阅读说明：本技术 一种基于气体放电与机械触头联合动作的快速高压开关 (Quick high-voltage switch based on combined action of gas discharge and mechanical contact ) 是由 池明赫 韩孟凯 关毅 陈庆国 于 2020-07-01 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种基于气体放电与机械触头联合动作的快速高压开关,所述快速高压开关包括高压侧球形电极,高压侧球形电极通过高压侧连杆、紧固件与高压侧支撑板连接,在高压侧球形电极的一侧设有与高压侧球形电极位置相对应且相隔设定距离的低压侧球形电极,低压侧球形电极通过低压侧连杆、低压侧内壁法兰盘、低压侧外壁法兰盘与低压侧支撑板连接,高压侧支撑板与低压侧支撑板分别与底座连接,在与高压侧球形电极、低压侧球形电极相距水平距离处设有可动衔铁,高压侧支撑板、低压侧支撑板、侧壁支撑板分别与底座连接。(The invention discloses a rapid high-voltage switch based on combined action of gas discharge and a mechanical contact, which comprises a high-voltage side spherical electrode, wherein the high-voltage side spherical electrode is connected with a high-voltage side supporting plate through a high-voltage side connecting rod and a fastener, one side of the high-voltage side spherical electrode is provided with a low-voltage side spherical electrode which corresponds to the high-voltage side spherical electrode in position and is separated by a set distance, the low-voltage side spherical electrode is connected with the low-voltage side supporting plate through a low-voltage side connecting rod, a low-voltage side inner wall flange plate and a low-voltage side outer wall flange plate, the high-voltage side supporting plate and the low-voltage side supporting plate are respectively connected with a base, movable armatures are arranged at horizontal distances away from the high-voltage side spherical electrode and the low-voltage side spherical electrode.)

一种基于气体放电与机械触头联合动作的快速高压开关

技术领域

本发明涉及高电压应用新技术领域，具体涉及一种基于气体放电与机械触头联合动作的快速高压开关。

背景技术

在诸多高电压试验以及电力系统的运行中，经常要求备用交流电源的快速投运，针对这一应用场景，现有的开关技术多为电磁型机械开关和半导体器件开关。

电磁型机械开关的不足在于动作时间较长，电磁型的开关动作时间普遍在ms级别，难以做到备用电源的快速切入，而且普通的电磁式机械开关，投切大容量、高电压等级的电源时，必须搭配SF₆等灭弧介质。

半导体器件的开关特性主要受正常温度下电荷载流子的迁移速率和密度的限制，以晶闸管和IGBT为代表的可控器件，其导通只能先在门极附近形成局部导通区，然后经过几微妙到几十微妙的时间扩展到整个阴极从而导通，其导通时间相对较长，且现有器件的di/dt容量限制了其承受电流上升率的能力。一般应用在投切小容量电源和电压等级较低的场合。

在现有技术中高电压应用技术领域所需要的快速高压开关灵敏度不高，且已有的机械开关设计结构电弧熄灭延时，造成电弧长时间作用对电极的烧蚀，特别需要一种精确度更高的气体放电与机械触头联合动作开关设备，为此本申请人经过研究特别提出一种基于气体放电与机械触头联合动作的快速高压开关，以此来满足使用的需要，保证处于临界击穿场强下的气隙，从触发到气隙击穿所用的时间最短可达到ns级别，在不使用灭弧介质的前提下，利用机械装置快速将气隙短路，进而代替气隙使快速开关持续可靠的导通，从而也避免了电弧长时间作用对开关电极的烧蚀。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术中存在的缺陷，提供一种在不破坏电极的条件下，通过高频激光可以精准同步触发时间，通过基于螺旋测微器原理设计的移动电极结构可以精准的调节电极间距，从而控制触发电压，以适配不同电压等级交流电源的投运。通过反光镜的组合对高频激光进行扩束，高频激光光路的增多使得高压球隙间更多的气体分子处于激发态，进而产生的初始电子的数量也随之倍增，所以气隙击穿的发展时间就会大大减少，从而实现由电极间气体击穿导致的快速导通。气隙通过电弧导通后，电流互感器上瞬时获得一个很大的二次电流，驱动可动衔铁接通电路，从而使气隙被短路，电弧迅速熄灭，避免了电弧长时间烧蚀电极。

为实现上述目的，本发明的技术方案是提供了一种基于气体放电与机械触头联合动作的快速高压开关，所述快速高压开关包括高压侧球形电极，高压侧球形电极通过高压侧连杆、紧固件与高压侧支撑板连接，在高压侧球形电极的一侧设有与高压侧球形电极位置相对应且相隔设定距离的低压侧球形电极，低压侧球形电极通过低压侧连杆、低压侧内壁法兰盘、低压侧外壁法兰盘与低压侧支撑板连接，高压侧支撑板与低压侧支撑板分别与底座连接，在与高压侧球形电极、低压侧球形电极相距水平距离处设有可动衔铁；

