石墨电极气体开关的充气配比控制装置、充气装置及方法制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种石墨电极气体开关的充气配比控制装置、充气装置及方法；充气配比控制装置包括第一可控压力阀、第二可控压力阀、第三可控压力阀、第四可控压力阀、第一气压传感器、第二气压传感器、第一机电控制器、第二机电控制器、控制终端，第一缓冲气室、第二缓冲气室和混合气室。按照一定的惰性气体设置方案，通过一定充气配比方法，控制终端控制机电传感器，使可控压力阀动作，通过气压传感器监控压力值，使缓冲气室中的充入的气体达到设定的气压值，最终在混合气室中得到所需的完成配比的混合气体，并完成对气体开关的充气。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于高电压电工电器技术和脉冲功率
，更具体地，涉及一种石墨电极气体开关的充气配比控制装置、充气装置及方法。
技术介绍
气体间隙类开关是一种结构简单、调控方便的快速闭合开关，较之目前发展迅速的半导体类开关，更适宜各种极端参数运行环境。当前间隙开关的一个发展趋势是在特殊环境下满足更大的转移能量或更高的转移电荷量的应用需求。石墨电极气体开关是间隙开关的一种。石墨本身的熔点很高，与金属钨相当，其烧蚀的物相转化以升华为主，不像金属电极存在液化过程，且石墨碳的升华需要消耗相当的热能，升华后形成的游离碳可以与氧气结合形成二氧化碳气体不至于重新冷凝又复而污染电极表面，因此石墨电极气体开关具有较传统金属电极开关更优越的耐电弧烧蚀能力，寿命更长，被认为能以较高的性价比来满足数百千安、数百库仑、数兆焦级高压瞬态放电的工况场合需求。公开文献中已经有满足300～700kA通流峰值能力的石墨气体开关实现方案报道。但是，石墨是一种以碳共价键结合形成的无机非金属材料，其烧蚀过程要依赖于气体间隙中的氧参与化学反应，形成碳氧化物的废气，通过更换气体来补充氧气同时达到清洁电极表面的目的。尤其在需要通过数百千安甚至兆安级的强大电流时，开关转移电荷量或能量很大，所消耗的石墨碳也更多，需要的氧气也越多。否则，碳共价键被电弧热力学作用破坏后，在缺氧环境下，容易通过凝华作用形成游离态的固态碳而污染开关间隙，显著降低开关绝缘强度。此外，空气中的氮在电弧引起的高温高能量情况下，其原本稳定的共价键被破坏，游离态的氮原子会和氧形成氮氧化物，进一步又会与空气中的微量水分、开关附属的各种绝缘材料、密封材料发生化学反应，形成化学腐蚀，对开关结构和绝缘强度造成破坏。已经公开报道的石墨电极开关方案都是采用密封的干燥压缩空气作为绝缘介质。具体做法有两种，一种是直接以自然空气，经过压缩、干燥后充入密封的开关内腔中，形成高压空气间隙；另外一种是利用高压气瓶充气，高压气瓶中的气体是用液态气化后的氧气、氮气按照1:4的比例混合制成。这些供气方法中的氧氮含量都是固定的，由于实际工况不同，固定的氧气含量可能无法让消耗的碳完全转化为废气排出。另一方面，这两种做法都没有考虑放电过程中含氮产物对开关结构的腐蚀。
技术实现思路
针对现有技术的缺陷，本专利技术的目的在于提供一种石墨电极气体开关的充气配比控制装置、充气装置及方法，旨在解决目前常用供气方法中的氧氮含量固定，可能无法让消耗的碳完全转化为废气排出；同时没有考虑放电过程中含氮产物对开关结构腐蚀的问题。