本發(fā)明屬于電力設(shè)備技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種混合型激光觸發(fā)間隙。

背景技術(shù)：

激光觸發(fā)開關(guān)本質(zhì)上是利用大功率脈沖激光在間隙內(nèi)(或電極表面)產(chǎn)生等離子體，使得局部電場(chǎng)發(fā)生畸變進(jìn)而引起整個(gè)間隙發(fā)生擊穿。激光觸發(fā)開關(guān)的觸發(fā)延遲和抖動(dòng)小，自擊穿概率低，運(yùn)行穩(wěn)定，且具有無電接觸和適合同步觸發(fā)等優(yōu)點(diǎn)，是一類重要的閉合開關(guān)。目前，激光觸發(fā)開關(guān)在脈沖功率領(lǐng)域發(fā)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(tái)同步運(yùn)行的6.1MV,0.79MA激光觸發(fā)開關(guān)；我國(guó)2013年底建成的“聚龍一號(hào)裝置”(8-10MA,90ns)采用了24臺(tái)同步運(yùn)行的4MV激光觸發(fā)開關(guān)。

電力系統(tǒng)中常采用外部觸發(fā)的空氣間隙實(shí)現(xiàn)電流合成，系統(tǒng)保護(hù)等。短空氣間隙常采用電脈沖進(jìn)行觸發(fā)，激光觸發(fā)的短空氣間隙和真空間隙也在預(yù)研中。然而，隨著超高壓、特高壓技術(shù)的發(fā)展，數(shù)百千伏甚至兆伏級(jí)長(zhǎng)間隙的應(yīng)用日益廣泛。目前長(zhǎng)空氣間隙的觸發(fā)主要采用火花塞或等離子體噴射裝置產(chǎn)生較長(zhǎng)的超聲速等離子體流。雖然等離子體長(zhǎng)度雖然可以達(dá)到～10cm量級(jí)，但是系統(tǒng)觸發(fā)抖動(dòng)在1-10μs甚至更長(zhǎng)，若兩個(gè)或多個(gè)長(zhǎng)空氣間隙需要同步運(yùn)行時(shí)，系統(tǒng)抖動(dòng)更大。此外，噴射的等離子體對(duì)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(lǐng)域同步觸發(fā)百千伏、兆伏級(jí)間隙的成功應(yīng)用和技術(shù)優(yōu)勢(shì)，其在電力系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)空氣間隙低抖動(dòng)和同步觸發(fā)的應(yīng)用前景也開始受到關(guān)注。與脈沖功率應(yīng)用中的納秒量級(jí)的觸發(fā)抖動(dòng)相比，電力系統(tǒng)中對(duì)觸發(fā)抖動(dòng)的要求可以放寬至亞微秒量級(jí)。但是，在脈沖功率的應(yīng)用中，兆伏級(jí)激光觸發(fā)開關(guān)由觸發(fā)間隙和自擊穿間隙串聯(lián)組成：其中激光觸發(fā)間隙電壓小于1MV，在3-4個(gè)大氣壓SF₆絕緣氣體下，激光觸發(fā)間隙長(zhǎng)度小于5cm；自擊穿間隙在觸發(fā)間隙導(dǎo)通后過壓而自擊穿。在電力系統(tǒng)的應(yīng)用中，間隙通常工作在開放的空氣環(huán)境中而非封閉的高壓氣體環(huán)境。對(duì)于百千伏甚至兆伏級(jí)的空氣間隙，間隙長(zhǎng)度顯著增加 (10-100cm)，遠(yuǎn)大于激光等離子體長(zhǎng)度(通?！?cm)，這時(shí)激光等離子體對(duì)電場(chǎng)畸變的效果和引導(dǎo)等離子體通道的能力大大減弱，從而影響激光觸發(fā)的性能。

此外需要指出的是，本世紀(jì)以來，人們發(fā)現(xiàn)高功率飛秒激光(>10¹³W/cm²)在空氣中形成長(zhǎng)度達(dá)數(shù)百米且較穩(wěn)定的等離子體通道(成絲現(xiàn)象)，并可有效地引導(dǎo)數(shù)米長(zhǎng)的空氣間隙形成放電通道。然而亞焦耳級(jí)的飛秒激光器系統(tǒng)復(fù)雜、價(jià)格昂貴，且對(duì)運(yùn)行環(huán)境和操作人員有較高的要求。目前，采用飛秒激光觸發(fā)高壓間隙的技術(shù)，在脈沖功率領(lǐng)域和電力系統(tǒng)領(lǐng)域都尚未得到真正應(yīng)用。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明提供一種混合型激光觸發(fā)間隙，可以減小間隙的長(zhǎng)度，從而降低長(zhǎng)間隙開關(guān)的工作系數(shù)，減小激光觸發(fā)的抖動(dòng)和延時(shí)。