在高压侧球形电极与低压侧球形电极之间设有位置相对应的至少一对第一扩束反光镜和第二扩束反光镜，在第一扩束反光镜或第二扩束反光镜的一侧倾斜设置有反光镜，与反光镜发光位置相对应的一侧设有激光准直镜，激光准直镜通过准直镜法兰与高压侧支撑板或低压侧支撑板连接，激光准直镜通过准直镜光缆接口、光缆与高频激光发射器连接；

在高压侧连杆和低压侧连杆上分别安装有高压侧接触杆、低压侧接触杆，在高压侧球形电极一侧，位于可动衔铁的正下方装有电磁铁，低压侧出线端呈圆柱状且均布固定于低压侧外壁法兰盘外端面上，低压侧出线端上的引出线穿过电流互感器一次侧，电流互感器二次侧引出线为电磁铁提供电流；

所述电磁铁固定在底座上，所述电磁铁的接线端与电流互感器的二次侧相连；

高压侧连杆与低压侧连杆均为穿过高压侧支撑板与低压侧支撑板的黄铜杆，黄铜杆上设有螺纹段，高压侧球形电极一侧的紧固件为设置在高压侧支撑板两侧与黄铜杆上螺纹段螺纹连接的螺母，螺母的边缘设置为圆角。

进一步地，所述低压侧内壁法兰盘与低压侧外壁法兰盘分别固定设置在低压侧支撑板的两侧，黄铜杆的一端与低压侧球形电极螺纹连接，黄铜杆由低压侧球形电极至低压侧外壁法兰盘之间的为光杆段。

进一步地，所述低压侧球形电极一侧的黄铜杆，在位于低压侧外壁法兰盘一侧以外的黄铜杆段上为螺纹段，螺纹段套装有套管，以及与螺纹段螺纹配合的螺母套，螺母套的一段设有校正旋钮。

进一步地，所述套管的表面设有轴向刻度尺，在螺母套一侧的边缘设有沿螺母套端口的外圆均布周向刻度尺，套管上的轴向刻度尺与螺母套端口上的周向刻度配尺合使用，套管表面上的轴向刻度尺与螺母套端口上周向刻度配尺的标定视低压侧黄铜杆上的螺距而定。

进一步地，在所述倾斜设置的反光镜的背面设有反光镜倾斜角度调节部件。

进一步地，所述反光镜倾斜角度调节部件为调节凸轮，调节凸轮上设有转轴，转轴的一端设有调节旋钮，倾斜设置的反光镜的背面抵靠在凸轮表面，倾斜设置的反光镜背面的一边与支架交接。

进一步地，所述高压侧接触杆、低压侧接触杆的材质均为黄铜，形状均为四棱柱体，均以螺纹结构分别固定在高压侧连杆和低压侧连杆上，高压侧连杆与高压侧接触杆、低压侧连杆与低压侧接触杆在同一水平面内。

进一步地，所述可动衔铁通过反作用弹簧支柱固定在侧壁支撑板上，高压侧支撑板、低压侧支撑板、侧壁支撑板分别与底座连接，高压侧支撑板、低压侧支撑板、侧壁支撑板及底座分别为环氧树脂板，高压侧支撑板、低压侧支撑板分别与底座垂直连接。

进一步地，所述可动衔铁是一个“Z”字造型，可动衔铁的几何中心位置是一个圆形套管，通过圆形套管套接并固定在反作用弹簧支柱的弹簧上，电磁铁未通电时，可动衔铁两端的触头与高压侧接触杆、低压侧接触杆之间有一定的电气距离。

进一步地，反作用弹簧支柱通过螺纹结构固定在侧壁支撑板上，反作用弹簧支柱的柱体是环氧树脂材质，上下两部分是两个不同直径的圆柱体，弹簧套接在环氧柱体上，弹簧的底部固定在环氧柱体上。

本发明的优点和有益效果在于：基于气体放电与机械触头联合动作的快速高压开关具有在不破坏电极的条件下，通过高频激光可以精准同步触发时间，通过基于螺旋测微器原理设计的移动电极结构可以精准的调节电极间距，从而控制触发电压以适应不同电压等级的交流电源的投运。通过反光镜的组合对高频激光进行扩束，高频激光光路的增多使得高压球隙间更多的气体分子处于激发态，进而产生的初始电子的数量也随之倍增，所以气隙击穿的发展时间就会大大减少，从而实现气隙快速击穿导通的目的。通过电流互感器采集、变换的电流，驱动电磁铁工作，进而引发可动衔铁动作，使开关以机械方式可靠闭合，气隙被短路，电弧迅速熄灭，避免了电弧长时间作用对电极的烧蚀。

