿较慢(13ns)，第三种发生器输出的方波前沿和幅值都较为理想，然而由于使用高压氮气火花开关，需配备一个高压氮气瓶，使得整个装置较为复杂庞大。此外，后两种发生器输出电压幅值的调节只能通过调节开关内的气压高低，非常不便，且无法实现对方波幅值的精准调节；而第一种发生器只需调节形成线的充电电压即可改变输出方波的幅值。

发明内容

本发明的目的是为了克服现有方波发生器存在的上述不足，提出了一种快响应空气绝缘开关及快前沿高压方波发生器。该发生器采用空气绝缘开关，无需使用绝缘薄膜，开关结构简单紧凑配合电磁驱动的机械触发机构，形成线使用Blumlein双传输线构型，输出方波前沿快(小于5ns)、幅值高(10kV以上)，方波幅值调节精准且方便。

本发明的技术方案如下：

一种空气绝缘开关，包括同轴设置的内导体、外导体、绝缘套和触发针；内导体包括大截面的工作端和小截面的尾端，工作端和尾端之间光滑过渡；绝缘套为喇叭结构，套接在内导体外圈；外导体包括端盖结构的触发外导体和喇叭结构的导通外导体，导通外导体套接在绝缘套的外圈，且尾端为小径，触发外导体扣在导通外导体的喇叭口端部，触发外导体的端盖中心设置有通孔，通孔的中心正对内导体工作端的中心；

触发针同轴设置在通孔的中心，所述触发针依靠电磁铁驱动机构的作用下沿着通孔的中心前后移动，撞击内导体进行触发。

上述空气绝缘开关中，内导体的尾端和触发外导体的尾端分别与标准电缆头的内导体和外导体电联接。

上述空气绝缘开关中，驱动机构为电磁铁，触发针固定在电磁铁的衔铁上。

上述空气绝缘开关中，触发外导体和导通外导体之间依靠螺纹副联接，导通外导体与绝缘套之间、绝缘套与内导体之间均为紧密配合。

上述空气绝缘开关中，内导体、触发外导体和导通外导体均使用黄铜加工制作，绝缘套使用聚四氟乙烯加工制作。

上述空气绝缘开关中，导通外导体与内导体大端端面之间沿径向的绝缘距离大于10mm。

一种快前沿高压方波发生器，包括高压源、充电电阻、一级脉冲形成线、二级脉冲形成线、空气绝缘开关和负载；高压电源通过充电电阻给一级脉冲形成线和二级脉冲形成线充电，一级脉冲形成线和二级脉冲形成线内导体直接连接，外导体则通过负载电阻相连；二级脉冲形成线的内导体和外导体直接与空气绝缘开关的内导体和外导体相连接。

上述快前沿高压方波发生器中，一级脉冲形成线和二级脉冲形成线均采用工业标准同轴电缆，两者长度相等，其长度由所需输出方波脉冲宽度决定。

本发明具有的有益技术效果如下：