电气开关布置的制作方法

电气开关布置
1.本发明涉及一种电气开关布置，特别是涉及一种用于从电容器释放高电压的电气开关布置。
2.在高电压系统中提供开关时，例如当从电容器释放高电压时，可以使用比如火花隙等开关装置。gb 2 438 530 a中示出了火花隙的示例。
3.在这样的高电压系统中，为了提供可靠的开关操作，可以在开关的电极之间、以及在高电压系统的不同端子(例如，带电端子与接地端子)之间提供绝缘隔离片。当使用的电压特别高(例如，》80kv)时，可能需要提供尺寸很大的绝缘隔离片以防止例如由表面放电引起的介电击穿。
4.然而，当使用绝缘隔离片而使得开关的电极和高电压系统的不同端子彼此分离时，这增加了系统的电感，这是由于绝缘隔离片的体积致使电极和端子彼此进一步远离。这例如在需要特别快速的切换时，例如在脉冲式功率系统中使用时可能对系统的操作有害。
5.因此，所提供的介电材料(例如，绝缘隔离片)的量是在开关装置快速切换高电压的能力与其防止高电压下的介电击穿的能力之间进行折衷。
6.本发明的目的是提供一种改进的电气开关布置。
7.从第一方面来看，本发明提供了一种用于电源的电气开关布置，该电气开关布置包括：
8.带电导体，其中，带电导体包括成组电极，该成组电极用于在带电导体的第一侧与带电导体的第二侧之间进行切换；
9.接地导体；
10.绝缘块，该绝缘块位于成组电极与接地导体之间；
11.第一绝缘构件，该第一绝缘构件从绝缘块在成组电极的第一侧延伸；以及
12.第二绝缘构件，该第二绝缘构件从绝缘块在成组电极的第二侧延伸；
13.其中，绝缘块包括：第一凹槽，第一绝缘构件的边缘位于第一凹槽中；和第二凹槽，第二绝缘构件的边缘位于第二凹槽中。
14.本发明提供了一种用于电源的电气开关布置，例如用于在电压源与负载之间进行切换(连接电压源和负载)。开关布置包括带电导体和接地导体。带电导体包括成组电极，该成组电极用于在带电导体的第一侧与第二侧之间进行切换，例如用于在电压源与负载之间进行切换(连接电压源和负载)。因此，成组电极设置在带电导体的第一侧与第二侧之间。
15.绝缘块(例如，背衬板)定位在带电导体与接地导体之间、位于成组电极的位置处。绝缘块包括两个凹槽，两个绝缘构件分别位于这两个凹槽中。绝缘构件从绝缘块在带电导体的两侧延伸。
16.因此，将理解的是，通过在带电导体与接地导体之间提供绝缘块有助于降低带电导体与接地导体之间的介电击穿(例如在高电压下，由于绝缘块将导体彼此隔开)的风险。当电气开关布置的一侧(例如，第一侧，第一侧可以连接到电压源)被充电到高电压时，这种风险可能特别高(但被本发明的电气开关布置降低)。因此，本发明的实施例有助于在充电期间保持高电压下的充电，同时降低介电击穿的风险。
17.由于绝缘构件装配到绝缘块的相应凹槽中，本发明的布置还有助于减小电气开关布置的电感。这是因为凹槽(其中部分绝缘构件位于凹槽中)通过充当任何表面放电的陷阱而有助于降低跨过绝缘块的与接地导体相邻的面的表面放电的风险(应注意至少在优选的实施例中，由于电极的间距和/或开关布置中的电阻，直接跨过成组电极的介电击穿的风险相对低)。因此，这可以允许带电导体和接地导体靠得更近，因为不必为了降低表面放电的风险而提供(例如，单个)大绝缘块，从而降低电感。
