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四 电极双极性脉冲触发气体 开关及其触发方法

阅读：482发布：2023-01-09

专利汇可以提供四电极双极性脉冲触发气体开关及其触发方法专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本发明一种四电极双极性脉冲触发气体开关，包括绝缘外筒、分别设置在绝缘外筒两端的正极性高压电极和负极性高压电极、设置在正极性高压电极和负极性高压电极之间的触发电极、设置在绝缘外筒内的工作介质；正极性高压电极和负极性高压电极分别接正负极直流高压；触发电极包括负极性触发电极和正极性触发电极；正极性触发电极和负极性触发电极分别接正负极触发脉冲；负极性触发电极与正极性高压电极相邻，正极性触发电极与负极性高压电极相邻。本发明解决了现有气体开关对触发脉冲幅值的要求较高，且开关自击穿过程的过电压系数较低的技术问题。，下面是四电极双极性脉冲触发气体开关及其触发方法专利的具体信息内容。

权利要求

1.一种四电极双极性脉冲触发气体开关，包括绝缘外筒（5）、分别设置在绝缘外筒两端的正极性高压电极（1）和负极性高压电极（4）、设置在正极性高压电极（1）和负极性高压电极（4）之间的触发电极、设置在绝缘外筒（5）内的工作介质；所述正极性高压电极（1）和负极性高压电极（4）分别接正负极直流高压；
其特征在于：
所述触发电极包括负极性触发电极（2）和正极性触发电极（3）；
所述正极性触发电极（3）和负极性触发电极（2）分别接正负极触发脉冲；
所述负极性触发电极（2）与正极性高压电极（1）相邻，所述正极性触发电极（3与负极性高压电极（4相邻。
2.根据权利要求1所述的四电极双极性脉冲触发气体开关，其特征在于：所述正极性高压电极（1）、负极性触发电极（2）、正极性触发电极（3）、负极性高压电极（4）之间等间距。
3.根据权利要求2所述的四电极双极性脉冲触发气体开关，其特征在于：所述正极性高压电极（1）、负极性触发电极（2）、正极性触发电极（3）、负极性高压电极（4）之间的距离均为6mm。
4.根据权利要求1或2或3所述的四电极双极性脉冲触发气体开关，其特征在于：所述正极性高压电极（1）和负极性高压电极（4）之间施加±100kV直流高压；所述负极性触发电极（2）和正极性触发电极（3）之间施加±70kV的触发脉冲。
5.根据权利要求4所述的四电极双极性脉冲触发气体开关，其特征在于：所述工作介质为六氟化硫气体或氮气。
6.权利要求1所述四电极双极性脉冲触发气体开关同时触发的方法，其特征在于，包括以下步骤：
1】开关呈断开状态，正极性高压电极（1）和负极性高压电极（4）之间分别施加正负极直流高压；
2】正极性触发电极（3）和负极性触发电极（2）之间同时施加正负极触发脉冲；
3】正极性高压电极（1）与负极性触发电极（2）之间以及正极性触发电极（3）与负极性高压电极（4）之间分别发生击穿；
4】负极性触发电极（2）与正极性触发电极（3）之间发生击穿，气体开关导通。
7.根据权利要求6所述四电极双极性脉冲触发气体开关同时触发的方法，其特征在于：
所述正极性高压电极（1）和负极性高压电极（4）之间分别施加±100kV直流高压；所述正极性触发电极（3）和负极性触发电极（2）之间同时施加±70kV的触发脉冲。
8.权利要求1所述四电极双极性脉冲触发气体开关微调时序触发的方法，其特征在于：包括以下步骤：
1】开关呈断开状态，正极性高压电极（1）和负极性高压电极（4）之间分别施加正负极直流高压；
2】正极性触发电极（3）施加正极性触发脉冲；
3】正极性高压电极（4）与负极性触发电极（3）之间发生击穿；
4】负极性触发电极（2）施加负极性触发脉冲；
5】负极性高压电极（2）与正极性触发电极（1）之间发生击穿；
6】负极性触发电极（2）与正极性触发电极（3）之间发生击穿，气体开关导通。
9.根据权利要求8所述四电极双极性脉冲触发气体开关微调时序触发的方法，其特征在于：
所述正极性高压电极（1）和负极性高压电极（4）之间分别施加±100kV直流高压；所述正极性触发电极（3）和负极性触发电极（2）之间分别施加±70kV的触发脉冲。

说明书全文

四电极双极性脉冲触发气体 开关及其触发方法

技术领域

[0001] 本发明涉及一种四电极双极性脉冲触发气体开关，主要特点是采用正负两种极性充电，并采用正负两种极性脉冲交替进行触发，可以实现低的触发阈值与低抖动。

背景技术

[0002] 开关在脉冲功率装置中具有重要作用，其性能直接影响装置的输出特性。由于气体开关的工作电压高、通流能力强、导通速度快、导通后的电阻及电感小，而且还可以重复使用，因此应用最广泛。但与固体开关相比，气体开关的触发阈值较高。

