一种高压四断口激光触发真空开关制造技术

本发明专利技术提供一种高压四断口激光触发真空开关，属于高压大容量脉冲功率开关技术领域。一种高压四断口激光触发真空开关，包括四个首尾依次连接的平板型激光触发真空间隙及其同步触发系统；四个真空间隙分别位于一等腰梯形的四个顶点；本发明专利技术将四个激光触发真空间隙串联组成高压激光触发真空开关，设置串联间隙的布置方式使间隙间电压均匀分布，配合多触发极结构的激光触发真空间隙及同步触发系统，提升高压四断口激光触发真空开关的同步导通性能及其应用电压等级；采用多路平行激光同时轰击电极表面的多个靶电极，以产生更多初始等离子体，提升开关的导通性能与使用寿命。

【技术实现步骤摘要】
一种高压四断口激光触发真空开关
本专利技术属于高压大容量功率开关
，涉及一种高压四断口激光触发真空开关。
技术介绍
近年来我国国防、科研、电力系统保护等多个关键
对脉冲功率技术的应用与研究需求不断增长，研发一种大功率、高重频、工作性能优异的脉冲功率开关器件势在必行。目前针对脉冲功率系统中闭合开关的研究主要可分为气体触发开关和真空触发开关两个方向，按其触发方式区分又有电脉冲触发和激光触发两种类型。电脉冲触发开关主要依赖其触发极与主电极间的高能脉冲放电来产生初始等离子体导通主间隙，具有结构简单、通流量大的优点；但维持其良好工作性能所需的触发能量过高，且电弧对其触发极及触发极涂覆材料存在严重的烧蚀作用，影响电脉冲触发开关的应用范围和使用寿命。激光触发开关采用激光脉冲作为触发源，具有触发系统电气隔离、重复触发控制简单的特点。激光触发气体开关受其绝缘气体电气特性的影响，重频开断能力相对较差；此外，为获得良好的工作性能，激光触发气体开关需维持较高的工作欠压比及一定充气压力，限制了其应用范围。激光触发真空开关是一种综合了电脉冲触发真空开关和激光触发气体开关技术优点的一种新型脉冲功率闭合开关器件，其以高能量密度的激光脉冲轰击靶电极中触发靶材，产生大量初始等离子体使真空间隙能快速导通；利用真空短间隙良好的绝缘性能和极为优异灭弧能力获得更佳的重频开断特性。相较于激光触发气体开关，激光触发真空开关具有导通延时短、触发精度高、工作电压范围宽、触发可靠性高、重频开断特性优良、工作寿命长、抗干扰能力强等优点，在诸多应用领域都展现出了极大的发展潜力。但受限于真空间隙耐压水平与其间隙距离间存在非线性增长关系，提升单断口激光触发真空开关的电压等级较为困难。国内外现有的激光触发真空开关产品的电压等级相对较低且性能有限，难以满足高压系统对大容量激光触发真空开关的工作性能需求。基于高压多断口真空开关技术的研究基础，若将多个激光触发真空间隙串联，组成一种新型多断口激光触发真空开关以提升其应用电压等级；设置串联真空间隙的布置方式使间隙间获得更为均匀的电压分布关系，满足多断口激光触发真空开关的同步导通需求；改变真空间隙内靶电极的数量和位置，使间隙内能产生更多初始等离子体以提升开关的同步导通性能；设计开关的同步触发系统，控制激光器同时产生多路能量相等的平行激光，实现多个激光触发真空间隙的同步触发，以此获得性能更优、容量更大的激光触发真空开关产品。
技术实现思路
本专利技术要解决的技术问题是提供一种高压四断口激光触发真空开关，通过设置四个串联的激光触发真空间隙的布置方式来优化间隙间电压分布关系，满足多断口激光触发真空开关的同步导通需求；改变真空间隙内靶电极数量使间隙内能产生更多初始等离子体，提升激光触发真空开关的同步导通性能；设计同步触发系统，使激光器同时发出多路能量相等的平行激光，实现高压四断口激光触发真空开关快速、同步导通。