附图说明

图1是本发明基于气体放电与机械触头联合动作的快速高压开关的示意图；

图2是图1的俯视图；

图3是图1的侧视图。

图中：1、高压侧球形电极；2、高压侧连杆；3、紧固件；4、高压侧支撑板；5、低压侧球形电极；6、低压侧连杆；7、低压侧内壁法兰盘；8、低压侧外壁法兰盘；9、低压侧支撑板；10、底座；11、第一扩束反光镜；12、第二扩束反光镜；13、反光镜；14、激光准直镜；15、准直镜法兰；16、准直镜光缆接口；17、光缆；18、高频激光发射器；19、套管；20、螺母套；21、校正旋钮；22、低压侧出线端；23、高压侧接触杆；24、低压侧接触杆；25、可动衔铁；26、反作用弹簧支柱；27、电磁铁；28、电流互感器；29、侧壁支撑板。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。

如图1、2、3所示，一种基于气体放电与机械触头联合动作的快速高压开关，所述快速高压开关包括高压侧球形电极1，高压侧球形电极1通过高压侧连杆2、紧固件3与高压侧支撑板4连接，在高压侧球形电极1的一侧设有与高压侧球形电极1位置相对应且相隔设定距离的低压侧球形电极5，低压侧球形电极5通过低压侧连杆6、低压侧内壁法兰盘7、低压侧外壁法兰盘8与低压侧支撑板9连接，高压侧支撑板4与低压侧支撑板9分别与底座10连接，在与高压侧球形电极1、低压侧球形电极5相距水平距离处设有可动衔铁25；

在高压侧球形电极1与低压侧球形电极5之间设有位置相对应的至少一对第一扩束反光镜11和第二扩束反光镜12，在第一扩束反光镜11或第二扩束反光镜12的一侧倾斜设置有反光镜13，与反光镜13发光位置相对应的一侧设有激光准直镜14，激光准直镜14通过准直镜法兰15与高压侧支撑板4或低压侧支撑板9连接，激光准直镜14通过准直镜光缆接口16、光缆17与高频激光发射器18连接；

在高压侧连杆2和低压侧连杆6上分别安装有高压侧接触杆23、低压侧接触杆24，在高压侧球形电极1一侧位于可动衔铁25的正下方装有电磁铁27，低压侧出线端22呈圆柱状且均布固定于低压侧外壁法兰盘8外端面上，低压侧出线端22上的引出线穿过电流互感器28一次侧，电流互感器28二次侧引出线为电磁铁27提供电流；

所述电磁铁27固定在底座10上，所述电磁铁27的接线端与电流互感器28的二次侧相连；

高压侧连杆2与低压侧连杆6均为穿过高压侧支撑板4与低压侧支撑板9的黄铜杆，黄铜杆上设有螺纹段，高压侧球形电极1一侧的紧固件3为设置在高压侧支撑板4两侧与黄铜杆上螺纹段螺纹连接的螺母，螺母的边缘设置为圆角。

本发明进一步优选的实施方案，所述低压侧内壁法兰盘7与低压侧外壁法兰盘8分别固定设置在低压侧支撑板9的两侧，黄铜杆的一端与低压侧球形电极5螺纹连接，黄铜杆由低压侧球形电极5至低压侧外壁法兰盘8之间的为光杆段。

本发明进一步优选的实施方案，所述低压侧球形电极5一侧的黄铜杆，在位于低压侧外壁法兰盘8一侧以外的黄铜杆段上为螺纹段，螺纹段套装有套管19，以及与螺纹段螺纹配合的螺母套20，螺母套20的一段设有校正旋钮21。

本发明进一步优选的实施方案，所述套管19的表面设有轴向刻度尺，在螺母套20一侧的边缘设有沿螺母套20端口的外圆均布周向刻度尺，套管19上的轴向刻度尺与螺母套20端口上的周向刻度配尺合使用(如同千分尺)，套管19表面上的轴向刻度尺与螺母套20端口上周向刻度配尺的标定视低压侧黄铜杆上的螺距而定。

本发明进一步优选的实施方案，在所述倾斜设置的反光镜13的背面设有反光镜倾斜角度调节部件(图中未视)。

本发明进一步优选的实施方案，所述反光镜倾斜角度调节部件为调节凸轮，调节凸轮上设有转轴，转轴的一端设有调节旋钮，倾斜设置的反光镜13的背面抵靠在凸轮表面，倾斜设置的反光镜13背面的一边与支架交接。

本发明进一步优选的实施方案，所述高压侧接触杆23、低压侧接触杆24的材质均为黄铜，形状均为四棱柱体，均以螺纹结构分别固定在高压侧连杆2和低压侧连杆6上，高压侧连杆2与高压侧接触杆23、低压侧连杆6与低压侧接触杆24在同一水平面内。

