一种多级串联空气间隙高压可控触发放电开关的制作方法

本发明属于直流高电压空气间隙触发放电开关领域，涉及一种多级串联空气间隙高压可控触发放电开关。

背景技术：

在大气条件下，空气间隙可控触发放电开关因其结构简单、工作可靠性和经济性好而被应用于电力系统和高压大容量合成试验回路中作为过电压保护器件或主放电开关使用。在一些特定工况中，需要空气间隙开关工作电压低于其自击穿电压的50％，即空气间隙可控触发放电开关在较低的工作系数下(工作系数是指放电开关工作电压占其自击穿电压的百分比)仍能可靠导通。此外，当空气间隙开关应用于电力系统时，多需要将空气间隙开关置于户外环境中。户外环境气候多变，为保证空气间隙开关在雨、雪、沙尘暴等恶劣天气条件下正常运行，同时能够耐受强盐密、强污秽和凝露等造成的工作特性的不可靠和不稳定，需要进一步降低空气间隙放电开关的工作电压，即其工作系数需要低于30％才可以保证户外空气间隙的安全、可靠运行。

当开关工作电压等级较高时，多将空气间隙开关设计为多级间隙串联结构，一方面是考虑到多级间隙串联时可以通过多个短空气间隙串联实现高耐压，使得间隙内电场分布更加均匀，同时通过电容和电阻对多级间隙进行均压可以实现间隙电极对地电位分布的优化，以改善多间隙开关的沿面绝缘特性；其次，相比多间隙串联，使用单空气间隙时对于触发提出了极高的要求。当电压达到百kv等级且间隙工作系数较低时，间隙长度一般在十几、几十厘米以上，而现有的开关触发技术，包括三电极trigatron触发、等离子体射流喷射触发、紫外照射等，多只能用于放电开关在较高工作系数下的触发，一般工作系数需大于50％；其次，使用单空气间隙时，为了满足间隙电场均匀分布，对间隙电极尺寸也提出了很高的要求，相应地为满足间隙开关整体绝缘设计，间隙开关整体尺寸将难以满足小型化。

现有的多间隙开关触发技术，无论是ge、nokia、siemens在串联电容补偿装置用火花间隙的触发，亦或是高压大容量合成试验回路中高压放电开关的触发，多通过短接第一级或部分空气间隙，从而使得系统电压施加于剩余空气间隙，使其在过电压的作用下击穿、导通。然而，基于此施加于剩余间隙的过电压一般最高只有其在正常工作电压时的2倍，即可以实现的可靠工作系数最低只能达到50％，远不能满足严苛、恶劣复杂工况下的实际应用需求，因此需要开发出一种空气间隙高压放电开关，该开关能够实现较低工作系数下的可靠触发导通。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供了一种多级串联空气间隙高压可控触发放电开关，该开关能够实现较低工作系数下的可靠触发导通。

为达到上述目的，本发明所述的多级串联空气间隙高压可控触发放电开关包括高压进线端、低压进线端、触发器、第一分压电容、可控放电开关、第一分压电阻及k级空气间隙高压可控触发放电开关；

各级空气间隙高压可控触发放电开关均包括第二分压电容、第二分压电阻、高压脉冲变压器及放电间隙，放电间隙的高压电极与第二分压电阻的一端及第二分压电容的正极相连接，第二分压电阻的另一端及第二分压电容的负极与高压脉冲变压器中副边的一端相连接，高压脉冲变压器中副边的另一端与高压脉冲变压器中原边的一端相连接，高压脉冲变压器中原边的另一端与放电间隙的低压电极相连接；

高压进线端与最后一级空气间隙高压可控触发放电开关中放电间隙的高压电极相连接，前一级空气间隙高压可控触发放电开关中放电间隙的高压电极与后一级空气间隙高压可控触发放电开关中放电间隙的低压电极相连接，其中，1至k-1级空气间隙高压可控触发放电开关中放电间隙的高压电极通过电容与各级空气间隙高压可控触发放电开关中的第二分压电阻及第二分压电容的正极相连接；