為了實(shí)現(xiàn)上述發(fā)明目的，本發(fā)明采取如下技術(shù)方案：

本發(fā)明提供一種混合型激光觸發(fā)間隙，所述激光觸發(fā)間隙包括短氣體間隙和長(zhǎng)空氣間隙，所述短氣體間隙和長(zhǎng)空氣間隙串聯(lián)。

所述短氣體間隙和長(zhǎng)空氣間隙共用中間電極。

所述短氣體間隙位于高壓極側(cè)，其包括高壓電極和中間電極；

所述長(zhǎng)空氣間隙包括低壓電極和中間電極。

所述短氣體間隙的長(zhǎng)度不變，通過移動(dòng)長(zhǎng)空氣間隙的低壓電極調(diào)節(jié)長(zhǎng)空氣間隙的長(zhǎng)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(zhǎng)空氣間隙中低壓電極的材料為銅。

上位機(jī)發(fā)送動(dòng)作命令給數(shù)字延時(shí)發(fā)生器，所述數(shù)字延時(shí)發(fā)生器給激光器發(fā)送觸發(fā)命令，激光器產(chǎn)生納秒級(jí)激光，所述納秒級(jí)激光通過反射鏡反射，經(jīng)過反射的納秒級(jí)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(chǎn)生初始等離子體，初始等離子體在電場(chǎng)作用下，將誘導(dǎo)長(zhǎng)空氣間隙發(fā)生自擊穿。

所述短氣體間隙位于地電極側(cè)，其包括低壓電極和中間電極；

所述長(zhǎng)空氣間隙包括高壓電極和中間電極。

所述短氣體間隙的長(zhǎng)度不變，通過移動(dòng)長(zhǎng)空氣間隙的高壓電極調(diào)節(jié)長(zhǎng)空氣間隙的長(zhǎng)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(zhǎng)空氣間隙中高壓電極的材料為銅。

上位機(jī)發(fā)送動(dòng)作命令給數(shù)字延時(shí)發(fā)生器，所述數(shù)字延時(shí)發(fā)生器給激光器發(fā)送觸發(fā)命令，激光器產(chǎn)生納秒級(jí)激光，所述納秒級(jí)激光通過反射鏡反射，經(jīng)過反射的納秒級(jí)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(chǎn)生初始等離子體，初始等離子體在電場(chǎng)作用下，將誘導(dǎo)長(zhǎng)空氣間隙發(fā)生自擊穿。

短氣體間隙為封閉間隙，其內(nèi)部充有高壓絕緣氣體；

所述高壓絕緣氣體為干燥空氣或SF₆。

所述短氣體間隙和長(zhǎng)空氣間隙的分壓比為1:2。

與最接近的現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明提供的技術(shù)方案具有以下有益效果：

1)本發(fā)明提供的混合型激光觸發(fā)間隙中，短氣體間隙和長(zhǎng)空氣間隙串聯(lián)，減小了激光觸發(fā)間隙的間隙長(zhǎng)度，提高了激光觸發(fā)的性能；

2)本發(fā)明提供的混合型激光觸發(fā)間隙中，短氣體間隙和長(zhǎng)空氣間隙串聯(lián)，可適用于較高電壓等級(jí)的間隙，能夠在較低的工作系數(shù)下可靠工作。

附圖說明

圖1是本發(fā)明實(shí)施例1中混合型激光觸發(fā)間隙結(jié)構(gòu)圖；

圖2是本發(fā)明實(shí)施例2中混合型激光觸發(fā)間隙結(jié)構(gòu)圖；

圖3是本發(fā)明實(shí)施例3中混合型激光觸發(fā)間隙結(jié)構(gòu)圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)說明。

實(shí)施例1

如圖1，混合型激光觸發(fā)間隙包括短氣體間隙和長(zhǎng)空氣間隙，所述短氣體間隙和長(zhǎng)空氣間隙串聯(lián)。

所述短氣體間隙和長(zhǎng)空氣間隙共用中間電極。

所述短氣體間隙位于高壓極側(cè)，其包括高壓電極和中間電極；

所述長(zhǎng)空氣間隙包括低壓電極和中間電極。

所述短氣體間隙的長(zhǎng)度不變，通過移動(dòng)長(zhǎng)空氣間隙的低壓電極調(diào)節(jié)長(zhǎng)空氣間隙的長(zhǎng)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(zhǎng)空氣間隙中低壓電極的材料為銅。

上位機(jī)發(fā)送動(dòng)作命令給數(shù)字延時(shí)發(fā)生器，所述數(shù)字延時(shí)發(fā)生器給激光器發(fā)送觸發(fā)命令，激光器產(chǎn)生納秒級(jí)激光，所述納秒級(jí)激光通過反射鏡反射，經(jīng)過反射的納秒級(jí)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(chǎn)生初始等離子體，初始等離子體在電場(chǎng)作用下，將誘導(dǎo)長(zhǎng)空氣間隙發(fā)生自擊穿。

