CN105679534A - 双同轴型高压脉冲电容器及电容、开关一体化装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种高压脉冲电容器，尤其是一种采用双同轴型结构的高压脉冲电容器及电容、开关一体化装置。本发明主要由高压电极、地电极、高压电极绝缘板、高压电极安装螺帽、液体绝缘介质、开关地电极、开关高压电极、开关绝缘外壳组成。高压电极和地电极呈同轴放置，高压电极的外表面和地电极外壳的内表面之间构成第一个电容；高压电极的内表面和地电极内筒的外表面之间构成第二个电容；高压电极径向平面和地电极的径向平面构成第三个电容。高压电极和地电极构成双同轴结构。利用地电极的内部空间，安置开关地电极、开关高压电极和开关绝缘外壳，构成高压气体开关，实现电容开关一体化，从而可以满足紧凑型、小型化高功率脉冲装置的应用需求。

Description

双同轴型高压脉冲电容器及电容、开关一体化装置

技术领域

本发明涉及高功率脉冲技术领域的高压脉冲电容器，尤其是一种采用双同轴型结构的高压脉冲电容器及电容、开关一体化装置，可用于Marx发生器、气体放电等领域。

背景技术

高功率脉冲技术是一种把“慢”存储起来的具有较高密度的电场或磁场能量进行快速压缩、转换或直接释放给负载的电物理技术，其中的能量存储是决定高功率脉冲装置体积和重量的关键，而高压脉冲电容器的主要功能就是用于能量存储，要求高功率脉冲电容器能够承受高电压并具有脉冲大电流放电能力。近年来，基于高压脉冲电容器的高功率脉冲技术在高功率微波、高功率脉冲激光、材料表面处理、工业废气废水处理、食品杀菌消毒以及生物医学等众多领域获得了良好的应用，而这些应用对高功率脉冲装置提出了高功率、高重复频率、紧凑性和长使用寿命的要求。因此要求高功率脉冲技术中的高压脉冲电容器具有高功率、高重复频率、紧凑性和长使用寿命等特点。

早期的高压脉冲电容器是用金属箔片(如铝片)作电极，夹隔电容器纸或聚丙烯膜卷绕成折叠的芯子，用金属条引出作为正、负电极，然后放置在箱壳内并灌注矿物油而成，其储能密度较低，这种用箔夹绝缘膜并浸渍绝缘油的电容器通常称为油浸箔式脉冲电容器【J.B.Ennis，R.HartsockandA.J.McPhee,"RecentDevelopmentsinHighEnergyDensityMetallizedElectrodeCapacitorTechnology,Proceedingsofthe1997IEEEColloquiumonPulsedPower，London，UK，1997：1-3】。油浸箔式脉冲电容器具有通流能力强的优点，但容易发生局部放电，最终发生绝缘击穿使电容器发生损坏。同时油浸式高压脉冲电容器因为其内部存在液态绝缘油，不适用于某些特殊场合，特别是为了避免发生击穿，保障可靠性，需要增加绝缘裕度，因而电容器的体积大，重量大，成本高，不适合紧凑型高功率脉冲装置。为了避免油浸箔式脉冲电容器的上述缺点，上世纪80年代后期人们研发了以聚丙烯膜为介质的干式(即无油的)金属化膜高压脉冲电容器(简称金属化膜脉冲电容器)。金属化膜电容器一般由两张金属化膜围绕绝缘轴心卷绕而成，聚丙烯膜的厚度一般不超过15μm。金属化膜的电极由铝和锌构成，电极厚度一般小于100nm。金属化膜电容器中，上下金属化电极有可能在电弱点处发生局部高电压击穿放电，从而产生短路击穿电流，引起局部的高温，由于电极很薄，使击穿点附件两边的薄金属层迅速蒸发并向周边扩散，从而使其绝缘性能得到恢复，这个过程中，电容量仅有微小的损失。金属化膜的自愈特性，使金属化膜电容器的工作场强高，从而具有较高的储能密度。为满足高压、大容量电容器的需要，市场上金属化膜脉冲电容器主要通过多个金属化膜脉冲电容器单元通过串并联方式来实现【张天洋.金属化聚丙烯膜脉冲电容器过载特性研究.长沙：国防科学技术大学硕士论文，2011】。油浸箔式脉冲电容器和金属化膜脉冲电容器容易实现微法乃至毫法量级的大容量电容器，工作电压也可以达到百千伏量级，但在实现纳法量级的高电压脉冲电容器，内感很大。为进一步减小高压脉冲电容器的体积并提高储能密度，近年来随着陶瓷材料、云母材料的不断发展，基于陶瓷和云母材料的纳法量级高压脉冲电容器得到了快速发展，市场上有耐压几十千伏至百千伏，电容量几个纳法的陶瓷电容。其主要由电极和电极间夹隔的陶瓷或云母材料构成，并将电极和陶瓷或云母材料共同封装起来，具有耐压较高，储能密度大的优点。但是由于工艺等限制，要实现几百千伏，几纳法的单体陶瓷电容非常困难，需要采用串并联的方式来实现，从而造成体积增大，储能密度降低【杨斌，任新军，刘兴书，苏磊，“高电压大电容量陶瓷电容器组开发与应用”，电力电容器与无功补偿，2012，Vol.33，No.5，pp.50-53】。