18.从绝缘块在带电导体的两侧向外延伸(因此也对于相反的接地导体)的绝缘构件也有助于当使用电压源在一段时间内将带电导体充电至高电压时降低带电导体与接地导体之间、例如在带电导体的第一侧上的介电击穿的风险。
19.电气开关布置可以与任何合适和期望的电源一起使用。优选地，电气开关布置被布置为连接电压源和负载(并因此在电压源与负载之间进行切换)。电压源优选地包括布置成被充电以在一定电压下存储电荷的一个或多个电容器(例如，一个或多个电容器的阵列)。优选地，该一个或多个电容器连接到电气开关布置并且被布置为通过电气开关布置释放电压。
20.优选地，电气开关布置的带电导体连接到电压源(例如，电容器)的带电端子。在一组实施例中，电气开关布置的带电导体连接到电容器(例如，电容器的电容器头)的带电输出端子(例如，板)。带电导体的第一侧可以例如包括电容器的带电输出端子(例如，带电输出板)(或作为其延伸)。带电导体、带电端子和带电输出端子(以及与其连接的任何其他带电部件)可以相对于开关布置的相应接地部件处于正电压或负电压。
21.类似地，在一组实施例中，电气开关布置的接地导体连接到电压源的接地输出端子，例如连接到(例如，相同或不同的)电容器(例如，电容器的电容器头)的接地输出端子(例如，板)。接地导体的第一侧可以例如包括电容器的接地输出端子(例如，接地输出板)(或作为其延伸)。
22.本发明扩展到电源本身，因此当从另一方面看时，本发明提供了一种用于向负载供应输出电压的电源，该电源包括：
23.一个或多个电容器，该一个或多个电容器用于产生电压，其中，该一个或多个电容器包括：
24.带电端子和接地端子；以及
25.电气开关布置，该电气开关布置用于将由该一个或多个电容器产生的电压连接到负载，其中，电气开关布置包括：
26.带电导体，该带电导体连接到电容器的带电端子，其中，带电导体包括成组电极，该成组电极用于在带电导体的第一侧与带电导体的第二侧之间进行切换；
27.接地导体，该接地导体连接到电容器的接地端子；
28.绝缘块，该绝缘块位于成组电极与接地导体之间；
29.第一绝缘构件，该第一绝缘构件从绝缘块在成组电极的第一侧延伸；以及
30.第二绝缘构件，该第二绝缘构件从绝缘块在成组电极的第二侧延伸；
31.其中，绝缘块包括：第一凹槽，第一绝缘构件的边缘位于第一凹槽中；和第二凹槽，第二绝缘构件的边缘位于第二凹槽中。
32.将理解的是，本发明的这个方面可以(并且优选地确实)包括一个或多个(例如，全
部)本文概述的优选和可选特征。
33.电源(例如，电源的电压源)可以被布置成例如向负载产生任何合适的和期望的电压和/或电流，并且电气开关布置可以被布置成例如向负载切换任何合适的和期望的电压和/或电流。优选地，电源被布置成产生、并且电气开关布置被布置成切换至少30kv，例如至少50kv、例如大约60kv的电压。
34.电气开关布置和电源可以用于切换和供应输出电压以用于任何合适和期望的用途，例如向负载切换和供应输出电压。因此，优选地，电气开关布置用于连接(即导通)带电导体的两侧，例如以将电压从带电导体的第一侧(例如，第一侧上的电压源)释放到带电导体的第二侧，例如以将电压传送到负载。
35.在一组实施例中，电气开关布置和电源用于将高电压和电流脉冲传送到例如作为脉冲式功率系统的一部分的真空室中的负载。申请人还认识到，电气开关布置和电源可以用在任何(例如，高)电压功率系统中，在该电压功率系统中，端子(导体)在空间上接近并且可能在它们之间具有大的电压差。例如，这可以包括用于需要较低电感和紧凑型高电压开关设计的功率应用的电力干线开关。
