专利名称：一种二电极火花隙气体开关的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及高压开关制造领域，特别涉及一种二电极火花隙气体开关，适用
于脉冲功率电源。
背景技术：
二电极气体开关具有通流能力强、寿命长、工作稳定、没有重金属汞污染等优点， 但是，二电极气体开关在通过大电流脉冲时，电极烧蚀严重是影响其可靠性的主要原因。为 了防止大电流对电极的烧蚀，必须选用耐电弧烧蚀性能好的材料，一般首选用铜钨等合金 作为耐电弧烧蚀的电极材料，其优点是导电性能好，可以方便的采用钎焊与其他金属材料 如铜等焊接，但是在电流幅值大于100kA、转移电荷量大于20C的情况下，合金电极的深层 熔化不可避免，这就加剧了金属电极的烧蚀程度，造成电极寿命短，开关可靠性不高的问 题。 众所周知，石墨是一种导电性能好、耐高温烧蚀的材料，在极高温度下也不会融
化，电极烧蚀主要表现为石墨材料的氧化作用，因此，石墨电极特别适合于作为大电流二电
极火花隙气体开关的电极材料。但是，石墨电极与金属材料之间的连接固定非常困难，因为
石墨材料一般比较脆，通过大电流的情况下，又要求石墨电极与金属电极座之间可靠的接
触，如果接触面不平整会产生局部接触不良，引起该处发生放电、打火现象，影响开关的寿
命和可靠性。因此，石墨电极与金属电极座之间的固定安装技术非常关键。 对于导通大电流、大电荷转移量的气体开关，不但电流的幅值高，而且持续时间较
长，可以达到毫秒量级，电弧在两电极之间的位置可能移动变化，而且电弧的起始位置也是
不可控制的，常会发生电弧在电极间隙之外燃弧，使得电极座发生严重烧蚀，从而造成石墨
电极连接、固定处发生故障。
发明内容针对现有技术的二电极火花隙气体开关在导通大电流幅值、大库仑电量转移时， 电极烧蚀严重，电极寿命短，开关可靠性不高的问题，本实用新型的目的在于提供一种二电 极火花隙气体开关，其导通大电流幅值超过300kA，一次转移库伦量大于IOOC，电极的耐烧 蚀能力大于150kC。 为达到以上目的，本实用新型采取如下技术方案予以实现。 —种二电极火花隙气体开关，包括长电极座，短电极座，设置在长电极座上的长电 极，设置在短电极座上的短电极，设置在长电极座和短电极座之间的绝缘筒，固定连接长电 极座和短电极座的绝缘拉杆，所述长电极座、绝缘筒和短电极座构成充气腔室，长、短电极 位于充气腔室内，其特征在于，所述长、短电极均为石墨电极，长、短电极座均为金属电极 座，所述金属电极座上开设有盲孔，石墨电极过盈配合镶嵌在金属电极座的盲孔内。 本实用新型的进一步改进和特点在于 所述石墨电极由放电用头部和过盈配合用尾部组成，所述头部和尾部为连为一体
3的两段圆柱，作为头部的圆柱的边沿以及与尾部连接部位分别具有圆弧过渡面，并且作为 头部的圆柱直径大于金属电极座的用于固定石墨电极部分的外直径。
所述石墨电极过盈配合镶嵌在金属电极座的盲孔内，具体为加热金属电极座，盲
孔内嵌入石墨电极，金属电极座冷縮夹紧石墨电极。
所述金属电极座轴向中心设置有连通盲孔的排气孔。 本实用新型二电极火花隙气体开关的石墨电极及电极座与现有技术相比，具有以 下优点 1、该二电极火花隙气体开关采用石墨电极，其整体形状为近似为蘑菇状，头部采 用较大直径的具有圆弧过渡面的圆柱，该圆柱直径大于金属电极座的用于固定石墨电极部 分的外直径，以达到保护的金属电极座的目的，能够避免后者受到电弧的烧蚀和加热，大大 提高了电极与电极座的可靠性。 2、该二电极火花隙气体开关采用石墨电极，其尾部为相对头部直径较小的圆柱， 该尾部在直径方向以一定的过盈量完全镶嵌于金属电极座的盲孔之中。这使得石墨电极与 金属电极座之间的接触面不但紧密，而且接触面积很大，特别适合于通过较大幅值的电流， 并保持良好的接触面，从而提高了二电极气体开关的可靠性。 3、该二电极火花隙气体开关的金属电极座上开设有盲孔，石墨电极过盈配合镶嵌 在金属电极座的盲孔内。采用高温加热金属电极座，使盲孔内直径膨胀到大于石墨电极尾 部的直径后，将石墨电极尾部插入金属电极座盲孔中，然后缓慢冷却，使石墨电极尾部与金 属电极座的盲孔达到可靠的镶嵌固定。这种固定方式的另一个优点是可以再次加热金属电 极座，方便拆卸更换石墨电极。 4、该二电极火花隙气体开关采用石墨电极中，其金属电极座轴向中心设置有连通 石墨电极的排气孔。在石墨电极过盈配合镶嵌在金属电极座盲孔的过程中，排出封闭在盲 孔内的气体，以便石墨电极能够伸入盲孔底部，使过盈配合更可靠，同时，增大石墨电极与 金属电极座的接触面积，提高石墨电极的通流能力。
