一种基于真空间隙的快速闭合开关及其使用方法与流程

1.本发明属于中高压快速闭合开关技术领域，具体涉及一种基于真空间隙的快速闭合开关及其使用方法。


背景技术：

2.电磁脉冲成形技术起源于上世纪七十年代，是一种利用磁场力使金属工件变形的高速率、高能率成形方法，能够使金属材料以高达每秒数百米的速度形变。由于电磁成形技术采用全电能，放电能量精准可控，加工一致性良好。
3.目前通常使用快速机械式开关，动作时间为30ms。由于机械操动机构体积庞大，结构复杂，传动环节多，动作时间的缩短受到很大限制。


技术实现要素：

4.本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种基于真空间隙的快速闭合开关及其使用方法，用于解决机械开关动作时间过长的技术问题。
5.本发明采用以下技术方案：
6.一种基于真空间隙的快速闭合开关，包括真空腔体，真空腔体内部设置有导电杆，导电杆与真空腔体的顶部连接，真空腔体的下方设置有电磁成形线圈，电磁成形线圈的一端依次经晶闸管开关和脉冲电容器组分别连接电磁成形线圈的另一端和接地端，充电机并联设置在脉冲电容器组的两端。
7.具体的，真空腔体包括陶瓷外壳，陶瓷外壳的顶部设置有上盖板，陶瓷外壳的底部设置有下盖板，上盖板的一侧设置有引流板，下盖板的一侧设置有输出引流板，导电杆的上端与上盖板连接。
8.进一步的，导电杆与下盖板之间的径向间隙为3～5mm。
9.进一步的，导电杆与下盖板之间的耐压值为0～10kv。
10.进一步的，下盖板呈凹状结构。
11.进一步的，电磁成形线圈与下盖板之间设置有集磁器。
12.更进一步的，集磁器与下盖板之间的间隙为1～2mm。
13.具体的，电磁成形线圈采用扁铜线绕制的螺线管形式或者采用bitter线圈形式。
14.具体的，快速闭合开关包括多个，多个快速闭合开关之间采用并联方式连接，每个快速闭合开关的动作时间小于等于50μs。
15.本发明的另一技术方案是，一种基于真空间隙的快速闭合开关的使用方法，充电机向脉冲电容器组充电并保压，电磁成形线圈通过脉冲电容器组以及晶闸管开关组成放电回路，当快速闭合开关收到动作信号时，晶闸管开关收到触发信号导通，脉冲电容器组对电磁成形线圈放电，在线圈中产生脉冲大电流，电磁成形线圈的磁场直接作用于真空腔体底部设置的下盖板产生感应涡流，使下盖板在电磁斥力的作用下高速碰撞导电杆，下盖板和导电杆之间形成压接或者固相焊接效果，使得快速闭合开关快速闭合。
16.与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：
17.本发明一种基于真空间隙的快速闭合开关，采用电磁成形的原理，当线圈中流过脉冲大电流时，电磁成形线圈的磁场直接作用于真空腔体底部设置的下盖板中产生感应涡流，使下盖板在电磁斥力的作用下高速碰撞导电杆，下盖板和导电杆之间形成压接或者固相焊接效果，使得开关在50μs内快速闭合。
18.进一步的，上盖板与下盖板之间通过带伞裙的陶瓷外壳进行绝缘，从而保证其长期承受0～10kv的电压而不发生沿面放电。
19.进一步的，导电杆与下盖板之间设置有3～5mm径向真空间隙，保证导电杆与下盖板之间长期耐压值不低于10kv，从而该快速开关可应用于电压10kv及以下的场合。
20.进一步的，下盖板呈凹状结构，一方面作为快速开关的一极；另一方面起到电磁成形中“飞片”作用，工作过程中，下盖板在电磁斥力的作用下高速碰撞导电杆，下盖板和导电杆之间形成压接或者固相焊接效果，使得开关在50μs内快速闭合。
21.进一步的，当快速开关设计所需的下盖板尺寸较小时，通过使用集磁器将脉冲磁场约束至较小的区域，不仅可以增强局部磁场，而且起到保护磁场线圈，增加磁场线圈使用寿命的作用。
22.进一步的，通过设置集磁器与下盖板之间间隙为1～2mm，从而保证集磁器与下盖板之间的绝缘强度。