36.带电导体和接地导体可以具有任何合适和期望的几何形状。在成组实施例中，带电导体包括带电导电板并且接地导体包括接地导电板。优选地，带电导电板和接地导电板(例如，延伸为)大致彼此平行，例如与位于导电板之间的绝缘块以及第一绝缘构件和第二绝缘构件平行。
37.带电导体和接地导体可以由任何合适的和期望的(例如，导电)材料形成。在一个实施例中，带电导体和/或接地导体由金属、例如铝形成。
38.带电导体具有第一侧和第二侧。因此，优选地，带电导体在成组电极的(并且因此在电气开关布置的)每一侧延伸。优选地，带电导体的一侧或每一侧包括带电导电板。优选地，接地导体(例如，连续地)延伸穿过成组电极(并且因此延伸穿过电气开关布置)(并且例如，在其两侧)。
39.可以以任何合适和期望的方式提供用于在带电导体的第一侧和第二侧之间切换(即，提供导电连接)的成组电极。在一组实施例中，成组电极包括火花(例如，球)隙。优选地，成组电极包括火花球隙的阵列(例如，多通道球隙开关)，该火花球隙的阵列例如在带电导体的第一侧与第二侧之间延伸和/或沿着带电导体的第一侧和第二侧延伸。
40.在成组实施例中，电气开关布置包括触发器，该触发器被布置为启动成组电极的切换(例如，跨过成组电极的导电)。优选地，触发器被布置成扰动电气开关布置内的电场，这导致电击穿级联，从而完成通过成组电极的电子电路。
41.成组电极与接地导体之间的绝缘块可以以任何合适和期望的方式提供。在成组实施例中，绝缘块在带电导体的第一侧与第二侧之间延伸跨过(并且例如超出)成组电极。优选地，绝缘块的厚度(在成组电极与接地导体之间的方向上)小于绝缘块的长度(在跨过成组电极的方向上)和/或宽度(在垂直于厚度和长度的方向上)。因此优选地，绝缘块是大致平面的。绝缘块的长度优选地在30cm与50cm之间，例如在35cm与45cm之间，例如大约40cm。绝缘块的宽度优选地在20cm与40cm之间，例如在25cm与35cm之间，例如大约30cm。因此优选地，绝缘块的长度和/或宽度大于或等于成组电极的(多个)相应尺寸。
42.绝缘块可以是大致长方体；然而，在成组实施例中，绝缘块的(例如，在带电导体的
第一侧和第二侧上的)边缘在朝向相应边缘的方向上逐渐变细，例如在绝缘块的凹槽与绝缘构件与绝缘块重叠处的相应边缘之间逐渐变细。绝缘块的逐渐变细可以有助于降低电气开关布置的电感。
43.在一组实施例中，绝缘块在绝缘块的靠近成组电极的第一侧的边缘处具有厚度(例如，该第一侧连接到电压源并且因此在使用中被充电至高电压)，该厚度大于绝缘块的靠近成组电极的第二侧的边缘处的厚度。这有助于增加电气开关布置的可靠性和安全系数(而不一定增加其电感)，因为提供的绝缘在电场梯度较大的地方(即，在成组电极的第一(高电压)侧)更大，同时能够在成组电极的电场梯度较小的第二侧减小。
44.因此，优选地，绝缘块的厚度在与从成组电极的第二侧到第一组电极的方向平行的方向上跨绝缘块增加。优选地，绝缘块是大致楔形的，例如具有大致三角形的截面(例如，在垂直于绝缘块的宽度的平面中)。