本发明进一步优选的实施方案，所述可动衔铁25通过反作用弹簧支柱26固定在侧壁支撑板29上，高压侧支撑板4、低压侧支撑板9、侧壁支撑板29分别与底座10连接，高压侧支撑板4、低压侧支撑板9、侧壁支撑板29及底座10分别为环氧树脂板，高压侧支撑板4、低压侧支撑板9分别与底座10垂直连接。

本发明进一步优选的实施方案，所述可动衔铁25是一个“Z”字造型，可动衔铁25的几何中心位置是一个圆形套管，通过圆形套管套接并固定在反作用弹簧支柱26的弹簧上，电磁铁27未通电时，可动衔铁25两端的触头与高压侧接触杆23、低压侧接触杆24之间有一定的电气距离。

所述反作用弹簧支柱26的柱体是环氧树脂材质，并且通过螺纹结构固定在侧壁支撑板29上。

所述电磁铁27固定在底座上，电磁铁27的接线端通过导线与电流互感器28的二次侧连接，低压侧出线端22的引出线穿过电流互感器28的一次侧。

本发明进一步优选的实施方案，反作用弹簧支柱26通过螺纹结构固定在侧壁支撑板29上，反作用弹簧支柱26的柱体是环氧树脂材质，上下两部分是两个不同直径的圆柱体，弹簧套接在环氧柱体上，弹簧的底部固定在环氧柱体上。

所述低压侧黄铜杆有两段外螺纹，低压球形电极5有与低压黄铜杆端部外螺纹相匹配的内螺纹，低压球形电极5与低压黄铜杆一同构成低压电极，低压侧内壁法兰盘7没有螺纹，低压侧内壁法兰盘7上的通孔内壁光滑，低压侧外壁法兰盘8凸缘部分通孔内有0.5mm螺距的内螺纹，低压侧内法兰盘7底座部分通孔内壁光滑，低压侧外法兰盘8一侧的套管19上标有刻度，带刻度的螺母套20通过内螺纹与黄铜杆连接在一起，刻度校正旋钮21与低压侧黄铜杆是一体结构。

所述的反光镜13通过固定件固定在底座10上，调整反光镜13的角度，使得从激光准直镜14中射出来的高频激光经过反射，与垂直方向形成极小的角度，反射光继续在水平方向上相互平行的第一扩束反光镜11和第二扩束反光镜12之间进行多次反射，从而实现高频激光光路的倍增。高频激光光路的增多使得高压球隙间更多的气体分子处于激发态，进而产生的初始电子的数量也随之倍增，所以气隙击穿的发展时间就会大大减少，从而实现快速导通的目的。

所述的的可动衔铁25是“Z”字形结构，动作后与高压侧接触杆23、低压侧接触杆24相贴合，所述可动衔铁25形状为“Z”字状距离球隙有一个不至干扰球隙电场的距离，电磁铁未通电时，可动衔铁25的两个触头在自然状态下与分别于高压侧接触杆23、低压侧接触杆23有一个合理的间距。

所述可动衔铁25是与高压侧接触杆23、低压侧接触杆24相贴合的四棱柱结构。

所述可动衔铁25的几何中心位置通过一个圆形套管套接并固定在反作用弹簧支柱26的弹簧上，所述反作用弹簧支柱26的柱体是上细下粗的双圆柱体结构，弹簧套接在较细的柱体上，弹簧的底部固定在较粗的柱体上。

所述的电磁铁27的接线端与电流互感器28的二次侧相连，气隙未击穿时，低压侧出线端22没有电流，电磁铁27没有磁性，气隙击穿时，低压侧出线端22出现很大的电流，电流互感器28将此电流变换到可供电磁铁27工作使用的小电流，电磁铁27吸引可动衔铁25动作，与高压侧接触杆23、低压侧接触杆24紧密贴合，从而使气隙短路，开关持续可靠的自持闭合。

图2是开关结构的俯视图，图中标注了高压侧球形电极1、高压侧连杆2、高压侧接触杆23、紧固件3、高压侧支撑板4、低压侧球形电极5、低压侧连杆6、低压侧接触杆24、低压侧内壁法兰盘7、低压侧外壁法兰盘8、低压侧支撑板9、底座10、可动衔铁25、反作用弹簧支柱26、电磁铁27、电流互感器28、低压侧出线端22。所述的高压侧接触杆23、低压侧接触杆24是四棱柱形状，与动作后的可动衔铁25的触点贴合。

图3是开关结构的侧视图，图中标注了低压侧外壁法兰盘8、低压侧出线端22、带刻度套管19、刻度校正旋钮21、准直镜光纤接口16的相对位置。

所述的低压侧接线端22是可以和低压侧外壁法兰盘8结合的螺纹状结构。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。