[发明专利]一种混合型激光触发间隙

说明书

技术领域

本发明属于电力设备技术领域，具体涉及一种混合型激光触发间隙。

背景技术

激光触发开关本质上是利用大功率脉冲激光在间隙内(或电极表面)产生等离子体，使得局部电场发生畸变进而引起整个间隙发生击穿。激光触发开关的触发延迟和抖动小，自击穿概率低，运行稳定，且具有无电接触和适合同步触发等优点，是一类重要的闭合开关。目前，激光触发开关在脉冲功率领域发挥着重要的作用，世界上最大的脉冲功率装置“Z装置”(26MA,100ns)采用了36台同步运行的6.1MV,0.79MA激光触发开关；我国2013年底建成的“聚龙一号装置”(8-10MA,90ns)采用了24台同步运行的4MV激光触发开关。

电力系统中常采用外部触发的空气间隙实现电流合成，系统保护等。短空气间隙常采用电脉冲进行触发，激光触发的短空气间隙和真空间隙也在预研中。然而，随着超高压、特高压技术的发展，数百千伏甚至兆伏级长间隙的应用日益广泛。目前长空气间隙的触发主要采用火花塞或等离子体喷射装置产生较长的超声速等离子体流。虽然等离子体长度虽然可以达到～10cm量级，但是系统触发抖动在1-10μs甚至更长，若两个或多个长空气间隙需要同步运行时，系统抖动更大。此外，喷射的等离子体对地电极的烧蚀作用显著，影响电极使用寿命。

鉴于纳秒激光在脉冲功率领域同步触发百千伏、兆伏级间隙的成功应用和技术优势，其在电力系统中实现空气间隙低抖动和同步触发的应用前景也开始受到关注。与脉冲功率应用中的纳秒量级的触发抖动相比，电力系统中对触发抖动的要求可以放宽至亚微秒量级。但是，在脉冲功率的应用中，兆伏级激光触发开关由触发间隙和自击穿间隙串联组成：其中激光触发间隙电压小于1MV，在3-4个大气压SF₆绝缘气体下，激光触发间隙长度小于5cm；自击穿间隙在触发间隙导通后过压而自击穿。在电力系统的应用中，间隙通常工作在开放的空气环境中而非封闭的高压气体环境。对于百千伏甚至兆伏级的空气间隙，间隙长度显著增加(10-100cm)，远大于激光等离子体长度(通常～1cm)，这时激光等离子体对电场畸变的效果和引导等离子体通道的能力大大减弱，从而影响激光触发的性能。

此外需要指出的是，本世纪以来，人们发现高功率飞秒激光(>10¹³W/cm²)在空气中形成长度达数百米且较稳定的等离子体通道(成丝现象)，并可有效地引导数米长的空气间隙形成放电通道。然而亚焦耳级的飞秒激光器系统复杂、价格昂贵，且对运行环境和操作人员有较高的要求。目前，采用飞秒激光触发高压间隙的技术，在脉冲功率领域和电力系统领域都尚未得到真正应用。

发明内容

为了克服上述现有技术的不足，本发明提供一种混合型激光触发间隙，可以减小间隙的长度，从而降低长间隙开关的工作系数，减小激光触发的抖动和延时。

为了实现上述发明目的，本发明采取如下技术方案：

本发明提供一种混合型激光触发间隙，所述激光触发间隙包括短气体间隙和长空气间隙，所述短气体间隙和长空气间隙串联。

所述短气体间隙和长空气间隙共用中间电极。

所述短气体间隙位于高压极侧，其包括高压电极和中间电极；

所述长空气间隙包括低压电极和中间电极。

所述短气体间隙的长度不变，通过移动长空气间隙的低压电极调节长空气间隙的长度。

所述短气体间隙中高压电极和中间电极采用的材料均为铜钨合金，所述长空气间隙中低压电极的材料为铜。

上位机发送动作命令给数字延时发生器，所述数字延时发生器给激光器发送触发命令，激光器产生纳秒级激光，所述纳秒级激光通过反射镜反射，经过反射的纳秒级激光通过透镜后，穿过短气体间隙的高压电极聚焦到中间电极上，产生初始等离子体，初始等离子体在电场作用下，将诱导长空气间隙发生自击穿。

所述短气体间隙位于地电极侧，其包括低压电极和中间电极；

所述长空气间隙包括高压电极和中间电极。

所述短气体间隙的长度不变，通过移动长空气间隙的高压电极调节长空气间隙的长度。

所述短气体间隙中低压电极和中间电极采用的材料均为铜钨合金，所述长空气间隙中高压电极的材料为铜。

上位机发送动作命令给数字延时发生器，所述数字延时发生器给激光器发送触发命令，激光器产生纳秒级激光，所述纳秒级激光通过反射镜反射，经过反射的纳秒级激光通过透镜后，穿过短气体间隙的低压电极聚焦到中间电极上，产生初始等离子体，初始等离子体在电场作用下，将诱导长空气间隙发生自击穿。