45.绝缘块可以由任何合适和期望的介电材料形成。优选地，绝缘块包括实心(例如基本上不可压缩，例如刚性)块。在成组实施例中，绝缘块由塑料、例如热塑性塑料形成。优选地，绝缘块构件由聚乙烯(pe)形成。pe具有相对高的刚度和介电强度以及良好的尺寸稳定性。这有助于在电气开关布置中提供良好的绝缘和结构完整性，特别是当高电压通过电气开关布置进行切换时。
46.第一绝缘构件和第二绝缘构件可以以任何合适和期望的方式形成以从绝缘块的相应凹槽延伸并且装配在绝缘块的相应凹槽中。第一绝缘构件和第二绝缘构件可以各自由实心(例如基本上刚性的)材料块形成(例如，由与绝缘块相同的材料制成)，该材料块成形(例如，在材料块的边缘处具有角度)为装配到绝缘块的相应凹槽中。第一绝缘构件和第二绝缘构件例如以与绝缘块类似的方式可以是大致平面的(例如，除了装配到凹槽中的边缘之外)，例如厚度在1mm与2mm之间。
47.然而，在优选的成组实施例中，第一绝缘构件和第二绝缘构件包括第一组一个或多个绝缘片和第二组一个或多个绝缘片。提供(例如，柔性的)绝缘片既有助于将这些片装配到绝缘块的相应凹槽中，又有助于减小组合的绝缘块和绝缘片的厚度，从而降低电气开关布置的电感。
48.第一组一个或多个绝缘片和第二组一个或多个绝缘片可以以任何合适和期望的方式插入并固定在绝缘构件的相应凹槽中。优选地，(多个)绝缘片被折叠并塞入相应凹槽中。使(多个)绝缘片自身折回以抵抗电场梯度有助于防止电荷迁移到绝缘块及其周围，从而有助于降低表面放电的风险。优选地，(多个)绝缘片通过粘合带固定在相应凹槽中。
49.绝缘块中的第一凹槽和第二凹槽可以以任何合适和期望的方式成形和设定尺寸以接纳相应的绝缘构件。在成组实施例中，凹槽被形成在绝缘块的面向接地导体的一侧中(即，与成组电极和带电导体相对)。优选地，凹槽被形成为朝向绝缘块的相应边缘(例如，比中心更靠近边缘)(例如，在带电导体的第一侧和第二侧分别延伸的方向上的边缘)。
50.在成组实施例中，凹槽在与带电导体的第一侧和第二侧从成组电极延伸的方向垂直的方向上延伸(例如，基本上一路跨过绝缘块)。当凹槽垂直于可能发生表面放电的方向延伸时，这有助于降低发生任何表面放电的风险。优选地，凹槽与带电导体的靠近成组电极的侧的相应边缘对齐。当成组电极包括火花球隙的阵列时，优选地，凹槽与最靠近带电导体的相应侧的成排球对齐。
51.凹槽可以以任何合适和期望的角度延伸到绝缘块中。在成组实施例中，第一凹槽以与绝缘块的在第一绝缘构件从第一凹槽(例如，第一凹槽的开口)延伸的方向上的面成小于90度的角度延伸到绝缘块中。在成组实施例中，第二凹槽以与绝缘块的在第二绝缘构件从第二凹槽(例如，第二凹槽的开口)延伸的方向上的面成小于90度的角度延伸到绝缘块中。使凹槽以锐角延伸意味着绝缘构件自身返回到相应的凹槽中、抵抗电场梯度，从而有助于防止电荷沿绝缘块迁移。由于电场梯度增加，这有助于降低表面放电的风险。
52.凹槽可以延伸到绝缘块中至任何合适和期望的深度。在成组实施例中，凹槽延伸至少10mm、例如至少12mm进入绝缘块。
53.凹槽可以具有任何合适的和期望的宽度(在与凹槽延伸跨过并进入绝缘块的方向垂直的方向上)，例如取决于绝缘构件的性质(例如，实心或片)。在成组实施例中，凹槽跨过绝缘块的整个宽度。这样允许绝缘构件延伸跨过(并且，例如，超出)绝缘块的宽度。因此，在一组实施例中，绝缘构件延伸(例如，在与凹槽延伸的方向平行的方向上)超出绝缘块。