短氣體間隙為封閉間隙，其內(nèi)部充有高壓絕緣氣體；

所述高壓絕緣氣體為干燥空氣或SF₆。由于不同氣體的耐壓能力不同，相同間隙電壓時(shí)不同絕緣氣體對(duì)應(yīng)的間隙長(zhǎng)度也不一樣。SF₆氣體絕緣性好，其間隙距離最短，將具有較好的激光觸發(fā)性能。

所述短氣體間隙和長(zhǎng)空氣間隙的分壓比為1:2。

實(shí)施例2

如圖2，混合型激光觸發(fā)間隙包括短氣體間隙和長(zhǎng)空氣間隙，所述短氣體間隙和長(zhǎng)空氣間隙串聯(lián)。

所述短氣體間隙和長(zhǎng)空氣間隙共用中間電極。

所述短氣體間隙位于地電極側(cè)，其包括低壓電極和中間電極；

所述長(zhǎng)空氣間隙包括高壓電極和中間電極。

所述短氣體間隙的長(zhǎng)度不變，通過移動(dòng)長(zhǎng)空氣間隙的高壓電極調(diào)節(jié)長(zhǎng)空氣間隙的長(zhǎng)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(zhǎng)空氣間隙中高 壓電極的材料為銅。

上位機(jī)發(fā)送動(dòng)作命令給數(shù)字延時(shí)發(fā)生器，所述數(shù)字延時(shí)發(fā)生器給激光器發(fā)送觸發(fā)命令，激光器產(chǎn)生納秒級(jí)激光，所述納秒級(jí)激光通過反射鏡反射，經(jīng)過反射的納秒級(jí)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(chǎn)生初始等離子體，初始等離子體在電場(chǎng)作用下，將誘導(dǎo)長(zhǎng)空氣間隙發(fā)生自擊穿。

短氣體間隙為封閉間隙，其內(nèi)部充有高壓絕緣氣體；

所述高壓絕緣氣體為干燥空氣或SF₆。由于不同氣體的耐壓能力不同，相同間隙電壓時(shí)不同絕緣氣體對(duì)應(yīng)的間隙長(zhǎng)度也不一樣。SF₆氣體絕緣性好，其間隙距離最短，將具有較好的激光觸發(fā)性能。

所述短氣體間隙和長(zhǎng)空氣間隙的分壓比為1:2。

實(shí)施例3

如圖3，混合型激光觸發(fā)間隙包括短氣體間隙和長(zhǎng)空氣間隙，短氣體間隙包括短氣體間隙A和短氣體間隙B；所述短氣體間隙A、長(zhǎng)空氣間隙、短氣體間隙B；依次串聯(lián)。

所述短氣體間隙A和長(zhǎng)空氣間隙共用中間電極A，所述短氣體間隙B和長(zhǎng)空氣間隙共用中間電極B。

所述短氣體間隙A包括低壓電極和中間電極A；所述短氣體間隙B包括高壓電極和中間電極B；

所述長(zhǎng)空氣間隙包括中間電極A和中間電極B。

所述短氣體間隙A和短氣體間隙B中電極采用的材料均為銅鎢合金，中間電極A和中間電極B的材料為銅。

上位機(jī)發(fā)送動(dòng)作命令給數(shù)字延時(shí)發(fā)生器，所述數(shù)字延時(shí)發(fā)生器給激光器發(fā)送觸發(fā)命令，激光器產(chǎn)生納秒級(jí)激光，所述納秒級(jí)激光通過反射鏡反射，經(jīng)過反射的納秒級(jí)激光通過透鏡后，穿過短氣體間隙A的低壓電極聚焦到中間電極A，并穿過短氣體間隙B的高壓電極聚焦到中間電極B上，產(chǎn)生初始等離子體，初始等離子體在電場(chǎng)作用下，將誘導(dǎo)長(zhǎng)空氣間隙發(fā)生自擊穿。

短氣體間隙A和短氣體間隙B均為封閉間隙，內(nèi)部充有高壓絕緣氣體；

所述高壓絕緣氣體為干燥空氣或SF₆。由于不同氣體的耐壓能力不同，相同間隙電壓時(shí)不同絕緣氣體對(duì)應(yīng)的間隙長(zhǎng)度也不一樣。SF₆氣體絕緣性好，其間隙距離最短，將具有較好的激光觸發(fā)性能。

所述短氣體間隙A和長(zhǎng)空氣間隙的分壓比為1:2，所述短氣體間隙B和長(zhǎng)空氣間隙的分壓比為1:2。

最后應(yīng)當(dāng)說明的是：以上實(shí)施例僅用以說明本發(fā)明的技術(shù)方案而非對(duì)其限制，所屬領(lǐng)域的普通技術(shù)人員參照上述實(shí)施例依然可以對(duì)本發(fā)明的具體實(shí)施方式進(jìn)行修改或者等同替換，這些未脫離本發(fā)明精神和范圍的任何修改或者等同替換，均在申請(qǐng)待批的本發(fā)明的權(quán)利要求保護(hù)范圍之內(nèi)。