[发明专利]用于高压脉冲电源的多电极旋转火花隙开关

说明书

技术领域

该发明涉及一种用于高压脉冲电源的高压高重复频率开关。用于电介 质介电特性研究、废水处理和废气处理。

背景技术

脉冲功率技术是在较长的时间内以较低的功率储存能量，然后在较短 的时间内以较高的功率释放能量到特定负载中去的电物理技术，其实质是 将能量在时间尺度上进行压缩。高压脉冲电源是脉冲功率系统中的关键装 置，其作用是产生高压高瞬时功率的脉冲，它一般主要由三部分构成：储 能装置、高压开关和负载，其中高压开关是高压脉冲电源的核心部件，高 压开关的性能直接决定着电源整体的性能。

近年来，高压脉冲电源在工业上和科研中得到广泛应用。例如：废水 处理、废气处理、杀菌消毒、高能粒子束产生、等离子体产生、电介质介 电行为研究等。在这些领域的应用中，对高压脉冲电源的基本性能要求是： 1)脉冲上升沿陡(＜50ns)；2)重复频率高(1-5kHz)；3)高电压(U_MAX＞50kV)， 大电流(I_MAX)，高功率；4)工作寿命长。固体开关如晶闸管、IGBT、MOSFET 等虽然工作寿命长，重复频率高，但是开断电压和电流不能太大 (U_MAX＜5kV，I_MAX＜10KA)，开断功率小，开断高电压大电流所用时间较长 (＞100ns)，价格昂贵，并且需要有复杂的控制和保护电路，因而限制了其 在高压脉冲电源技术中的应用。火花隙开关由于其具有开断电压高、电流 大、开关时间短(＜50ns)、成本低、控制简单等优点而在高压脉冲电源技 术中得到了广泛应用。火花隙开关根据其结构和工作原理不同主要可分为 两种：两电极火花隙开关和三电极火花隙开关。前者由阳极和阴极组成， 无触发极，属于自击穿型，当加在两极的电压高于设定的电压时，火花隙 击穿而导通，因而开断存在很大的分散性。三电极火花隙开关由阳极、阴 极和触发极组成，当触发极施加一定幅值的快上升沿触发脉冲时，火花隙 击穿而导通，由于有触发极控制导通，故其开断分散性比两电极小，但控 制较复杂，尤其当电压较高时，很难产生快上升沿触发脉冲。目前，火花 隙开关存在的主要问题是：1)由于火花间隙击穿后气体绝缘强度恢复需要 一定的时间(＞1ms)，所以其重复工作频率较低，一般不超过1kHz；2)开 关寿命短，尤其是在高重复频率状况下工作时，由于放电产生的热量很容易 使电极烧蚀，从而导致开关寿命终结；3)不论三电极或两电极火花隙开关， 其开断分散性都比较大，由它产生的高压脉冲波形不稳定，且波形畸变大； 4)绝缘结构设计复杂。因而限制了以它作为开关部件的高压脉冲电源的商 业化应用。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，克服现有的火花隙开关存在的主要问 题，提供一种用于高压脉冲电源的多电极旋转火花隙开关。

本发明的技术方案：

该开关包括：定子、转子、转子针电极、定子针电极、驱动电机、轴、 轴承、连轴器、连轴器套筒、上端盖、下端盖。

在定子和转子上，分别通过螺纹连接安装2N层定子针电极和转子针电 极，电极层数N的大小取决于实际需要和开关的结构，1≤N≤h/d，h为定子 高度(单位mm)，d为定子上下两层针电极之间的绝缘距离，为保证开关的可 靠工作，d应满足d≥U(kV)30×40(mm)]]>其中U(kV)为开关工作电压。

在定子上，每层均匀安装M个定子针电极，M=2πR0.01,]]>R为定子内半径， 相邻电极之间距离大于1cm，并用导线相连保持同一电位，各层电极配置 完全相同。