本专利技术的技术方案：一种高压四断口激光触发真空开关，包括同步触发系统、四个串联的平板电极结构的激光触发真空间隙、高压接线端子、接线端子、低压接线端子、支撑绝缘子、空心绝缘支柱、双层架台和底座；所述的四个激光触发真空间隙分别位于架台的上、下两层上，四个激光触发真空间隙经三个接线端子首尾相连，形成一个等腰梯形，各激光触发真空间隙分别位于等腰梯形的顶点处，同一侧两个激光触发真空间隙的连线与地面的夹角为45°，此布置方式可使串联真空间隙间的电压均匀分布，避免不同欠压比下各激光触发真空间隙的导通延时及触发精度差异对高压四断口激光触发真空开关的同步导通性能的影响，同时可在一定程度上提升开关的应用电压等级；高压四断口激光触发真空开关经高压接线端子、低压接线端子与外部系统连接；各激光触发真空间隙通过支撑绝缘子和/或绝缘支柱被分别竖直固定在双层架台上，保证开关的机械稳定性及外绝缘需求，底座设置于双层架台下方，用于支撑整个高压四断口激光触发真空开关；所述的平板型激光触发真空间隙包括绝缘外壳、上端盖法兰、下端盖法兰、阳极导电杆、阴极导电杆、隔挡盖、高透光学玻璃、密封可阀、屏蔽罩、阳极触头、阴极触头、通光孔、触发靶材和靶电极；所述的绝缘外壳为带伞群的圆柱状腔体，其上下两端分别由上端盖法兰、下端盖法兰密封；阳极导电杆为空心圆柱，通过上端盖法兰实现密封；阴极导电杆与下端盖法兰密封连接；阳极导电杆顶部接有隔档盖，隔档盖内嵌有高透光学玻璃和密封可阀，高透光学玻璃经密封可阀密封连接在阳极导电杆的顶部，在保证触发间隙内真空度的同时提供激光通道；屏蔽罩位于绝缘外壳内部，用于优化激光触发真空间隙内电场分布；阳极触头与阳极导电杆底部直连，阴极触头接于阴极导电杆顶部，阳极触头与阴极触头相对布置，均位于屏蔽罩内；阳极触头中心设有多个通光孔，各通光孔位于一个与阳极触头同心的正多边形顶点，各通光孔与阴极触头表面多个靶电极的位置一一对应；触发靶材经压制后填充于靶电极内，触发靶材的位置略低于阴极触头表面，以减弱电弧烧蚀对靶材使用寿命的影响；所述的通光孔与靶电极的数量及位置可根据工程需要进行调整，增大通光孔与靶电极的数量可增大激光与触发靶材的直接作用面积，提升激光触发真空开关的导通性能，同时在一定程度上减小激光烧蚀对靶材寿命的影响；入射激光经高透光学玻璃及阳极导电杆下的通光孔作用于靶电极内触发靶材。所述的同步触发系统，包括触发控制器、通信光纤、两台激光器、两组第一分光镜片A、两组全反镜片A和四条结构相同的分光光路；所述的第一分光镜片A为透过率50％的1:1分光镜片；所述的触发控制器通过通信光纤分别控制两台激光器，每台激光器对应一组第一分光镜片A、一组全反镜片A和两条分光光路，激光器发出的激光首先经第一分光镜片A分光成为两路能量相等的激光，经第一分光镜片A反射的激光进入第一条分光光路，透过第一分光镜片A的另一路激光经全反镜片A反射进入第二条分光光路；每条分光光路包括多个分光镜片、多个全反镜片和多个聚焦镜片，分光光路将入射激光分光成多束能量相等的平行激光；分光镜片的分光比例、位置与数量与全反镜片的位置、数量以及聚焦镜片的位置和数量相配合，使最终射入激光触发真空间隙内的激光束的数目与通光孔数目相同；触发控制器经远程光纤接收外部系统的动作指令后，经通信光纤分别向两台激光器发送触发信号，激光器发出的激光分别进入四条分光光路进行分光，分光后的激光经过各聚焦镜片聚焦后，穿过高透光学玻璃、通光孔后聚焦于触发靶材表面，实现四个激光触发真空间隙同步导通。分光光路的优选方案：每条分光光路包括第二分光镜片、全反镜片B、第一分光镜片B、全反镜片C和三个聚焦镜片；所述的第二分光镜片为透过率66％的2:1分光镜片，所述的第一分光镜片B为透过率50％的1:1分光镜片；当触发控制器向两台激光器发送动作指令，激光器发出的激光脉冲先经第一分光镜片A进行一次分光，经第一分光镜片A反射的激光经第二分光镜片进行二次分光；经第二分光镜片反射的激光又经全反镜片B反射后射向一个聚焦镜片，透过第二分光镜片的激光又被第一分光镜片B进行三次分光，透过第一分光镜片B的激光射向另一聚焦镜片，被第一分光镜片