[0003] 现有的气体开关大多采用单路单极性脉冲进行触发，要求触发脉冲的幅值高、前沿陡。以西北核技术研究所研制的±100kV三电极场畸变气体火花开关为例（魏浩等发表在《强激光与粒子束》第24卷第4期第881页，“±100kV三电极场畸变气体火花开关”），开关由两个平球头高压电极与一个圆盘触发电极构成。在触发前，高压电极的电势分别为+100kV和-100kV，触发电极的电势为0；施加+140kV触发脉冲后，触发电极与-100kV高压电极先发生击穿，触发电极电位变为-100kV，在过电压及间隙放电的作用下，触发电极再与+100kV高压电极发生击穿，整个开关导通。开关击穿分散主要发生在第二个过程(自击穿过程)。假设开关的工作系数(工作电压与击穿电压之比)为0.7，则开关自击穿过程的过电压系数(施加电压与击穿电压之比)为1.4。

[0004] 现有的气体开关对触发脉冲幅值的要求较高，且开关自击穿过程的过电压系数较低，限制了开关在脉冲功率装置中的应用。

发明内容

[0005] 本发明的目的是提供一种四电极双极性脉冲触发气体开关及其触发方法，解决了现有气体开关对触发脉冲幅值的要求较高，且开关自击穿过程的过电压系数较低的技术问题。

[0006] 本发明的技术解决方案：

[0007] 一种四电极双极性脉冲触发气体开关，包括绝缘外筒5、分别设置在绝缘外筒两端的正极性高压电极1和负极性高压电极4、设置在正极性高压电极1和负极性高压电极4之间的触发电极、设置在绝缘外筒5内的工作介质；所述正极性高压电极1和负极性高压电极4分别接正负极直流高压；其特殊之处在于：

[0008] 所述触发电极包括负极性触发电极2和正极性触发电极3；

[0009] 所述正极性触发电极3和负极性触发电极2分别接正负极触发脉冲；

[0010] 所述负极性触发电极2与正极性高压电极1相邻，所述正极性触发电极3与负极性高压电极4相邻。

[0011] 上述正极性高压电极1、负极性触发电极2、正极性触发电极3、负极性高压电极4之间等间距。

[0012] 上述正极性高压电极1、负极性触发电极2、正极性触发电极3、负极性高压电极4之间的距离均为6mm。

[0013] 上述正极性高压电极1和负极性高压电极4之间施加±100kV直流高压；所述负极性触发电极2和正极性触发电极3之间施加±70kV的触发脉冲。

[0014] 上述工作介质为六氟化硫气体或氮气。

[0015] 上述四电极双极性脉冲触发气体开关同时触发的方法，其特殊之处在于，包括以下步骤：

[0016] 1】开关呈断开状态，正极性高压电极1和负极性高压电极4之间分别施加正负极直流高压；

[0017] 2】正极性触发电极3和负极性触发电极2之间同时施加正负极触发脉冲；

[0018] 3】正极性高压电极1与负极性触发电极2之间以及正极性触发电极3与负极性高压电极4之间分别发生击穿；

[0019] 4】负极性触发电极2与正极性触发电极3之间发生击穿，气体开关导通。

[0020] 7、根据权利要求6所述四电极双极性脉冲触发气体开关同时触发的方法，其特征在于：

[0021] 所述正极性高压电极1和负极性高压电极4之间分别施加±100kV直流高压；所述正极性触发电极3和负极性触发电极2之间同时施加±70kV的触发脉冲。

[0022] 上述四电极双极性脉冲触发气体开关微调时序触发的方法，其特殊之处在于：包括以下步骤：

[0023] 1】开关呈断开状态，正极性高压电极1和负极性高压电极4之间分别施加正负极直流高压；

[0024] 2】正极性触发电极3施加正极性触发脉冲；

[0025] 3】正极性高压电极4与负极性触发电极3之间发生击穿；

[0026] 4】负极性触发电极2施加负极性触发脉冲；

[0027] 5】负极性高压电极2与正极性触发电极1之间发生击穿；

[0028] 6】负极性触发电极2与正极性触发电极3之间发生击穿，气体开关导通。

[0029] 上述正极性高压电极1和负极性高压电极4之间分别施加±100kV直流高压；所述正极性触发电极3和负极性触发电极2之间分别施加±70kV的触发脉冲。

[0030] 本发明的有益效果：

[0031] 1、本发明气体开关的稳定性高。

[0032] 如果开关包含两个触发电极，而且采用两路极性相反的脉冲同时或按时序交替进行触发，则可以大大降低开关对触发脉冲幅值的要求，而且可以提高开关自击穿过程的过电压系数。假定开关高压电极的电势仍为±100kV，开关四电极之间为等间隙，由于电压在开关的高压电极与触发电极之间近似均等分布，因此两个触发电极的电势分别为±33.3kV，施加两路脉冲触发后触发电极的电势变为±100kV。当开关的工作系数仍为0.7时，自击穿过程的过电压系数为2.1，因此本发明涉及的四电极双极性触发开关的稳定性会优于三电极单脉冲触发的气体开关。