23.进一步的，电磁成形线圈采用扁铜线绕制的螺线管形式，外部采用玻璃纤维增强；或者采用bitter线圈形式，可增强线圈的强度以及使用寿命。
24.进一步的，若其单台通流量无法满足导通所需电流时，可以多个开关进行并联连接。由于电磁成形装置采用全电能，可以通过控制脉冲电容器组的充电电压一致，来保证下盖板成形的一致性，因此下盖板成形的一致性很好，可以保证各个开关导通时间及通流的均匀性。
25.一种基于真空间隙的快速闭合开关的使用方法，采用电磁成形的原理，当线圈中流过脉冲大电流时，电磁成形线圈的磁场直接作用于真空腔体底部设置的下盖板中产生感应涡流，使下盖板在电磁斥力的作用下高速碰撞导电杆，下盖板和导电杆之间形成压接或者固相焊接效果，使得开关在50μs内快速闭合，大大缩短了开关动作时间，解决了机械开关动作时间过长的问题。
26.综上所述，本发明动作时间远小于机械开关，在50μs内完成；放电能量精准可控，动作时间稳定，分散性小，大大缩短了开关动作时间。
27.下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
附图说明
28.图1为使用集磁器时，基于真空间隙的快速闭合开关系统结构示意图；
29.图2为成形线圈、集磁器以及下盖板中电流方向示意图；
30.图3为不使用集磁器时，基于真空间隙的快速闭合开关系统结构示意图；
31.图4为不使用集磁器时，成形线圈以及下盖板中电流方向示意图；
32.图5为多个基于真空间隙的快速闭合开关并联使用时，系统的结构示意图；
33.图6为磁成形后的下盖板与导电杆连接示意图。
34.其中：1.输入引流板；2.上盖板；3.陶瓷外壳；4.导电杆；5.下盖板；6.输出引流板；7.脉冲电容器组；8.晶闸管开关；9.集磁器；10.电磁成形线圈；11.充电机。
具体实施方式
35.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
36.在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“一侧”、“一端”、“一边”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
37.在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
38.应当理解，当在本说明书和所附权利要求书中使用时，术语“包括”和“包含”指示所描述特征、整体、步骤、操作、元素和/或组件的存在，但并不排除一个或多个其它特征、整体、步骤、操作、元素、组件和/或其集合的存在或添加。
39.还应当理解，在本发明说明书中所使用的术语仅仅是出于描述特定实施例的目的而并不意在限制本发明。如在本发明说明书和所附权利要求书中所使用的那样，除非上下文清楚地指明其它情况，否则单数形式的“一”、“一个”及“该”意在包括复数形式。
40.还应当进一步理解，在本发明说明书和所附权利要求书中使用的术语“和/或”是指相关联列出的项中的一个或多个的任何组合以及所有可能组合，并且包括这些组合。
41.在附图中示出了根据本发明公开实施例的各种结构示意图。这些图并非是按比例绘制的，其中为了清楚表达的目的，放大了某些细节，并且可能省略了某些细节。图中所示出的各种区域、层的形状及它们之间的相对大小、位置关系仅是示例性的，实际中可能由于制造公差或技术限制而有所偏差，并且本领域技术人员根据实际所需可以另外设计具有不同形状、大小、相对位置的区域/层。
42.请参阅图1，本发明提供了一种基于真空间隙的快速闭合开关，包括输入引流板1、上盖板2、陶瓷外壳3、导电杆4、下盖板5、输出引流板6、脉冲电容器组7、晶闸管开关8、集磁器9、电磁成形线圈10和充电机11。