本专利技术提供了一种石墨电极气体开关的充气配比控制装置，包括氧气气源、惰性气体气源、第一可控压力阀S1、第二可控压力阀S2、第三可控压力阀S3、第四可控压力阀S4、第一气压传感器V1、第二气压传感器V2、第一机电控制器M1、第二机电控制器M2、控制终端C1，第一缓冲气室A1、第二缓冲气室A2和混合气室X1；所述第一可控压力阀S1的输入端通过气管连接氧气气源，所述第一缓冲气室A1的输入端通过气管连接至所述第一可控压力阀S1的输出端，所述第二可控压力阀S2的输入端通过气管连接至所述第一缓冲气室A1的第二输出端，所述混合气室X1的第一输入端通过气管连接至所述第二可控压力阀S2的输出端；所述第一气压传感器V1的输入端通过气管连接至所述第一缓冲气室A1的第一输出端，所述第一机电控制器M1的压力信号输入端连接至所述第一气压传感器V1的输出端，所述第一机电控制器M1的第一控制信号输出端连接至S1的控制端，所述第一机电控制器M1的第二控制信号输出端连接至S2的控制端，所述第一机电控制器M1的压力信号输出端和控制信号输入端均连接至所述控制终端C1的第一端；所述第三可控压力阀S3的输入端通过气管连接惰性气体气源，所述第二缓冲气室A2的输入端通过气管连接至所述第三可控压力阀S3的输出端，所述第四可控压力阀S4的输入端通过气管连接至所述第二缓冲气室A2的第二输出端，所述混合气室X1的第二输入端通过气管连接至所述第四可控压力阀S4的输出端；所述第二气压传感器V2的输入端通过气管连接至所述第二缓冲气室A2的第一输出端，所述第二机电控制器M2的压力信号输入端连接至所述第二气压传感器V2的输出端，所述第二机电控制器M2的第一控制信号输出端连接至第三可控压力阀S3的控制端，所述第二机电控制器M2的第二控制信号输出端连接至第四可控压力阀S4的控制端，所述第二机电控制器M2的压力信号输出端和控制信号输入端均连接至所述控制终端C1的第二端。更进一步地，所述第一缓冲气室A1和所述第二缓冲气室A2的容积相等；所述第一缓冲气室A1的压力值所述第二缓冲气室A2的压力值PO2＝kPO1，其中，P0为缓冲气室压力值，VA1为标准状态下所需的氧气气体体积，VO1为缓冲气室A1的容积，k的取值范围为1～4。更进一步地，所述控制终端C1包括：第一计算模块，用于根据气体开关T1的转移电荷量Q计算每次放电石墨电极的碳消耗质量M＝qm·Q；第二计算模块，用于将所述碳消耗质量M除以碳的原子量12后获得所述碳消耗的摩尔数，并根据所述碳消耗的摩尔数获得所需氧气的摩尔数DM；根据碳与氧气生成二氧化碳的化学反应式，可知所需氧气的摩尔数DM和石墨碳相同；第三计算模块，用于根据摩尔数DM获得所需氧气的气体体积VO1＝DM×22.4；并根据所需氧气的气体体积VO1和缓冲气室A1的容积VA1获得第一缓冲气室A1的第一压力值根据惰性气体与氧气的配比关系k获得第二缓冲气室A2的第二压力值PO2＝kPO1；判断模块，用于判断第一气压传感器V1实时检测的第一缓冲气室A1的压力值是否大于1.5PO1，若是，则输出第一控制信号，；若否，则输出第二控制信号；判断第二气压传感器V2实时检测的第二缓冲气室A2的压力值是否大于1.5PO2，若是，则输出第三控制信号；若否，则输出第四控制信号；以及控制模块，根据所述第一控制信号控制第一可控压力阀S1关闭且第二可控压力阀S2打开；根据所述第二控制信号控制第二可控压力阀S2关闭且第一可控压力阀S1打开；根据所述第三控制信号控制第三可控压力阀S3关闭且第四可控压力阀S4打开；根据所述第四控制信号控制第四可控压力阀S4关闭且第三可控压力阀S3打开；并当所述第一缓冲气室A1的压力值等于所述第一压力值，且第二缓冲气室A2的压力值等于所述第二压力值时，控制第二可控压力阀S2和第四可控压力阀S4均打开，从而在所述混合气室X1中获得完成配比后所需的混合气体。更进一步地，所述惰性气体气源为氦气或氩气。