低压进线端与可控放电开关的一端、第一分压电阻的一端及第一分压电容的负极相连接，第一分压电阻的另一端及第二分压电容的正极与第一级空气间隙高压可控触发放电开关中高压脉冲变压器原边的一端及副边相连接，可控放电开关的另一端与第一级空气间隙高压可控触发放电开关中高压脉冲变压器原边的另一端及第一级空气间隙高压可控触发放电开关中放电间隙的低压电极相连接，触发器的输出端与可控放电开关的控制端相连接。

所述可控放电开关为等离子体射流触发气体火花开关、真空触发开关或高压半导体开关器件。

第一级空气间隙高压可控触发放电开关中高压脉冲变压器的原边同名端与第一分压电容的正极相连接，第一级空气间隙高压可控触发放电开关中高压脉冲变压器的副边同名端与第一级空气间隙高压可控触发放电开关中第二分压电容的负极性相连接；第二级至第k级空气间隙高压可控触发放电开关中高压脉冲变压器的原边同名端与前一级空气间隙高压可控触发放电开关中第二分压电容的正极相连接，第二级至第k级空气间隙高压可控触发放电开关中高压脉冲变压器的副边同名端与本级空气间隙高压可控触发放电开关中第二分压电容的负极性相连接。

本发明具有以下有益效果：

本发明所述的多级串联空气间隙高压可控触发放电开关在具体操作时，当可控放电开关导通时，则使第一级空气间隙高压可控触发放电开关中的高压脉冲变压器原边放电，并在该高压脉冲变压器的副边产生脉冲高压，由于可控放电开关的导通，从而在第一级空气间隙高压可控触发放电开关中的放电间隙中产生过电压，然后在该过电压及高压脉冲变压器副边上产生的脉冲高压的共同作用下使第一级空气间隙高压可控触发放电开关中的放电间隙导通击穿，进而在较低工作系数下实现放电间隙的可靠触发导通，并以此类推，使各级空气间隙高压可控触发放电开关中的放电间隙导通，进而形成贯穿整个多级串联空气间隙高压可控触发放电开关的电弧通道，经试验，当高压脉冲变压器变比大于1时，即可满足空气间隙工作系数低于33.3％，继续增加高压脉冲变压器的变比，空气间隙可以触发导通的工作系数将会随变比增加而快速降低，进而能够在极端严苛和恶劣复杂工况中稳定运行。

附图说明

图1为本发明的原理图；

图2为实施例一的原理图；

图3为实施例二的原理图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步详细描述：

本发明所述的本发明所述的多级串联空气间隙高压可控触发放电开关包括高压进线端hv、低压进线端lv、触发器、第一分压电容c1、可控放电开关g1、第一分压电阻r1及k级空气间隙高压可控触发放电开关；各级空气间隙高压可控触发放电开关均包括第二分压电容c2、第二分压电阻r2、高压脉冲变压器t1及放电间隙g2，放电间隙g2的高压电极与第二分压电阻r2的一端及第二分压电容c2的正极相连接，第二分压电阻r2的另一端及第二分压电容c2的负极与高压脉冲变压器t1中副边的一端相连接，高压脉冲变压器t1中副边的另一端与高压脉冲变压器t1中原边的一端相连接，高压脉冲变压器t1中原边的另一端与放电间隙g2的低压电极相连接；高压进线端hv与最后一级空气间隙高压可控触发放电开关中放电间隙g2的高压电极相连接，前一级空气间隙高压可控触发放电开关中放电间隙g2的高压电极与后一级空气间隙高压可控触发放电开关中放电间隙g2的低压电极相连接，其中，1至n-1级空气间隙高压可控触发放电开关中放电间隙g2的高压电极通过电容c3与各级空气间隙高压可控触发放电开关中的第二分压电阻r2及第二分压电容c2的正极相连接；低压进线端lv与可控放电开关g1的一端、第一分压电阻r1的一端及第一分压电容c1的负极相连接，第一分压电阻r1的另一端及第二分压电容c2的正极与第一级空气间隙高压可控触发放电开关中高压脉冲变压器t1原边的一端及副边相连接，可控放电开关g1的另一端与第一级空气间隙高压可控触发放电开关中高压脉冲变压器t1原边的另一端及第一级空气间隙高压可控触发放电开关中放电间隙g2的低压电极相连接，触发器的输出端与可控放电开关g1的控制端相连接。