43.快速闭合开关为常开开关，由真空腔体和电磁成形装置构成；真空腔体包括上盖板2、陶瓷外壳3和下盖板5，电磁成形装置包括集磁器9；导电杆4设置在陶瓷外壳3的内部，上盖板2位于陶瓷外壳3的顶部，导电杆4的上端与上盖板2连接，上盖板2的一侧设置有引流板1，下盖板5位于陶瓷外壳3的底部，下盖板5的一侧设置有输出引流板6，集磁器9设置在下
盖板5的两侧，集磁器9外侧设置有电磁成形线圈10，电磁成形线圈10的一端依次经晶闸管开关8和脉冲电容器组7分别连接电磁成形线圈10的另一端和接地端，充电机11并联设置在脉冲电容器组7的两端；快速闭合开关内部的真空腔体保持高真空环境，能够长期保持导电杆4与下盖板5之间的耐压在0～10kv，导电杆4与下盖板5之间的径向间隙为3～5mm。
44.其中，下盖板5呈凹状结构，不仅作为下电极与输出引流板6连接，而且具有飞片的作用。
45.为了保证良好的导电性，输入引流板1、上盖板2、导电杆4以及输出引流板6采用铜或者铜合金材料，下盖板5由于要保证良好的塑性，一般采用退火态紫铜。
46.基于真空间隙的快速闭合开关所用的电磁成形线圈10采用扁铜线绕制的螺线管形式或者采用bitter线圈形式，成形线圈的尺寸、匝数以及电感值根据下盖板5的参数不同而有所盖板，为了保证绝缘，集磁器9与下盖板5之间的间隙为1mm，下盖板5上缠绕绝缘薄膜以保证与集磁器9之间的绝缘。
47.请参阅图3和图4，为不使用集磁器的情景，当下盖板5的尺寸较大时，为了保证电磁成形线圈10的电感以及放电电流的频率在一定的范围，去掉集磁器9，电磁成形线圈10的磁场直接作用于下盖板5的感应涡流，从而下盖板5在电磁斥力的作用下高速碰撞导电杆4，下盖板5和导电杆4之间形成压接或者固相焊接效果，使得开关快速闭合。不使用集磁器时，电磁成形线圈10以及下盖板5中电流方向如图4所示。
48.基于真空间隙的快速闭合开关的动作时间控制在50μs以内，远小于传统的机械开关的动作时间，并且脉冲电容器组放电能量精准可控，动作时间稳定，分散性小，大大缩短了开关动作时间，解决了机械开关动作时间过长的问题；通过缩短动作时间能够缩短故障持续时间，能够减小故障电流对负载的破坏，能显著提高系统稳定性，具有显著的技术经济意义。
49.请参阅图2，本发明一种基于真空间隙的快速闭合开关使用方法，充电机11用于向脉冲电容器组7充电以及保压，电磁成形线圈10通过脉冲电容器组7以及晶闸管开关8组成放电回路，当快速闭合开关收到动作信号时，晶闸管开关8收到触发信号导通，脉冲电容器组7对电磁成形线圈10放电，在线圈中产生脉冲大电流i1，在集磁器9中产生感应电流i2，进而在下盖板5中产生感应涡流i3，从而下盖板5在电磁斥力的作用下高速碰撞导电杆4，下盖板5和导电杆4之间形成压接或者固相焊接效果，从而使得开关快速闭合。
50.基于真空间隙的快速闭合开关系统，其通过保证外部脉冲电容器组7的充电电压一致，从而保证快速闭合开关动作时间的一致性。
51.请参阅图5，为多个快速闭合开关并联使用的场景，若其单台通流量无法满足导通所需电流时，可以多个快速闭合开关进行并联连接，由于电磁成形下盖板5成形的一致性很好，可以保证各个开关通流的均匀性。
52.为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中的描述和所示的本发明实施例的组件可以通过各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获
得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
53.实施例1
54.基于真空间隙的快速闭合开关为常开开关，由真空腔体和电磁成形装置构成。上盖板2具有输入引流板1并与导电杆4相连，下盖板5呈凹状结构，不仅作为下电极与输出引流板6相连，而且具有飞片的作用，上盖板2与下盖板5之间通过陶瓷外壳3绝缘。快速闭合开关内部保持高真空环境，能够长期保持导电杆4与下盖板5之间的耐压为0kv，导电杆4与下盖板5之间的径向间隙为3mm；为了保证良好的导电性，输入引流板1、上盖板2、导电杆4以及输出引流板6采用铜或者铜合金材料，下盖板5由于要保证良好的塑性，一般采用退火态紫铜。