54.第一绝缘构件和第二绝缘构件(例如，成组(多个)绝缘片)可以从绝缘块延伸任何合适和期望的距离。第一绝缘构件优选地从绝缘块延伸的距离大于或等于带电导体的第一侧从成组电极延伸的距离。第一绝缘构件优选地从绝缘块延伸的距离大于或等于接地导体在与带电导体的第一侧从成组电极延伸的方向平行的方向上从绝缘块(例如，绝缘块中的第一凹槽)延伸的距离。
55.第二绝缘构件优选地从绝缘块延伸的距离大于或等于带电导体的第二侧从成组电极延伸的距离。第二绝缘构件优选地从绝缘块延伸的距离大于或等于接地导体在与带电导体的第二侧从成组电极延伸的方向平行的方向上从绝缘块(例如，绝缘块中的第二凹槽)延伸的距离。
56.至少延伸远至带电导体的侧和/或至少延伸远至接地导体的绝缘构件有助于增加围绕绝缘构件的带电导体的两侧之间、以及围绕绝缘构件的带电导体与接地导体之间的路径长度，以降低带电导体的两侧之间、以及带电导体与接地导体之间的表面放电的风险。
57.第一组绝缘片和第二组绝缘片可以各自仅包括单个绝缘片。然而，在成组实施例中，第一组绝缘片和/或第二组绝缘片(例如，各自)包括多个绝缘片(即，第一组绝缘片可以在其中具有多个片和/或第二组绝缘片可以在其中具有多个片)。第一绝缘片和/或第二组绝缘片中(例如，每者)的多个绝缘片优选地包括至少四个绝缘片，例如至少六个绝缘片，例如大约八个绝缘片。每组中的片的数量可以取决于工作电压、绝缘构件的厚度和/或绝缘构件的介电强度。在每组绝缘片中提供多个片有助于增加绝缘量，这有助于例如对于大于150mv/m的电场梯度降低带电导体与接地导体之间的电气穿通风险，并有助于降低跨绝缘构件的表面放电的风险。
58.第一组绝缘片和第二组绝缘片可以具有任何合适和期望的几何形状。优选地，第一绝缘片和第二组绝缘片中的一个或多个绝缘片(例如，每个绝缘片)的厚度(例如，在带电导体与接地输出导体之间的方向上)小于200微米，例如小于100微米，例如大约75微米。申请人已经认识到，较大数量的较薄的绝缘片有助于提供更大的防止电击穿的保护，同时对带电导体和接地导体的分离几乎没有影响。
59.第一组绝缘片和第二组绝缘片可以由任何合适的和期望的(介电)材料、例如薄膜制成。在优选实施例中，第一组绝缘片和第二组绝缘片由聚酯、例如双向拉伸聚对苯二甲酸
乙二醇酯(bopet)、例如聚酯薄膜(rtm)制成。这种拉伸薄膜具有相对高的介电强度(因此在承受高电场时提供更大的介电击穿阻力)并且相对耐用且柔韧(使其适于在组装电气开关布置时进行操作，特别是适于装配到绝缘块的凹槽中)。
60.现在将参考附图仅通过示例的方式描述本发明的某些优选实施例，在附图中：
61.图1示意性地示出了根据本发明的用于通过电气开关布置向负载供应高电压脉冲的系统；以及
62.图2示意性地示出了根据本发明的实施例的电气开关布置的截面。
63.例如当从电容器释放高电压以向负载传送高电压脉冲时，开关布置是高电压系统中的重要部件。现在将描述根据本发明的电源和电气开关布置的实施例。
64.图1示意性地示出了根据本发明的实施例的电源系统1，电源系统用于通过电气开关布置2将由电容器4产生的高电压脉冲供应给负载6。电容器4(或电容器的阵列)通过第一带电导体8和接地导体7连接到电气开关布置2(电气开关布置包括火花球隙的阵列)。负载6通过第二带电导体10和接地导体9连接到电气开关布置2。
65.现在将参照图2更详细地描述电气开关布置的实施例。图2示意性地示出了根据本发明的实施例的电气开关布置11的截面。