[0033] 2、本发明气体开关的触发时延、触发阈值及抖动低，对触发脉冲幅值的要求低。

[0034] 本发明考虑了气体开关充电电压与触发脉冲之间的极性配合，采用正负两种极性脉冲交替进行触发，并可以通过微调触发脉冲的时序来控制开关的导通过程，有利于减小开关的触发时延与抖动。与原有三电极单极性触发开关相比，采用双极性脉冲触发时，触发脉冲的幅值仅为原有方式的一半。

[0035] 如前所述，原有三电极单极性触发开关，触发电极与一侧高压电极击穿后，剩余一侧的间隙靠过电压击穿，过电压系数为开关2倍的工作系数。本发明涉及的开关为四电极结构，高压电极与触发电极击穿后，剩余间隙的过电压系数为开关3倍的工作系数。由导通过程的分析可知，同时触发或是按微调时序触发，均有利于实现开关低的触发阈值与低抖动。同时触发时，由于放电在多个间隙内同时发生，还有利于减小开关的触发时延。附图说明

[0036] 图1是本发明四电极双极性脉冲触发气体开关的纵剖面结构图；

[0037] 图中：1-正极性高压电极，2-负极性触发电极，3-正极性触发电极，4-负极性高压电极，5-绝缘外筒。

具体实施方式

[0038] 本发明涉及一种四电极结构的气体开关，包含两个高压电极与两个触发电极，并采用正负两种极性的脉冲触发。在触发瞬间，高压电极与触发电极上的电压极性按正、负、正、负顺序交替。

[0039] 图1是本发明的纵剖面结构图。该四电极开关最高工作电压可达±100kV，采用±70kV脉冲进行触发。高压电极与触发电极、触发电极与触发电极之间为等间距，均为6mm，工作介质可采用六氟化硫气体、氮气或是二者的混合。

[0040] 同时触发时，本发明的工作过程如下：(1)开关呈断开状态，高压电极分别施加±100kV直流高压，开关四电极之间为等间隙，电压在开关的高压电极与触发电极之间近似均等分布，因此触发电极的电势分别为±33.3kV；(2)两路±70kV的触发脉冲同时施加到开关的触发电极上，高压电极与触发电极之间的电势差变为170kV，平均电场强度为触发前的2.55倍，触发电极之间的平均电场强度为触发前的2.10倍；(3)高压电极与触发电极先发生击穿，触发电极电势变为±100kV，平均电场强度为触发前的3倍；(4)正负两触发电极之间发生击穿，整个开关呈导通状态。

[0041] 微调时序触发时，以先施加正极性触发脉冲为例，本发明的工作过程如下：(1)开关呈断开状态，高压电极分别施加±100kV直流高压，由于开关四电极之间为等间隙，电压在开关的高压电极与触发电极之间近似均等分布，因此触发电极电势分别为±33.3kV；(2)施加+70kV的触发脉冲至正极性触发电极，此时负极性高压电极与正极性触发电极之间电势差变为170kV，平均电场强度为触发前的2.55倍；(3)开关负极性高压电极与正极性触发电极发生击穿，触发电极电势变为-100kV，而正负两触发电极之间的平均电场强度为触发前的0.55倍，不会发生击穿；(4)施加-70kV触发脉冲至负极性触发电极，此时正极性高压电极与负极性触发电极之间电势差变为170kV，平均电场强度为触发前的2.55倍，而正负两触发电极之间的平均电场强度为触发前的0.45倍，依然不会发生击穿；(5)开关正极性高压电极与负极性触发电极发生击穿，触发电极电势分别变为±100kV，平均电场强度为触发前的3倍；(6)正负两触发电极之间发生击穿，整个开关导通。

[0042] 本发明原理：

[0043] 当双极性脉冲同时交替施加到开关触发极时，开关内所有间隙同时发生电场增强并形成放电。通过优化触发电极位置，使触发电极与高压电极之间的电场较触发电极之间电场更强时，高压电极会与触发电极先击穿，之后触发电极电势改变为对应高压电极的电势，在过电压以及原有放电影响下两个触发电极之间发生击穿，整个开关导通。也可微调两路触发脉冲的施加时刻，控制开关内各间隙的导通顺序。

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