[發明專利]一種混合型激光觸發間隙

有效

• 申請號: 201510920710.0
• 申請日: 2015-12-11
• 公開（公告）號: CN106877176B
• 公開（公告）日: 2018-03-16
• 發明（設計）人: 董勤曉;劉之方;吳堅;李興文;周瑋;閆曄;黨冬;李志遠;李永亮;陳沒;李會兵
• 申請（專利權）人: 中國電力科學研究院;國家電網公司;西安交通大學;國網浙江省電力公司
• 主分類號: H03K17/00
• 分類號: H03K17/00;H01T2/00
• 代理公司: 北京安博達知識產權代理有限公司11271
• 代理人: 徐國文

技術領域

本發明屬于電力設備技術領域，具體涉及一種混合型激光觸發間隙。

背景技術

激光觸發開關本質上是利用大功率脈沖激光在間隙內(或電極表面)產生等離子體，使得局部電場發生畸變進而引起整個間隙發生擊穿。激光觸發開關的觸發延遲和抖動小，自擊穿概率低，運行穩定，且具有無電接觸和適合同步觸發等優點，是一類重要的閉合開關。目前，激光觸發開關在脈沖功率領域發揮著重要的作用，世界上最大的脈沖功率裝置“Z裝置”(26MA,100ns)采用了36臺同步運行的6.1MV,0.79MA激光觸發開關；我國2013年底建成的“聚龍一號裝置”(8-10MA,90ns)采用了24臺同步運行的4MV激光觸發開關。

電力系統中常采用外部觸發的空氣間隙實現電流合成，系統保護等。短空氣間隙常采用電脈沖進行觸發，激光觸發的短空氣間隙和真空間隙也在預研中。然而，隨著超高壓、特高壓技術的發展，數百千伏甚至兆伏級長間隙的應用日益廣泛。目前長空氣間隙的觸發主要采用火花塞或等離子體噴射裝置產生較長的超聲速等離子體流。雖然等離子體長度雖然可以達到～10cm量級，但是系統觸發抖動在1-10μs甚至更長，若兩個或多個長空氣間隙需要同步運行時，系統抖動更大。此外，噴射的等離子體對地電極的燒蝕作用顯著，影響電極使用壽命。

鑒于納秒激光在脈沖功率領域同步觸發百千伏、兆伏級間隙的成功應用和技術優勢，其在電力系統中實現空氣間隙低抖動和同步觸發的應用前景也開始受到關注。與脈沖功率應用中的納秒量級的觸發抖動相比，電力系統中對觸發抖動的要求可以放寬至亞微秒量級。但是，在脈沖功率的應用中，兆伏級激光觸發開關由觸發間隙和自擊穿間隙串聯組成：其中激光觸發間隙電壓小于1MV，在3-4個大氣壓SF₆絕緣氣體下，激光觸發間隙長度小于5cm；自擊穿間隙在觸發間隙導通后過壓而自擊穿。在電力系統的應用中，間隙通常工作在開放的空氣環境中而非封閉的高壓氣體環境。對于百千伏甚至兆伏級的空氣間隙，間隙長度顯著增加(10-100cm)，遠大于激光等離子體長度(通常～1cm)，這時激光等離子體對電場畸變的效果和引導等離子體通道的能力大大減弱，從而影響激光觸發的性能。

此外需要指出的是，本世紀以來，人們發現高功率飛秒激光(>10¹³W/cm²)在空氣中形成長度達數百米且較穩定的等離子體通道(成絲現象)，并可有效地引導數米長的空氣間隙形成放電通道。然而亞焦耳級的飛秒激光器系統復雜、價格昂貴，且對運行環境和操作人員有較高的要求。目前，采用飛秒激光觸發高壓間隙的技術，在脈沖功率領域和電力系統領域都尚未得到真正應用。

發明內容

為了克服上述現有技術的不足，本發明提供一種混合型激光觸發間隙，可以減小間隙的長度，從而降低長間隙開關的工作系數，減小激光觸發的抖動和延時。

為了實現上述發明目的，本發明采取如下技術方案：

本發明提供一種混合型激光觸發間隙，所述激光觸發間隙包括短氣體間隙和長空氣間隙，所述短氣體間隙和長空氣間隙串聯。

所述短氣體間隙和長空氣間隙共用中間電極。

所述短氣體間隙位于高壓極側，其包括高壓電極和中間電極；

所述長空氣間隙包括低壓電極和中間電極。

所述短氣體間隙的長度不變，通過移動長空氣間隙的低壓電極調節長空氣間隙的長度。

所述短氣體間隙中高壓電極和中間電極采用的材料均為銅鎢合金，所述長空氣間隙中低壓電極的材料為銅。

上位機發送動作命令給數字延時發生器，所述數字延時發生器給激光器發送觸發命令，激光器產生納秒級激光，所述納秒級激光通過反射鏡反射，經過反射的納秒級激光通過透鏡后，穿過短氣體間隙的高壓電極聚焦到中間電極上，產生初始等離子體，初始等離子體在電場作用下，將誘導長空氣間隙發生自擊穿。

所述短氣體間隙位于地電極側，其包括低壓電極和中間電極；

所述長空氣間隙包括高壓電極和中間電極。

所述短氣體間隙的長度不變，通過移動長空氣間隙的高壓電極調節長空氣間隙的長度。

所述短氣體間隙中低壓電極和中間電極采用的材料均為銅鎢合金，所述長空氣間隙中高壓電極的材料為銅。

上位機發送動作命令給數字延時發生器，所述數字延時發生器給激光器發送觸發命令，激光器產生納秒級激光，所述納秒級激光通過反射鏡反射，經過反射的納秒級激光通過透鏡后，穿過短氣體間隙的低壓電極聚焦到中間電極上，產生初始等離子體，初始等離子體在電場作用下，將誘導長空氣間隙發生自擊穿。