申请/专利权人：大连理工大学

申请日：2020-01-02

公开（公告）日：2024-04-12

公开（公告）号：CN110971222B

主分类号：H03K17/54

分类号：H03K17/54

优先权：

专利状态码：有效-授权

法律状态：2024.04.12#授权;2020.05.01#实质审查的生效;2020.04.07#公开

摘要：本发明公开了一种激光触发快速闭合高压真空开关，属于高压大容量脉冲功率闭合开关技术领域。本发明通过激光触发系统产生脉冲激光，脉冲激光在开关组件中与触发材料作用，产生等离子体，导通带通光孔静电极和下电极之间的真空间隙，随后机构联动组件驱动下电极运动，使带通光孔静电极和下电极闭合。本发明利用激光触发的方式确保真空间隙快速、高精度导通，在电流导通后快速闭合间隙，减少大电流对电极和触发材料的烧蚀，大幅提升真空开关的通流容量和使用寿命，同时满足脉冲功率系统重复动作需求；优化设计触发光路，进一步提升激光触发快速闭合真空开关的通流容量、使用寿命和重频特性。采用模块化设计提升开关运行可靠性和安装便捷性。

主权项：1.一种激光触发快速闭合高压真空开关，其特征在于，所述的激光触发快速闭合高压真空开关包括上接线端子16、上绝缘支撑杆17、下接线端子18、开关组件19、下绝缘支撑杆26、触发控制器27、机构电源模块28、储能电容29、底座30、机构联动组件和激光触发系统；所述的开关组件19包括高透镜片2、上端盖法兰3、上辅助屏蔽罩4、空心上导电杆5、屏蔽罩6、绝缘外壳7、带通光孔静电极8、下电极9、触发材料10、下动导电杆11、波纹管12、下辅助屏蔽罩13、下端盖法兰14和动电极导向杆15；所述的屏蔽罩6为圆筒形，屏蔽罩6的外侧设置有环形法兰；所述的绝缘外壳7为圆筒形，屏蔽罩6通过环形法兰封接于绝缘外壳7内壁；所述的上端盖法兰3和下端盖法兰14为凹形壳体结构，分别安装在绝缘外壳7两端，上端盖法兰3和下端盖法兰14中心开有通孔；所述的空心上导电杆5和动电极导向杆15均为圆筒形，空心上导电杆5密封接于上端盖法兰3的通孔内，空心上导电杆5下端位于屏蔽罩6内部；动电极导向杆15安装在下端盖法兰14的通孔内；所述的高透镜片2密封安装在空心上导电杆5中心通孔内；所述的带通光孔静电极8同轴安装在空心上导电杆5下端、位于屏蔽罩6内部，带通光孔静电极8与空心上导电杆5的中心通孔对应的区域均匀开有n+1个通光孔，n为自然数，通光孔轴线与空心上导电杆5轴线平行；所述的下动导电杆11同轴安装在动电极导向杆15内，下动导电杆11上端位于屏蔽罩6内部；所述的下电极9安装在下动导电杆11上端，与带通光孔静电极8对称布置于屏蔽罩6内部；所述的下电极9与带通光孔静电极8的通光孔对应的位置处装有n+1个触发材料10，触发材料10与脉冲激光1作用产生等离子体导通带通光孔静电极8和下电极9间的真空间隙；所述的触发材料10是钛与氯化钾的混合粉末；所述的波纹管12套装在下动导电杆11外部，波纹管12的两端分别密封接于下动导电杆11和下端盖法兰14上；所述的上辅助屏蔽罩4和下辅助屏蔽罩13分别安装在上端盖法兰3内表面和下端盖法兰14内表面，上辅助屏蔽罩4环绕在空心上导电杆5外部，下辅助屏蔽罩13环绕在下动导电杆11外部，用于优化间隙内电场分布；所述的底座30为空心箱体结构，触发控制器27、机构电源模块28和储能电容29安装在底座30内部，触发控制器27作为激光触发快速闭合高压真空开关的控制器，触发控制器27与机构电源模块28通信连接，机构电源模块28与储能电容29通信连接；所述的上接线端子16和下接线端子18均为板形结构，且中心处开有通孔；所述的下接线端子18通过多个下绝缘支撑杆26安装固定在底座30上方；所述的上接线端子16通过多个上绝缘支撑杆17安装固定在下接线端子18上方；所述的开关组件19通过上接线端子16和下接线端子18夹持固定，空心上导电杆5同轴穿过上接线端子16的通孔，且上端盖法兰3与上接线端子16等电位连接；所述动电极导向杆15同轴穿过下接线端子18的通孔，下端盖法兰14与下接线端子18等电位连接；所述的机构联动组件包括软连接排线20、接线排21、绝缘拉杆22、超程簧23、超程连接件24和快速操动机构25；