因此，尽管市场上有多种类型的高压脉冲电容器，但是还不能满足紧凑化、长寿命高功率脉冲功率装置的需求。虽然现有的陶瓷电容或者云母电容器在紧凑型高功率脉冲功率装置中有较大的应用潜力，但是要实现几百千伏的耐压仍需要多个串并联使用，从而减小了储能密度，并提高了系统的复杂性。本发明正是针对目前高压脉冲电容器耐压较低、储能密度较低等问题出发，采用双同轴型结构、以高储能密度液体介质作为储能介质，实现能够承受高电压大电流、结构紧凑的高压脉冲电容器，并将开关室与电容器一体化设计，方便在Marx发生器等领域的使用。

发明内容

本发明要解决的技术问题是克服现有高压脉冲电容器中工作电压不高、储能密度较低、内感较大、结构紧凑性较差等不足，采用双同轴型结构、以高储能密度液体介质作为储能介质，提供一种结构紧凑、体积小、耐压高、内感小、寿命长的高压脉冲电容器，并将开关室与电容器一体化设计，方便本发明在气体放电、Marx发生器等领域的使用。

本发明的技术方案为：

一种双同轴型高压脉冲电容器，主要由高压电极、地电极、高压电极绝缘板、高压电极安装螺帽、液体绝缘介质组成；所述高压电极主体为一端封闭的空心圆筒，在高压电极的封闭盖板中心设置有直径远小于封闭盖板直径的圆柱形高压电极连接杆，用作脉冲电容器的高电压输出端，在高压电极空心圆筒侧壁的外侧设置实心或空心的高压电极均压结构，所述高压电极均压结构为圆弧形，起到均压的作用，防止高压电极与地电极之间发生电击穿；所述地电极为同轴结构，由内外两个金属圆筒组成，在底部将内外两个金属圆筒相连接，形成一个类似倒立“凹”字的同轴结构；在内金属圆筒的底部中心开有螺孔，用于固定气体开关的地电极；在“凹”字的两个突出的平台上，靠近外金属圆筒处设置一圈突起，并在突起上开有灌油孔，所述突起一方面起到固定气体开关绝缘外壳的作用，另一方面确保整个电容器的空腔内充满液体绝缘介质；所述高压电极绝缘板为一块中心开孔的圆板，中心开孔的孔径与高压电极连接杆直径一致；装配时，首先将高压电极的高压电极连接杆从高压电极绝缘板中心的开孔穿过，并利用高压电极安装螺帽固定高压电极和高压电极绝缘板，然后再将高压电极插入地电极，并与地电极呈同心放置，利用高压电极绝缘板直撑高压电极，实现高压电极与地电极的隔离；最后将液体绝缘介质从灌油孔处注入由高压电极、地电极和高压电极绝缘板构成的封闭空间，在高压电极和地电极之间构成可以耐受高压的双同轴高压脉冲电容器。

本发明还提供一种上述电容器和开关的一体化装置，在地电极内金属圆筒的底部中心开有螺孔，用以安装开关地电极，而在地电极两个突出的平台上靠近外金属圆筒边沿设置突起，用于固定开关绝缘外壳，所述开关绝缘外壳为圆台状，圆台底部和内部挖空，与地电极内金属圆筒一起构成气体开关的空腔；在所述圆台顶部中心开有圆孔，用于安装开关高压电极，从而在所述开关地电极、开关绝缘外壳和开关高压电极之间，构成气体开关，实现电容开关一体化设计。

本发明的工作原理为：根据电容器理论，高压电极和低压电极之间填充绝缘介质，便在两个电极之间形成电容。本发明的高压电极和地电极呈同轴放置，高压电极的外表面和地电极外壳的内表面之间构成第一个电容；高压电极的内表面和地电极内筒的外表面之间构成第二个电容；高压电极径向平面和地电极的径向平面构成第三个电容。这三个电容呈并联关系，故本电容器的电容量为这三个电容量之和，从而增大了本发明所述电容器的电容量；高压电极和地电极构成双同轴结构。同时，在每个电容之间采用高储能密度液体介质，相对介电常数大，可进一步增大本电容器的电容量。由于这种结构能够增大电容器的电容量，并通过设计可以减小内部的场增强，不易发生击穿，提高电容器能够承受的电压。利用地电极的内部空间，安置开关地电极、开关高压电极和开关绝缘外壳，构成高压气体开关，实现电容开关一体化，从而可以满足紧凑型、小型化高功率脉冲装置的应用需求。