以下结合附图和具体实施方式
对本实用新型作进一步的详细说明。
图1为具有本实用新型的二电极火花隙气体开关的石墨电极结构示意图。
图2为应用本实用新型的二电极火花隙气体开关的结构示意图。 图1-图2中1、石墨电极的头部；2、石墨电极的尾部；3、充气腔体；4、长电极座； 5、绝缘筒；6、短电极座；7、绝缘拉杆；8、长电极；9、短电极；10、开关进气口 ；11、开关出气 口 ；12、排气孔；13、紧固螺母。
具体实施方式如图1、图2所示，本实用新型的一种二电极火花隙气体开关，有一个充满干燥压 縮空气的充气腔体3，充气腔体3上设置有开关进气口 IO和开关出气口 11。充气腔体3由 绝缘筒5、长电极座4和短电极座6共同组成。 长电极座4的底部为一金属圆盘，在圆盘的轴线上加工有一金属圆柱体，金属圆 柱体的顶端开设有较大直径的盲孔，金属圆柱体的轴向中心开设有连通盲孔的较小直径的排气孔12，盲孔用于过盈配合安装长电极8，排气孔12用于在安装长电极8时，排出封闭在 盲孔内的空气。 短电极座6为金属圆桶状，金属圆桶的口部设置金属固定圈，其底部轴线上也加 工有金属圆柱体，金属圆柱体的顶端开设有较大直径的盲孔，金属圆柱体的轴向中心开设 有连通盲孔的较小直径的排气孔12，盲孔用于过盈配合安装短电极9，排气孔12用于在安 装短电极9时，排出封闭在盲孔内的空气。金属圆桶的筒壁上对称开设有开关进气口 10和 开关出气口 11。 在装配过程中，长电极座4、绝缘筒5和短电极座6均同轴安装，长电极座4底部的 金属圆盘、绝缘筒5和短电极座6组成充气腔体3。在绝缘筒5与长电极座4的金属圆盘接 触处、绝缘筒5与短电极座6的固定圈的接触处均有密封垫以确保充气腔体3的密封。长 电极座4底部的金属圆盘和短电极座6的固定圈通过绝缘拉杆7和紧固螺母13实现机械 连接和固定。 在二电极火花隙气体开关的工作过程中，与长电极座4相连的长电极8为阳极，与 短电极座6连接的短电极9为阴极，绝缘拉杆7和绝缘筒5实现长电极座4和短电极座6 之间的电气绝缘。当开关导通时，在阴极和阳极之间的空气间隙中产生放电通道并形成电 弧。本实用新型中长电极8、短电极9均为石墨电极，长电极座4、短电极座6均为金属电极 座。 石墨电极由放电用头部和过盈配合用尾部组成，所述头部和尾部为连为一体的两
段圆柱，作为头部的圆柱的边沿以及与尾部连接部位分别具有圆弧过渡面，并且作为头部
的圆柱直径大于金属电极座的用于固定石墨电极部分(金属圆柱体)的外直径。
石墨电极过盈配合镶嵌在金属电极座的盲孔内，具体为加热金属电极座，盲孔内
嵌入石墨电极，金属电极座冷縮夹紧石墨电极，过盈配合的尺寸影响金属电极座对石墨电
极夹紧力。二电极气体开关在导通大电流的时候，需要承受巨大的电动力作用，过盈量太小
会导致石墨电极脱落；过盈量过大则可能对石墨电极造成损伤，但是本领域的技术人员经
过有限次的试验可以找到适合的过盈量。实用新型人在实践过程中，做了大量的试验，获得
了一些优选的关于过盈量的实例经验。 实施例1 本实施例为一种脉冲功率电源用二电极火花隙气体开关，其石墨电极电极形状和 开关结构如图1、图2所示。长电极、短电极8、9的材料均为高密度高纯的石墨电极，金属电 极座的材料为35#碳钢，石墨电极的尾部2直径为20mm，且在尺寸上和金属电极座相对应盲 孔的尺寸过盈配合，过盈量为10 30iim。金属电极座安装石墨电极处的壁厚为5mm。采 用高温加热金属电极座，使其内直径膨胀到大于石墨电极的尾部2的直径后，将石墨电极 的尾部2插入金属电极座的盲孔中缓慢冷却，使石墨电极与金属电极座达到可靠的镶嵌固 定。 实施例2 本实施例为一种脉冲功率电源用二电极火花隙气体开关，其石墨电极电极形状和 开关结构如图1、图2所示。长电极、短电极8、9的材料均为高密度高纯的石墨电极，金属电 极座的材料为45#碳钢，石墨电极的尾部2直径为40mm，且在尺寸上和金属电极座相对应盲 孔的尺寸过盈配合，过盈量为20 40iim。金属电极座安装石墨电极处的壁厚为8mm。采