本专利技术还提供了一种基于权利要求1所述的充气配比控制装置的充气配比控制方法，包括下述步骤：S1：根据气体开关T1的转移电荷量Q计算每次放电石墨电极的碳消耗质量M＝qm·Q；S2：将所述碳消耗质量M除以碳的原子量12后获得所述碳消耗的摩尔数，并根据所述碳消耗的摩尔数获得所需氧气的摩尔数DM；根据碳与氧气生成二氧化碳的化学反应式，可知所需氧气的摩尔数DM和石墨碳相同；S3：根据摩尔数DM获得所需氧气的气体体积VO1＝DM×22.4；并根据所需氧气的气体体积VO1和第一缓冲气室A1的容积VA1获得第一缓冲气室A1的第一压力值根据惰性气体与氧气的配比关系k获得第二缓冲气室A2的第二压力值PO2＝kPO1；S本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种石墨电极气体开关的充气配比控制装置，其特征在于，包括氧气气源、惰性气体气源、第一可控压力阀S1、第二可控压力阀S2、第三可控压力阀S3、第四可控压力阀S4、第一气压传感器V1、第二气压传感器V2、第一机电控制器M1、第二机电控制器M2、控制终端C1，第一缓冲气室A1、第二缓冲气室A2和混合气室X1；所述第一可控压力阀S1的输入端通过气管连接氧气气源，所述第一缓冲气室A1的输入端通过气管连接至所述第一可控压力阀S1的输出端，所述第二可控压力阀S2的输入端通过气管连接至所述第一缓冲气室A1的第二输出端，所述混合气室X1的第一输入端通过气管连接至所述第二可控压力阀S2的输出端；所述第一气压传感器V1的输入端通过气管连接至所述第一缓冲气室A1的第一输出端，所述第一机电控制器M1的压力信号输入端连接至所述第一气压传感器V1的输出端，所述第一机电控制器M1的第一控制信号输出端连接至S1的控制端，所述第一机电控制器M1的第二控制信号输出端连接至S2的控制端，所述第一机电控制器M1的压力信号输出端和控制信号输入端均连接至所述控制终端C1的第一端；所述第三可控压力阀S3的输入端通过气管连接惰性气体气源，所述第二缓冲气室A2的输入端通过气管连接至所述第三可控压力阀S3的输出端，所述第四可控压力阀S4的输入端通过气管连接至所述第二缓冲气室A2的第二输出端，所述混合气室X1的第二输入端通过气管连接至所述第四可控压力阀S4的输出端；所述第二气压传感器V2的输入端通过气管连接至所述第二缓冲气室A2的第一输出端，所述第二机电控制器M2的压力信号输入端连接至所述第二气压传感器V2的输出端，所述第二机电控制器M2的第一控制信号输出端连接至第三可控压力阀S3的控制端，所述第二机电控制器M2的第二控制信号输出端连接至第四可控压力阀S4的控制端，所述第二机电控制器M2的压力信号输出端和控制信号输入端均连接至所述控制终端C1的第二端。...

【技术特征摘要】
1.一种石墨电极气体开关的充气配比控制装置，其特征在于，包括氧气气源、惰性气体气源、第一可控压力阀S1、第二可控压力阀S2、第三可控压力阀S3、第四可控压力阀S4、第一气压传感器V1、第二气压传感器V2、第一机电控制器M1、第二机电控制器M2、控制终端C1，第一缓冲气室A1、第二缓冲气室A2和混合气室X1；所述第一可控压力阀S1的输入端通过气管连接氧气气源，所述第一缓冲气室A1的输入端通过气管连接至所述第一可控压力阀S1的输出端，所述第二可控压力阀S2的输入端通过气管连接至所述第一缓冲气室A1的第二输出端，所述混合气室X1的第一输入端通过气管连接至所述第二可控压力阀S2的输出端；所述第一气压传感器V1的输入端通过气管连接至所述第一缓冲气室A1的第一输出端，所述第一机电控制器M1的压力信号输入端连接至所述第一气压传感器V1的输出端，所述第一机电控制器M1的第一控制信号输出端连接至S1的控制端，所述第一机电控制器M1的第二控制信号输出端连接至S2的控制端，所述第一机电控制器M1的压力信号输出端和控制信号输入端均连接至所述控制终端C1的第一端；所述第三可控压力阀S3的输入端通过气管连接惰性气体气源，所述