66.电气开关布置11包括连接带电导体板的第一侧14和第二侧16的火花球隙12的阵列。电气开关布置11包括用于触发电气开关布置11的切换的触发器13。
67.带电导体板的第一侧14将火花球隙12连接到电容器的带电输出。带电导体板的第二侧16将火花球隙12连接到负载。电气开关布置11还包括接地导体板18，该接地导体板在电容器与负载之间延伸跨过电气开关布置11。接地导体板18平行于带电导体板的第一侧14和第二侧16。
68.由聚乙烯形成的实心绝缘块20定位在接地导体板18与带电导体板的第一侧14和第二侧16之间。实心绝缘块20大致是平面的、具有锥形边缘和两个凹槽22、24，这两个凹槽形成在实心绝缘块20的面向接地导体板18的一侧中。凹槽22、24以锐角延伸到实心绝缘块20的厚度中并延伸跨过实心绝缘块20的宽度、与火花球隙12的阵列的边缘处的成组火花球对齐。
69.第一组八个75微米聚酯薄膜(rtm)绝缘片26折叠到绝缘块20的第一凹槽22中。第一组绝缘片26从第一凹槽22沿绝缘块20的表面延伸到并超出绝缘块20的锥形边缘。第一组绝缘片26从接地导体板18的边缘延伸。
70.第二组八个75微米聚酯薄膜(rtm)绝缘片28折叠到绝缘块20的第二凹槽24中。第二组绝缘片28从第二凹槽24沿绝缘块20的表面延伸到并超出绝缘块20的锥形边缘。第二组绝缘片28从接地导体板18的边缘延伸。
71.与实心绝缘块20联接的第一绝缘片26和第二绝缘片28在带电导体板的两侧14、16与接地导体板18之间提供了相对小的绝缘体积，从而有助于降低电气开关布置11的电感。
72.现在将参照图1和图2描述电源和电气开关布置的操作。
73.为了将高电压脉冲从电容器4传送到电源系统1的负载6，电容器4首先以高电压充电以存储大电荷。如将要解释的，图2中所示的电气开关布置11的设计有助于降低电容器上的电荷例如穿过电气开关布置11的介电击穿的风险。
74.随着电容器4被充电，带电导体板的第一侧14与第二侧16之间(由表面放电引起)
的介电击穿的主要路径是通过实心绝缘块20的面向接地导体板18的一侧。
75.然而，任何表面放电的路径被第一绝缘片26和第二绝缘片28阻挡，该第一绝缘片和第二绝缘片延伸到并折叠到实心绝缘块20的第一凹槽22和第二凹槽24中。第一凹槽22和第二凹槽24以及第一绝缘片26和第二绝缘片28因此一起形成用于任何表面放电的陷阱，从而降低通过此路径进行的表面放电的风险。
76.第一绝缘片26和第二绝缘片28与实心绝缘块20一起还在带电导体板的第一侧14和第二侧16与接地导体板18之间提供屏障。这样降低了这些导体板14、16、18之间的介电击穿的风险。
77.当电容器4已充电时，触发器13通电以在火花球隙12的火花球之间的空气中引发电晕放电。这在电容器4与负载6之间在带电导体板的第一侧14与第二侧16之间跨过火花球隙12形成导电路径，从而允许电容器4通过电气开关布置11释放高电压和高电流脉冲以传送到负载6。
78.由于电气开关布置11的电感减小，高电压和高电流脉冲可以通过电气开关布置11从电容器4快速地传送到负载6。
79.将从上面看出，至少在优选实施例中，本发明提供了一种电气开关布置和电源，该电气开关布置和电源具有相对低的电感，同时能够用于在相对低的介电击穿和表面放电的风险下切换高电压和高电流。