本发明具有以下技术效果：与现有技术相比，本发明结构简单、体积小、可以提高电容器的工作电压、并提高电容器的电容量、且具有结构电感小，与开关一体化的优点，可应用于小型化高功率脉冲装置当中。

附图说明

图1为背景技术【J.B.Ennis，R.HartsockandA.J.McPhee,"RecentDevelopmentsinHighEnergyDensityMetallizedElectrodeCapacitorTechnology,Proceedingsofthe1997IEEEColloquiumonPulsedPower，London，UK，1997：1-3】中隐箔式电容器结构图结构示意图；

图2为背景技术【张天洋.金属化聚丙烯膜脉冲电容器过载特性研究.长沙：国防科学技术大学硕士论文，2011】中的金属化电容器单元结构图；

图3为背景技术【张天洋.金属化聚丙烯膜脉冲电容器过载特性研究.长沙：国防科学技术大学硕士论文，2011】中的金属化电容器组；

图4为背景技术【杨斌，任新军，刘兴书，苏磊，“高电压大电容量陶瓷电容器组开发与应用”，电力电容器与无功补偿，2012，Vol.33，No.5，pp.50-53】中的高压陶瓷电容器组结构图；

图5为本发明中的双同轴型高压脉冲电容器及开关一体化装置的剖视图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

图1为背景技术【J.B.Ennis，R.HartsockandA.J.McPhee,"RecentDevelopmentsinHighEnergyDensityMetallizedElectrodeCapacitorTechnology,Proceedingsofthe1997IEEEColloquiumonPulsedPower，London，UK，1997：1-3】中隐箔式电容器结构图结构示意图，主要由铝箔电极1，绝缘介质2，引线片3组成，为了提高电容器，需要增加铝箔电极1和绝缘介质2的长度和宽度，往往造成电容器内感较大，且为了实现高电压工作，需要多个单元串联使用，从而进一步增加了内感。同时由于绝缘介质2的相对介电常数较小，故体积较大；

图2为背景技术【张天洋.金属化聚丙烯膜脉冲电容器过载特性研究.长沙：国防科学技术大学硕士论文，2011】中的金属化电容器单元结构图，由金属化电极4，介质层5，绝缘筒6组成。金属化电容器工作电压很难做到电压到百千伏量级，为了实现高电压，需要多个单元结构串并联实验，体积较大；

图3为背景技术【张天洋.金属化聚丙烯膜脉冲电容器过载特性研究.长沙：国防科学技术大学硕士论文，2011】中的金属化电容器组，由金属化电容器单元7和单元连接片8组成，利用多个金属化电容器单元7的串并联，实现高电压；

图4为背景技术【杨斌，任新军，刘兴书，苏磊，“高电压大电容量陶瓷电容器组开发与应用”，电力电容器与无功补偿，2012，Vol.33，No.5，pp.50-53】中的高压陶瓷电容器组结构图，由绝缘底座9，绝缘筒10，陶瓷电容11和环氧浇注材料12组成。为了实现高压输出，陶瓷电容器11需要采用多个串联，再并联的结构，为了保证电压均匀，还需要相应的均压结构，使得体积也有相应增加，大大降低了储能密度；

图5为本发明的双同轴型高压脉冲电容器及电容开关一体化装置的剖视图。主要由高压电极13、地电极14、高压电极绝缘板15、高压电极安装螺帽16、液体绝缘介质17、开关地电极18、开关高压电极19、开关绝缘外壳20组成，此外，还包括一些附属组件如高压电极连接杆13a、高压电极密封槽13b、地电极密封槽14a、液体绝缘介质灌装口14b、绝缘板压环15a、开关密封槽20a、开关外壳压环20b、开关高压电极安装螺帽19a、开关高压电极座19b等组成。

本发明的装配过程如下：首先在高压电极密封槽13b上安装上O型密封圈，将安装好密封圈的高压电极13安装在高压电极绝缘板15上，并利用高压电极安装螺帽16压紧，同时在地电极密封槽14a中安装上O型密封圈，使高压电极13、高压电极绝缘板15和高压电极安装螺帽16构成一个整体。

其次将由高压电极13、高压电极绝缘板15和高压电极安装螺帽16构成的整体插入地电极14，并利用绝缘板压环15a压紧高压电极绝缘板15，保证高压电极13和地电极14同心；最后将液体绝缘介质17通过液体绝缘介质灌装口14b灌入，便形成本发明所述的双同轴型高压脉冲电容器。