5用高温加热金属电极座，使其内直径膨胀到大于石墨电极的尾部2的直径后，将石墨电极 的尾部2插入金属电极座的盲孔中缓慢冷却，使石墨电极与金属电极座达到可靠的镶嵌固 定。 实施例3 本实施例为一种脉冲功率电源用二电极火花隙气体开关，其石墨电极电极形状和 开关结构如图1、图2所示。长电极、短电极8、9的材料均为高密度高纯的石墨电极，金属 电极座的材料为6061#铝合金，石墨电极的尾部2直径为60mm，且在尺寸上和金属电极座 相对应盲孔的尺寸过盈配合，过盈量为40 60iim。金属电极座安装石墨电极处的壁厚为 12mm。采用高温加热金属电极座，使其内直径膨胀到大于石墨电极的尾部2的直径后，将石 墨电极的尾部2插入金属电极座的盲孔中缓慢冷却，使石墨电极与金属电极座达到可靠的
镶嵌固定。 实施例4 本实施例为一种脉冲功率电源用二电极火花隙气体开关，其石墨电极电极形状和 开关结构如图1、图2所示。长电极、短电极8、9的材料均为高密度高纯的石墨电极，金属电 极座的材料为Crl8Ni9Ti不锈钢，石墨电极的尾部2直径为80mm，且在尺寸上和金属电极座 相对应盲孔的尺寸过盈配合，过盈量为60 100 ii m。金属电极座安装石墨电极处的壁厚为 15mm。采用高温加热金属电极座，使其内直径膨胀到大于石墨电极的尾部2的直径后，将石 墨电极的尾部2插入金属电极座的盲孔中缓慢冷却，使石墨电极与金属电极座达到可靠的 镶嵌固定。 过盈配合的装配技术在很多领域都有应用，但是多数用于机械设备，而且是一次 性的装配，不能二次拆卸。在本实用新型的二电极火花隙气体开关中，由于所选用的电极材 料石墨的热膨胀系数远小于大多数金属电极座材料，包括钢和铝合金等。因此，采用过盈 配合的装配技术，将金属电极座加热到一定温度后，金属电极座的内孔直径因热膨胀而变 大，可以方便地将石墨电极镶嵌于电极座中，而且还可以方便地二次拆卸石墨电极。
权利要求一种二电极火花隙气体开关，包括长电极座，短电极座，设置在长电极座上的长电极，设置在短电极座上的短电极，设置在长电极座和短电极座之间的绝缘筒，固定连接长电极座和短电极座的绝缘拉杆，所述长电极座、绝缘筒和短电极座构成充气腔室，长、短电极位于充气腔室内，其特征在于，所述长、短电极均为石墨电极，长、短电极座均为金属电极座，所述金属电极座上开设有盲孔，石墨电极过盈配合镶嵌在金属电极座的盲孔内。
2. 根据权利要求1所述的一种二电极火花隙气体开关，其特征在于，所述石墨电极由 放电用头部和过盈配合用尾部组成，所述头部和尾部为连为一体的两段圆柱，作为头部的 圆柱的边沿以及与尾部连接部位分别具有圆弧过渡面，并且作为头部的圆柱直径大于金属 电极座的用于固定石墨电极部分的外直径。
3. 根据权利要求1所述的一种二电极火花隙气体开关，其特征在于，所述石墨电极过盈配合镶嵌在金属电极座的盲孔内，具体为加热金属电极座，盲孔内嵌入石墨电极，金属 电极座冷縮夹紧石墨电极。
4. 根据权利要求1所述的一种二电极火花隙气体开关，其特征在于，所述金属电极座 轴向中心设置有连通盲孔的排气孔。
专利摘要本实用新型涉及高压开关制造领域，特别涉及一种二电极火花隙气体开关，适用于脉冲功率电源。它包括长电极座，短电极座，设置在长电极座上的长电极，设置在短电极座上的短电极，设置在长电极座和短电极座之间的绝缘筒，固定连接长电极座和短电极座的绝缘拉杆，所述长电极座、绝缘筒和短电极座构成充气腔室，长、短电极位于充气腔室内，其特征在于，所述长、短电极均为石墨电极，长、短电极座均为金属电极座，所述金属电极座上开设有盲孔，石墨电极过盈配合镶嵌在金属电极座的盲孔内。
文档编号H01T1/22GK201450228SQ20092003353
公开日2010年5月5日 申请日期2009年6月12日 优先权日2009年6月12日
发明者刘鹏, 杜修明, 杨兰均, 赵宏博, 邱炜, 陈立 申请人:西安交通大学