55.当快速闭合开关收到动作信号时，晶闸管开关8收到触发信号导通，脉冲电容器组7对电磁成形线圈10放电，在线圈中产生脉冲大电流i1，在集磁器9中产生感应电流i2，进而在下盖板5中产生感应涡流i3，详见参考图2，从而下盖板5在电磁斥力的作用下高速碰撞导电杆4，下盖板5和导电杆4之间形成压接或者固相焊接效果，从而使得开关快速闭合。基于真空间隙的快速闭合开关的动作时间可以控制在50μs以内，远小于传统的机械开关的动作时间，并且脉冲电容器组放电能量精准可控，动作时间稳定，分散性小，大大缩短了开关动作时间，解决了机械开关动作时间过长的问题。
56.实施例2
57.参考图3中，当下盖板5的尺寸较大时，为了保证电磁成形线圈10的电感以及放电电流的频率在一定的范围，去掉集磁器9，电磁成形线圈10的磁场直接作用于下盖板5的感应涡流。
58.基于真空间隙的快速闭合开关为常开开关，由真空腔体和电磁成形装置构成。上盖板2具有输入引流板1并与导电杆4相连，下盖板5呈凹状结构，不仅作为下电极与输出引流板6相连，而且具有飞片的作用，上盖板2与下盖板5之间通过陶瓷外壳3绝缘。快速闭合开关内部保持高真空环境，能够长期保持导电杆4与下盖板5之间的耐压在5kv，导电杆4与下盖板5之间的径向间隙为4mm；为了保证良好的导电性，输入引流板1、上盖板2、导电杆4以及输出引流板6采用铜或者铜合金材料，下盖板5由于要保证良好的塑性，一般采用退火态紫铜。
59.当快速闭合开关收到动作信号时，晶闸管开关8收到触发信号导通，脉冲电容器组7对电磁成形线圈10放电，在线圈中产生脉冲大电流i1，由于电磁感应的作用进而在下盖板5中产生感应涡流i2，详见参考图4，从而下盖板5在电磁斥力的作用下高速碰撞导电杆4，下盖板5和导电杆4之间形成压接或者固相焊接效果，从而使得开关快速闭合。基于真空间隙的快速闭合开关的动作时间可以控制在50μs以内，远小于传统的机械开关的动作时间，并且脉冲电容器组放电能量精准可控，动作时间稳定，分散性小，大大缩短了开关动作时间，解决了机械开关动作时间过长的问题。
60.实施例3
61.参考图5中，若其单台通流量无法满足导通所需电流时，可以多个开关进行并联连接。多个基于真空间隙的快速闭合开关并联连接，上盖板2具有输入引流板1并与导电杆4相连，下盖板5呈凹状结构，不仅作为下电极与输出引流板6相连，而且具有飞片的作用，上盖板2与下盖板5之间通过陶瓷外壳3绝缘。快速闭合开关内部保持高真空环境，能够长期保持
导电杆4与下盖板5之间的耐压在10kv，导电杆4与下盖板5之间的径向间隙为5mm；为了保证良好的导电性，输入引流板1、上盖板2、导电杆4以及输出引流板6采用铜或者铜合金材料，下盖板5由于要保证良好的塑性，采用退火态紫铜。
62.当快速闭合开关收到动作信号时，晶闸管开关8收到触发信号导通，脉冲电容器组7对电磁成形线圈10放电，在线圈中产生脉冲大电流i1，由于电磁感应的作用进而在下盖板5中产生感应涡流i2，详见参考图4，从而下盖板5在电磁斥力的作用下高速碰撞导电杆4，下盖板5和导电杆4之间形成压接或者固相焊接效果，从而使得多个保护开关快速闭合。基于真空间隙的快速闭合开关的动作时间可以控制在50μs以内，远小于传统的机械开关的动作时间。
63.由于电磁成形装置采用全电能，可以通过控制脉冲电容器组7的充电电压一致，来保证下盖板5成形的一致性，因此下盖板5成形的一致性很好，可以保证各个开关导通时间及通流的均匀性。
64.综上所述，本发明一种基于真空间隙的快速闭合开关及其使用方法，动作时间远小于机械开关，在50μs内完成；放电能量精准可控，动作时间稳定，分散性小，大大缩短了开关动作时间。
65.以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。