第二缓冲气室A2的输入端通过气管连接至所述第三可控压力阀S3的输出端，所述第四可控压力阀S4的输入端通过气管连接至所述第二缓冲气室A2的第二输出端，所述混合气室X1的第二输入端通过气管连接至所述第四可控压力阀S4的输出端；所述第二气压传感器V2的输入端通过气管连接至所述第二缓冲气室A2的第一输出端，所述第二机电控制器M2的压力信号输入端连接至所述第二气压传感器V2的输出端，所述第二机电控制器M2的第一控制信号输出端连接至第三可控压力阀S3的控制端，所述第二机电控制器M2的第二控制信号输出端连接至第四可控压力阀S4的控制端，所述第二机电控制器M2的压力信号输出端和控制信号输入端均连接至所述控制终端C1的第二端。2.如权利要求1所述的充气配比控制装置，其特征在于，所述第一缓冲气室A1和所述第二缓冲气室A2的容积相等；所述第一缓冲气室A1的压力值所述第二缓冲气室A2的压力值PO2＝kPO1，其中，P0为缓冲气室压力值，VA1为标准状态下所需的氧气气体体积，VO1为缓冲气室A1的容积，k的取值范围为1～4。3.如权利要求1或2所述的充气配比控制装置，其特征在于，所述控制终端C1包括：第一计算模块，用于根据气体开关T1的转移电荷量Q计算每次放电石墨电极的碳消耗质量M＝qm·Q；第二计算模块，用于将所述碳消耗质量M除以碳的原子量12后获得所述碳消耗的摩尔数，并根据所述碳消耗的摩尔数获得所需氧气的摩尔数DM；根据碳与氧气生成二氧化碳的化学反应式，可知所需氧气的摩尔数DM和石墨碳相同；第三计算模块，用于根据摩尔数DM获得所需氧气的气体体积VO1＝DM×22.4；并根据所需氧气的气体体积VO1和缓冲气室A1的容积VA1获得第一缓冲气室A1的第一压力值根据惰性气体与氧气的配比关系k获得第二缓冲气室A2的第二压力值PO2＝kPO1；判断模块，用于判断第一气压传感器V1实时检测的第一缓冲气室A1的压力值是否大于1.5PO1，若是，则输出第一控制信号，；若否，则输出第二控制信号；判断第二气压传感器V2实时检测的第二缓冲气室A2的压力值是否大于1.5PO2，若是，则输出第三控制信号；若否，则输出第四控制信号；以及控制模块，根据所述第一控制信号控制第一可控压力阀S1关闭且第二可控压力阀S2打开；根据所述第二控制信号控制第二可控压力阀S2关闭且第一可控压力阀S1打开；根据所述第三控制信号控制第三可控压力阀S3关闭且第四可控压力阀S4打开；根据所述第四控制信号控制第四可控压力阀S4关闭且第三可控压力阀S3打开；并当所述第一缓冲气室A1的压力值等于所述第一压力值，且第二缓冲气室A2的压力值等于所述第二压力值时，控制第二可控压力阀S2和第四可控压力阀S4均打开，从而在所述混合气室X1中获得完成配比后所需的混合气体。4.如权利要求1-3任一项所述的充气配比控制装置，其特征在于，所述惰性气体气源为氦气或氩气。5.一种基于权利要求1所述的充气配比控制装置的充气配比控制方法，其特征在于，包括下述步骤：S1：根据气体开关T1的转移电荷量Q计算每次放电石墨电极的碳消耗质量M＝qm·Q；S2：将所述碳消耗质量M除以碳的原子量12后获得所述碳消耗的摩尔数，并根据所述碳消耗的摩尔数获得所需氧气的摩尔数DM；根据碳与氧气生成二氧化碳的化学反应式，可知所需氧气的摩尔数DM和石墨碳相同；S3：根据摩尔数DM获得所需氧气的气体体积VO1＝DM×22.4；并根据所需氧气的气体体积VO1和第一缓冲气室A1的容积VA1获得第一缓冲气室A1的第一压力值根据惰性气体与氧气的配比关系k获得第二缓冲气室A2的第二压力值PO2＝kPO1；S4：判断第一气压传感器V1...

【专利技术属性】
技术研发人员：李黎，彭明洋，程勇，
申请(专利权)人：华中科技大学，
类型：发明
国别省市：湖北;42