紧接着，将开关地电极18安装在地电极14底部中心，然后将开关高压电极19安装在开关高压电极座19b上，再安装于开关绝缘外壳20上，利用开关高压电极安装螺帽19a压紧，在开关密封槽20a处装上O型密封圈，从而使开关高压电极19、开关高压电极座19b、开关绝缘外壳20和开关高压电极安装螺帽19a构成另外一个整体，最后将由开关高压电极19、开关高压电极座19b、开关绝缘外壳20和开关高压电极安装螺帽19a构成的整体安装在地电极14底部，并利用开关外壳压环20b将开关绝缘外壳20压紧，实现开关与双同轴型高压脉冲电容器的一体化。

国防科学技术大学设计试制了电容器电容量为2nF，电压200kV，开关工作电压200kV的高压脉冲电容器及电容开关一体化装置，总高度195mm。电容器最大外直径200mm，高度120mm，开关高度75mm。绝缘板压环15a、高压电极安装螺帽16、高压电极连接杆13a、高压电极13、地电极14、开关外壳压环20b、开关地电极18、开关高压电极19、开关高压电极安装螺帽19a、开关高压电极座19b均为304#不锈钢材料；高压电极绝缘板15、开关绝缘外壳20为高密度聚乙烯材料；液体绝缘介质17为甘油。通过电容器耐压实验测量，其击穿电压为250kV，可在200kV工作电压下稳定工作，开关内感约为20nH。

以上，向熟悉本技术领域的人员提供本发明的描述，以使他们易于理解与支应本发明。对于熟悉本技术领域的人员，对这些实施的各种变更是显而易见的，而无需创造性的劳动。因此，本发明并不是限定在这里所述的方案，而是与所述的权利要求一致的范围。

Claims (5)

1.一种双同轴型高压脉冲电容器，其特征在于：所述电容器由高压电极、地电极、高压电极绝缘板、高压电极安装螺帽、液体绝缘介质组成；所述高压电极主体为一端封闭的空心圆筒，在高压电极的封闭盖板中心设置有直径远小于封闭盖板直径的圆柱形高压电极连接杆，用作脉冲电容器的高电压输出端，在高压电极空心圆筒侧壁的外侧设置实心或空心的高压电极均压结构，所述高压电极均压结构为圆弧形，起到均压的作用，防止高压电极与地电极之间发生电击穿；所述地电极为同轴结构，由内外两个金属圆筒组成，在底部将内外两个金属圆筒相连接，形成一个类似倒立“凹”字的同轴结构；在内金属圆筒的底部中心开有螺孔，用于固定气体开关的地电极；在“凹”字的两个突出的平台上，靠近外金属圆筒处设置一圈突起，并在突起上开有灌油孔，所述突起一方面起到固定气体开关绝缘外壳的作用，另一方面确保整个电容器的空腔内充满液体绝缘介质；所述高压电极绝缘板为一块中心开孔的圆板，中心开孔的孔径与高压电极连接杆直径一致；装配时，首先将高压电极的高压电极连接杆从高压电极绝缘板中心的开孔穿过，并利用高压电极安装螺帽固定高压电极和高压电极绝缘板，然后再将高压电极插入地电极，并与地电极呈同心放置，利用高压电极绝缘板直撑高压电极，实现高压电极与地电极的隔离；最后将液体绝缘介质从灌油孔处注入由高压电极、地电极和高压电极绝缘板构成的封闭空间，在高压电极和地电极之间构成可以耐受高压的双同轴高压脉冲电容器。

2.一种开关和基于权利要求1所述电容器的一体化装置，其特征在于：在地电极内金属圆筒的底部中心开有螺孔，用以安装开关地电极，而在地电极两个突出的平台上靠近外金属圆筒边沿设置突起，用于固定开关绝缘外壳，所述开关绝缘外壳为圆台状，圆台底部和内部挖空，与地电极内金属圆筒一起构成气体开关的空腔；在所述圆台顶部中心开有圆孔，用于安装开关高压电极，从而在所述开关地电极、开关绝缘外壳和开关高压电极之间，构成气体开关，实现电容开关一体化设计。

3.根据权利要求1所述双同轴型高压脉冲电容器，其特征在于：在高压电极绝缘板和地电极的结合处设置有绝缘板压环，所述压环用于压紧高压电极绝缘板与地电极，实现高压电极绝缘板和地电极的紧密配合。

4.根据权利要求1所述双同轴型高压脉冲电容器，其特征在于：所述液体绝缘介质为甘油。

5.根据权利要求2所述双同轴型高压脉冲电容器和开关一体化装置，其特征在于：在开关绝缘外壳和地电极的结合处设置有开关外壳压环，所述压环用于压紧开关绝缘外壳与地电极，实现开关绝缘外壳和地电极的紧密配合。