[实用新型]一种气体火花开关

说明书

技术领域

本实用新型属于脉冲功率技术的高功率开关技术领域，具体涉及一种气体火花开关，功率为800 MW，重复频率为0.1 Hz，寿命可达100万次。

背景技术

开关技术是决定脉冲功率技术朝着更高功率、更高重复频率发展的关键因素。目前脉冲功率技术中能工作在重复频率运行条件下，且峰值功率能达到GW量级的开关主要是气体开关，但是一般而言大电流气体火花开关由于自身放电剧烈、烧蚀严重且气体绝缘性能恢复较慢，其寿命及重复频率往往比较低。从国防科技大学程新兵的工学硕士学位论文“高功率重复频率气体火花开关研究”等一系列文献可以看出，目前国内在GW量级气体火花开关的重复频率及寿命之间并未找到一个较为良好的解决方案。因此研究高功率大电流气体火花开关对脉冲功率装置的重复频率和长寿命运行有着重大意义。

发明内容

本实用新型要解决的技术问题是提供一种气体火花开关。

本实用新型的气体火花开关，其特点是，所述气体火花开关中的高压电极依次与压紧环、电极座、电极密封圈、螺母、弹垫连接；触发电极依次与上下卡环、绝缘垫圈、绝缘螺母、绝缘螺杆、外壳连接；所述高压电极与触发电极的中心线重合；进气嘴与出气嘴及相应气路形成循环气流。

本实用新型的气体火花开关，通过对影响气体火花开关寿命和重复频率运行因素进行分析研究，本实用新型解决现有气体火花开关寿命和重复频率瓶颈主要技术方案就是：一、提出同轴三电极结构，增大放电表面积同时均匀放电，尽可能增大电极使用寿命；二、引入循环气流，提高气体绝缘恢复能力的同时及时带走放电产物，避免对电极进行烧蚀和对绝缘结构内壁的污染。

气体开关的电极烧蚀是影响开关寿命的主要因素之一，而电极烧蚀主要由各种焦耳加热机制和放电产生的离子喷射对电极的烧蚀造成。开关工作时，大量的能量耗散在电极表面，当这个能量超过电极材料融化阈值时，就会发生金属熔化，甚至产生金属蒸汽喷射。当这些烧蚀在某一点达到一定程度之后，势必会影响开关电极间的场强分布和耐压特性，导致开关失效，缩短其使用寿命。因此增大开关寿命的主要途径集中在以下几个方面：(1)选择耐烧蚀的电极材料，减小开关电极焦耳热，降低开关电极的烧蚀程度；(2)减小单发放电的峰值电流和电荷转移量，可有效延长电极使用寿命；(3)对电极形状进行优化设计，使电极表面放电尽可能均匀，有利于减小局部区域电极的烧蚀；(4)使用循环吹气气流，及时带走放电产物，避免对电极进行烧蚀，且可以对绝缘外壳进行保护。

对气体开关来说，开关的重复频率运行取决于开关中气体复合和消电离的过程，即绝缘恢复过程。对气体绝缘恢复过程的研究，通常认为影响气体绝缘恢复过程的因素是炙热气体和残余的带电粒子。这两个因素的影响若在下一次放电前未完全恢复将会加速电子崩的形成，造成开关的提前击穿，影响开关性能。通过国内外的相关研究，通常采用以下几种方法提高气体火花开关的恢复速度：(1)对放电区强力吹气，有助于绝缘气体快速消电离且带走放电反应物；(2)采用具有更好恢复特性的气体作为开关的绝缘介质气体，除了气体类型，气体工作场强、不同混合气体也会对开关恢复速度造成影响；(3)放电电流对恢复过程影响很大，一般较小的电流对应较快的恢复速度；(4)此外，在开关电极间加扫描电压、改变负载阻抗、控制充电方式等都会对气体火花开关恢复速度有一定影响。

通过分析及实验验证，结合气体火花开关结构上可以进行改进各方面的实际情况，得到本实用新型提出的一种气体火花开关主要技术方案：引入同轴三电极结构及循环气流。

本实用新型的有益效果是：在现有气体火花开关放电机理研究基础上，对开关电极及绝缘结构进行优化，在引入同轴三电极结构及循环气流之后，新型长寿命高功率重复频率气体火花开关在寿命及重复频率上面都得到较大提升，大大提升气体火花开关在脉冲功率技术领域的应用范围，并有望进一步推进重复频率高功率脉冲功率装置的实现。

附图说明

图1是本实用新型的气体火花开关的结构示意图；

图中：1. 上下卡环    2.进气嘴     3. 出气嘴    4.密封圈     5. 绝缘垫圈     6. 绝缘螺母     7. 绝缘螺杆     8.外壳     9.高压电极     10.触发电极     11. 压紧环     12. 电极座     13.电极密封圈     14. 螺母     15. 弹垫。

具体实施方式

下面结合附图详细描述本实用新型一种气体火花开关。

图1为本实用新型的气体火花开关实施例的结构示意图，图1中，本实用新型的气体火花开关含有两个高压电极9、一个触发电极10和两个开关外壳8，两个高压电极9与一个触发电极10构成本实用新型主体同轴三电极结构，为了使放电均匀，三个同轴电极安装时必须保持十分良好的同轴度。其连接关系是，高压电极9通过与压紧环11、电极座12、电极密封圈13、螺母14、弹垫15紧密安装，保证高压电极同轴度，触发电极10通过与上下卡环1、密封圈4、绝缘垫圈5、绝缘螺母6、绝缘螺杆7、外壳8紧密安装，保证触发电极的同轴度。开关绝缘气体通过一个进气嘴2、两个出气嘴3及相应气路装置形成循环气流，结合开关独特的三电极结构形成良好的竖吹路径，有效的规避放电产物对电极的污染。