所述的快速操动机构25安装在底座30上部；所述的超程连接件24安装在快速操动机构25的上动端，超程连接件24经超程簧23与绝缘拉杆22连接，用于调整快速操动机构25的机械运动稳定性；所述的接线排21为导电圆盘，固定安装在绝缘拉杆22与下动导电杆11之间；所述的接线排21经软连接排线20与下接线端子18固定连接，用于导通开关组件19上的大电流；所述的激光触发系统包括激光器31、激光器电源32、通信光纤33和触发光路，所述的触发光路分为空间光触发光路和能量光纤触发光路，根据条件按需选择；所述的激光器电源32通过通信光纤33与触发控制器27通信连接，触发控制器27向激光器电源32发送指令控制激光器31输出脉冲激光1；所述的空间光触发光路包括密封镜片34、分光镜筒35、全反镜片36和分光镜片37组成的n组分光镜片组、n+1个聚焦镜片38；所述的分光镜筒35为空心圆柱，其上端面中心开有一个通孔，上端面的通孔处安装密封镜片34，下端面开有n+1个通孔，下端面的通孔处安装n+1个聚焦镜片38；所述的分光镜筒35安装在上接线端子16上部，聚焦镜片38与带通光孔静电极8上的通光孔对齐；所述的激光器31输出脉冲激光1经空间光传输后，沿分光镜筒35轴心线通过密封镜片34输入分光镜筒内，激光器31与分光镜筒35之间保持绝缘；每组全反镜片36和分光镜片37平行安装在分光镜筒35内；第一组镜片组的分光镜片37与穿过密封镜片34的脉冲激光1夹角为45°，脉冲激光1照射在分光镜片37后分成两路脉冲激光1，一路穿过分光镜片37并且方向与原脉冲激光1同向，另一路发生90°偏转照射在全反镜片36上，照射在全反镜片36上的脉冲激光1发生90°的二次偏转后与原脉冲激光1同向；根据需要设置的其他n-1组镜片组依次设置，每组镜片组将单路脉冲激光1转化成双路同向脉冲激光1，n组镜片组将单路脉冲激光1转换成n+1路脉冲激光1，n+1路脉冲激光1依次穿过聚焦镜片38、高透镜片2和带通光孔静电极8照射在触发材料10表面；所述的能量光纤触发光路包括密封镜片34、n组分光镜片组、n+1个聚焦镜片38、光纤耦合镜筒39、n+1根能量光纤40、准直聚焦镜筒41、n+1个准直镜片42和n+1个光纤聚焦镜片43；所述的光纤耦合镜筒39为空心圆柱形，其上端面中心处开有一个通孔，用于安装密封镜片34，下端面开有n+1个通孔，用于插接能量光纤40；光纤耦合镜筒39安装在激光器31的激光出口处，光纤耦合镜筒39的轴线与激光器31输出的脉冲激光1重合，脉冲激光1穿过密封镜片34进入到光纤耦合镜筒39内部；所述的分光镜片组与空间光触发光路的分光镜片组相同，也包括全反镜片36和分光镜片37，全反镜片36和分光镜片37平行安装在光纤耦合镜筒39内部；第一组镜片组的分光镜片37与穿过密封镜片34的脉冲激光1夹角为45°，脉冲激光1照射在分光镜片37后分成两路脉冲激光1，一路穿过分光镜片37并且方向与原脉冲激光1同向，另一路发生90°偏转照射在全反镜片36上，照射在全反镜片36上的脉冲激光1发生90°的二次偏转后与原脉冲激光1同向；根据需要设置的其他n-1组镜片组依次设置，每组镜片组将单路脉冲激光1转化成双路同向脉冲激光1，n组镜片组将单路脉冲激光1转换成n+1路脉冲激光1，n+1路脉冲激光1通过对应的聚焦镜片38聚焦后耦合输入到n+1根能量光纤40内，通过能量光纤传输脉冲激光1；所述的准直聚焦镜筒41为空心圆柱，其两端均开有对应的n+1个通孔，一端的通孔用于插接能量光纤40，另一端的通孔内侧密封安装光纤聚焦镜片43，准直聚焦镜筒41安装在上接线端子16上部，准直聚焦镜筒41的通孔与带通光孔静电极8上的通光孔对齐；所述的能量光纤40的保护管为绝缘材料，光纤一端插接在光纤耦合镜筒39的通孔处，另一端插接在准直聚焦镜筒41端面的通孔处；所述的准直镜片42安装在准直聚焦镜筒41内部，准直镜片42与光纤聚焦镜片43对齐；n+1根能量光纤40传输的多路脉冲激光1输入准直聚焦镜筒41后，经准直镜片42和光纤聚焦镜片43准直、聚焦后输出，依次穿过高透镜片2和带通光孔静电极8照射在触发材料10表面。

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