[發明專利]一種激光觸發快速閉合高壓真空開關

在審

• 申請號: 202010001842.4
• 申請日: 2020-01-02
• 公開（公告）號: CN110971222A
• 公開（公告）日: 2020-04-07
• 發明（設計）人: 廖敏夫;陳占清;段雄英;張虎波;孫文昊;范忠憲;張鳴
• 申請（專利權）人: 大連理工大學
• 主分類號: H03K17/54
• 分類號: H03K17/54
• 代理公司: 大連理工大學專利中心 21200
• 代理人: 溫福雪

本發明公開了一種激光觸發快速閉合高壓真空開關，屬于高壓大容量脈沖功率閉合開關技術領域。本發明通過激光觸發系統產生脈沖激光，脈沖激光在開關組件中與觸發材料作用，產生等離子體，導通帶通光孔靜電極和下電極之間的真空間隙，隨后機構聯動組件驅動下電極運動，使帶通光孔靜電極和下電極閉合。本發明利用激光觸發的方式確保真空間隙快速、高精度導通，在電流導通后快速閉合間隙，減少大電流對電極和觸發材料的燒蝕，大幅提升真空開關的通流容量和使用壽命，同時滿足脈沖功率系統重復動作需求；優化設計觸發光路，進一步提升激光觸發快速閉合真空開關的通流容量、使用壽命和重頻特性。采用模塊化設計提升開關運行可靠性和安裝便捷性。

技術領域

本發明屬于高壓大容量脈沖功率閉合開關技術領域，尤其涉及一種激光觸發快速閉合高壓真空開關。

背景技術

近年來脈沖功率技術在國防、科研、工業應用等多個重要領域取得廣泛應用。隨著脈沖功率裝置容量的不斷增長及對波形質量相關參數要求的不斷提高，對脈系統中多種核心器件的性能均提出了更高更全面的要求。脈沖功率閉合開關作為系統末端器件，決定著系統容量、波形質量、運行穩定性等關鍵技術指標。研發綜合性能更優、容量更大的脈沖功率閉合開關對未來我國脈沖功率系統的發展起到至關重要的作用。根據開關運行特點不同，可將目前常見的脈沖功率閉合開關分為氣體開關、真空開關、電力電子開關幾種。其中氣體開關具有耐壓高、導通時延短等優點，但受絕緣氣體自身特性影響，氣體開關通流能力及使用壽命相對有限；電力電子開關具有通流量大、觸發時延短、精度高等優勢，但其較高的通態損耗和生產成本限制其應用范圍；真空開關以真空為絕緣介質，具有載流量大、重頻特性好、體積小、免維護等優勢。根據觸發方式不同，脈沖功率閉合開關可分為多種類型。激光觸發真空開關(laser triggered vacuum switch,LTVS)綜合了激光觸發氣體開關與電脈沖觸發真空開關的技術優點，利用高能脈沖激光與開關內觸發材料相互作用產生初始等離子體快速閉合真空間隙，具有時延短、精度高、工作電壓范圍寬、使用壽命長等優點。此前研究表明，LTVS工作電壓低至幾十伏，載流量可達數百庫倫，觸發精度低于2ns，在電磁發射系統、直流系統保護等多種高耐壓、寬電壓范圍下關合大電流領域均展現出絕佳的應用前景。

脈沖功率裝置不斷提升的系統參數要求其閉合開關具有更高的觸發精度、更寬的電壓范圍、更強的通流能力、更優的重頻特性和更長的使用壽命，部分大型脈沖功率系統單次釋放的電流量可達數千庫倫，且對開關動作精度和重復頻率有一定要求。綜上所述，受限于開關結構或工作原理等原因，現有的脈沖功率閉合開關通常難以較好滿足這些技術指標。

真空斷路器屬于常閉型開關器件，主要負責在電力系統發生故障時能有效切斷故障電流，其性能可靠對保障電力系統的安全穩定運行具有重要意義。目前在中低壓輸配電領域真空斷路器占據了絕對領先地位。現有真空斷路器多采用彈簧或永磁操動機構完成分閘動作，分閘速度相對較慢(一般為1m/s左右)。隨著電力系統的不斷發展，為滿足部分應用場合的快速開斷需求，有學者設計研制了快速操動機構，可大幅提升真空斷路器的分閘速度。

針對大容量脈沖功率系統的需求，若能結合激光觸發真空開關與真空斷路器的技術特點設計一種新型激光觸發快速閉合真空開關，接到系統閉合指令時利用激光觸發的方式實現真空間隙快速高精度導通；同時控制快速操動機構與激光觸發系統配合，在適當時刻驅動電極運動，使電流導通后兩電極能快速接觸并可靠閉合，完成真空間隙合閘動作，利用電極接觸后極低的接觸電阻實現系統后續大電流的可靠快速泄放。電流泄放完畢后控制操動機構驅動電極分閘，恢復真空間隙初始的絕緣狀態，以滿足脈沖功率系統的重復動作需求。通過優化開關內觸發材料的材料種類、結構和數量實現其短時延、高精度快速導通，同時有效提升開關使用壽命。觸發光路可采用空間光路或光纖光路可靠觸發間隙導通，提升觸發系統的可靠性和便捷性。利用特殊設計的觸發控制系統實現激光觸發系統與快速操動機構行程的協同配合，確保快速有效的閉合真空間隙。在此基礎上獲得高精度、大容量、高重頻、長壽命的新型脈沖功率閉合開關。

發明內容