B反射的激光经全反镜片C反射后射向第三个聚集镜片；最终，分光后能量相等的平行激光经各自聚焦镜片分别聚焦后，穿过高透光学玻璃、通本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种高压四断口激光触发真空开关，其特征在于，包括同步触发系统、四个串联的平板电极结构的激光触发真空间隙、高压接线端子(5)、接线端子(7)、低压接线端子(6)、支撑绝缘子(8)、空心绝缘支柱(9)、双层架台(14)和底座(13)；所述的四个激光触发真空间隙首尾相连，形成一个等腰梯形，各激光触发真空间隙分别位于等腰梯形的顶点处，同一侧两个激光触发真空间隙的连线与地面的夹角为45°；高压四断口激光触发真空开关经高压接线端子(5)、低压接线端子(6)与外部系统连接；各激光触发真空间隙通过支撑绝缘子(8)和/或绝缘支柱(9)被分别竖直固定在双层架台(14)上，保证开关的机械稳定性及外绝缘需求，底座(13)设置于双层架台(14)下方，用于支撑整个高压四断口激光触发真空开关；所述的平板型激光触发真空间隙包括绝缘外壳(15)、上端盖法兰(16)、下端盖法兰(17)、阳极导电杆(11)、阴极导电杆(10)、隔挡盖(18)、高透光学玻璃(19)、密封可阀(20)、屏蔽罩(21)、阳极触头(22)、阴极触头(23)、通光孔(24)、触发靶材(25)和靶电极(26)；所述的绝缘外壳(15)为带伞群的圆柱状腔体，其上下两端分别由上端盖法兰(16)、下端盖法兰(17)密封；阳极导电杆(11)为空心圆柱，通过上端盖法兰(16)实现密封；阴极导电杆(10)与下端盖法兰(17)密封连接；阳极导电杆(11)顶部接有隔档盖(18)，隔档盖(18)内嵌有高透光学玻璃(19)和密封可阀(20)，高透光学玻璃(19)经密封可阀(20)密封连接在阳极导电杆(11)的顶部，保证触发间隙内真空度的同时提供激光通道；阳极触头(22)与阴极触头(23)相对布置，均位于屏蔽罩(21)内，阳极触头(22)中心设有多个通光孔(24)，各通光孔(24)位于一个与阳极触头同心的正多边形顶点，各通光孔(24)与阴极触头(23)表面多个靶电极(26)的位置一一对应；触发靶材(25)经压制后填充于靶电极(26)内，触发靶材(25)的位置略低于阴极触头(23)表面；入射激光(12)经高透光学玻璃(19)及阳极导电杆(11)下的通光孔(24)作用于靶电极(26)内触发靶材(25)；所述的同步触发系统，包括触发控制器(27)、通信光纤(28)、两台激光器(29)、两组第一分光镜片A(30)、两组全反镜片A(31)和四条结构相同的分光光路；所述的第一分光镜片A(30)为透过率50％的1:1分光镜片；所述的触发控制器(27)通过通信光纤(28)分别控制两台激光器(29)，每台激光器(29)对应一组第一分光镜片A(30)、一组全反镜片A(31)和两条分光光路，激光器(29)发出的激光首先经第一分光镜片A(30)分光成为两路能量相等的激光，经第一分光镜片A(30)反射的激光进入第一条分光光路，透过第一分光镜片A(30)的另一路激光经全反镜片A(31)反射进入第二条分光光路；每条分光光路包括多个分光镜片、多个全反镜片和多个聚焦镜片，分光光路将入射激光分光成多束能量相等的平行激光；分光镜片的分光比例、位置与数量与全反镜片的位置、数量以及聚焦镜片的位置和数量相配合，使最终射入激光触发真空间隙内的激光束的数目与通光孔(24)数目相同；触发控制器(27)经远程光纤接收外部系统的动作指令后，经通信光纤(28)分别向两台激光器(29)发送触发信号，激光器(29)发出的激光分别进入四条分光光路进行分光，分光后的激光经过各聚焦镜片(36)聚焦后，穿过高透光学玻璃(19)、通光孔(24)后聚焦于触发靶材(25)表面，实现四个激光触发真空间隙同步导通。...