所述可控放电开关g1为等离子体射流触发气体火花开关、真空触发开关或高压半导体开关器件。

第一级空气间隙高压可控触发放电开关中高压脉冲变压器t1的原边同名端与第一分压电容c1的正极相连接，第一级空气间隙高压可控触发放电开关中高压脉冲变压器t1的副边同名端与第一级空气间隙高压可控触发放电开关中第二分压电容c2的负极性相连接；第二级至第k级空气间隙高压可控触发放电开关中高压脉冲变压器t1的原边同名端与前一级空气间隙高压可控触发放电开关中第二分压电容c2的正极相连接，第二级至第k级空气间隙高压可控触发放电开关中高压脉冲变压器t1的副边同名端与本级空气间隙高压可控触发放电开关中第二分压电容c2的负极性相连接。

实施例一

图2所示为两级串联空气间隙可控触发放电开关示意图，放电触发时，触发命令输入至可控放电开关g1中，使可控放电开关g1导通，放电间隙g2上承受电压随即变为uc1+uc2；与此同时，第一分压电容c1同时向高压脉冲变压器t1原边放电，并在高压脉冲变压器t1副边感应出幅值为n·uc1的过电压，然后再通过基尔霍夫电压定律，使得放电间隙g2最终承受的过电压为uc1+uc2+n·uc1；因此可以看出，高压脉冲变压器t1的变比越高，放电间隙g2上承受的过电压幅值就越高，从而使放电间隙g2可以在更低的工作系数下被可靠触发导通。

实施例二

图3所示为三级空气间隙高压放电开关示意图，其中，可控放电开关g1及第一级空气间隙高压可控触发放电开关中放电间隙g2的击穿导通过程与实施例一相一致，第二级空气间隙高压可控触发放电开关中放电间隙g2的导通过程与第一级空气间隙高压可控触发放电开关中放电间隙g2的导通过程相类似，当第一级空气间隙高压可控触发放电开关中放电间隙g2的导通后，考虑到第一级空气间隙高压可控触发放电开关中高压脉冲变压器t1磁芯饱和的情况下，第二级空气间隙高压可控触发放电开关中放电间隙g2上的过电压将主要由第一级空气间隙高压可控触发放电开关中的第二分压电容c2、第二级空气间隙高压可控触发放电开关中的第二分压电容c2及第二级空气间隙高压可控触发放电开关中的高压脉冲变压器t1提供，即第二级级空气间隙高压可控触发放电开关中放电间隙g2承受的过电压为uc2+uc3+ut2＝uc2+uc3+n·uc2，其中uc2为第一级空气间隙高压可控触发放电开关中第二分压电容c2的电压，uc3及ut2分别为第二级空气间隙高压可控触发放电开关中第二分压电容c2的电压及高压脉冲变压器t1中副边的电压。可以看到，第二级空气间隙高压可控触发放电开关中放电间隙g2在触发过程中承受的过电压基本上与第一级空气间隙高压可控触发放电开关中的放电间隙g2相同。

如图3所示，综合以上分析，可以得到第k-1级级空气间隙高压可控触发放电开关中的放电间隙g2上的过电压为uck+uck-1+n·uck-1，uck为第k-1级空气间隙高压可控触发放电开关中第二分压电容c2的电压，uck-1及uck-1分别为第k-2级空气间隙高压可控触发放电开关中第二分压电容c2的电压及高压脉冲变压器t1中副边的电压。即高压脉冲变压器t1变比大于1时，即可满足空气间隙工作系数低于33.3％，继续增加高压脉冲变压器t1的变比，空气间隙可以触发导通的工作系数将会随变比增加而快速降低。

图1、图2及图3中高压脉冲变压器t1变比均为1:n，实际中根据具体的工况可对高压脉冲变压器t1变比进行调整。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明做任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭示如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述揭示的方法及技术内容作出些许的更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案的内容，根据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化与修饰，仍属于本发明技术方案的范围内。