【技术特征摘要】
1.一种高压四断口激光触发真空开关，其特征在于，包括同步触发系统、四个串联的平板电极结构的激光触发真空间隙、高压接线端子(5)、接线端子(7)、低压接线端子(6)、支撑绝缘子(8)、空心绝缘支柱(9)、双层架台(14)和底座(13)；所述的四个激光触发真空间隙首尾相连，形成一个等腰梯形，各激光触发真空间隙分别位于等腰梯形的顶点处，同一侧两个激光触发真空间隙的连线与地面的夹角为45°；高压四断口激光触发真空开关经高压接线端子(5)、低压接线端子(6)与外部系统连接；各激光触发真空间隙通过支撑绝缘子(8)和/或绝缘支柱(9)被分别竖直固定在双层架台(14)上，保证开关的机械稳定性及外绝缘需求，底座(13)设置于双层架台(14)下方，用于支撑整个高压四断口激光触发真空开关；所述的平板型激光触发真空间隙包括绝缘外壳(15)、上端盖法兰(16)、下端盖法兰(17)、阳极导电杆(11)、阴极导电杆(10)、隔挡盖(18)、高透光学玻璃(19)、密封可阀(20)、屏蔽罩(21)、阳极触头(22)、阴极触头(23)、通光孔(24)、触发靶材(25)和靶电极(26)；所述的绝缘外壳(15)为带伞群的圆柱状腔体，其上下两端分别由上端盖法兰(16)、下端盖法兰(17)密封；阳极导电杆(11)为空心圆柱，通过上端盖法兰(16)实现密封；阴极导电杆(10)与下端盖法兰(17)密封连接；阳极导电杆(11)顶部接有隔档盖(18)，隔档盖(18)内嵌有高透光学玻璃(19)和密封可阀(20)，高透光学玻璃(19)经密封可阀(20)密封连接在阳极导电杆(11)的顶部，保证触发间隙内真空度的同时提供激光通道；阳极触头(22)与阴极触头(23)相对布置，均位于屏蔽罩(21)内，阳极触头(22)中心设有多个通光孔(24)，各通光孔(24)位于一个与阳极触头同心的正多边形顶点，各通光孔(24)与阴极触头(23)表面多个靶电极(26)的位置一一对应；触发靶材(25)经压制后填充于靶电极(26)内，触发靶材(25)的位置略低于阴极触头(23)表面；入射激光(12)经高透光学玻璃(19)及阳极导电杆(11)下的通光孔(24)作用于靶电极(26)内触发靶材(25)；所述的同步触发系统，包括触发控制器(27)、通信光纤(28)、两台激光器(29)、两组第一分光镜片A(30)、两组全反镜片A(31)和四条结构相同的分光光路；所述的第一分光镜片A(30)为透过率50％的1:1分光镜片；所述的触发控制器...

【专利技术属性】
技术研发人员：廖敏夫，陈占清，段雄英，黄智慧，赵通，贺伟亮，
申请(专利权)人：大连理工大学，
类型：发明
国别省市：辽宁,21