CN110335729A - 一种高承重高隔离性能的金属绝缘嵌套型中间绝缘盘 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种高承重高隔离性能的金属绝缘嵌套型中间绝缘盘，一是解决现有楔形中间绝缘圆盘机械张力强度不足、绝缘体安全裕度低和局部放电引发绝缘劣化加速的问题，二是解决现有T形中间绝缘圆盘工程应用受限和绝缘拉杆长期使用塑性变形的问题。该装置包括阳极金属体、绝缘基体和阴极金属体；绝缘基体为圆环结构，且圆环内表面为楔形面；阳极金属体和阴极金属体结构相同，且对称嵌入绝缘基体内；阳极金属体包括阳极大端和阳极小端；阳极小端远离阳极大端的端面与绝缘基体的上表面平齐；阳极小端上设置有与阳极导体连接的盲孔；阴极金属体包括阴极大端和阴极小端；阴极小端远离阳极大端的端面与绝缘基体的下表面平齐。

Description

一种高承重高隔离性能的金属绝缘嵌套型中间绝缘盘

技术领域

本发明涉及高电压绝缘装置，具体涉及一种高承重高隔离性能的金属绝缘嵌套型中间绝缘盘，应用于脉冲功率装置高电压导体之间的电气隔离，特别是用于快直线型变压器驱动源单元模块高电压输出之间的绝缘。

背景技术

快直线型变压器驱动源(FLTD)被誉为脉冲功率技术领域的一次革命性进步，其特点是将传统的脉冲产生、压缩和成形环节集成至高约20cm～30cm、直径数米的圆盘形模块中(即FLTD单元模块)。理论上，单个FLTD模块即可输出峰值电流2.0MA、峰值电压约100kV、前沿时间小于100ns的功率脉冲。

FLTD模块内部结构如图1所示，其实际为一台脉冲变压器，初级由多个放电支路并联，每个放电支路由两支正负充电的电容器11和一支电触发气体放电开关12组成，各放电支路的放电回路均包绕磁芯13一圈。次级为一金属圆柱筒，整个模块在电路上则相当于初级由多个单匝线圈并联，次级为一单匝线圈。各放电支路同步工作时，次级负载可以近似获得与初级充电电压一致的峰值电压，而电流则为单个放电支路电流的N倍(N为模块放电支路并联数)。

FLTD模块通过一中间绝缘圆盘14馈入至次级，该绝缘圆盘14具有以下功能：一是实现圆盘形阴、阳极导体之间高电压的电气隔离(最高电压可达200kV)；二是作为连接件，实现圆盘形阴、阳极导体之间的紧固与密封。工程实际中，如何同时兼顾二者功能成为FLTD模块研制的工程技术难题。

针对FLTD模块中间绝缘盘的结构设计，目前主要提出两种结构。在Chuan Liang，Lin Zhou，Fengju Sun等学者的《A repetitive 800kA linear transformer driversstage for Z-pinch driven fusion-fission hybrid reactor》(Laser and ParticleBeams,2015,33,pp.535-540)中提出了一种楔形截面的中间绝缘圆盘(简称楔形中间绝缘圆盘)。如图2所示，楔形中间绝缘圆盘22上设置有螺纹盲孔，圆盘形阳极导体21、圆盘形阴极导体23上设置有通孔，且通过金属螺杆固定至楔形中间绝缘圆盘22上；圆盘形阳极导体21、圆盘形阴极导体23的内侧端面设置有密封槽，通过螺杆拉力与楔形中间绝缘圆盘22压缩橡胶密封圈实现中心侧与外侧的密封隔离。该结构的优点是结构简单、紧凑，但其存在以下方面的不足：1)由于楔形中间绝缘圆盘22为有机材料，其螺纹屈服强度仅约10⁸N/m²量级，安装过程中容易造成滑丝甚至崩裂，安装完成后总体拉力有限，在模块注油条件下进行整体吊装时(总重达到3t)，易出现密封漏油问题；2)为确保一定的拉力，螺杆需伸入至楔形中间绝缘圆盘22较深位置，在楔形中间绝缘圆盘22总体高度一定的条件下(受限于总体设计要求)，导致螺杆头部与圆盘形阴、阳极导体之间的体绝缘距离远小于绝缘盘总体厚度，成为绝缘安全的“短板”；3)在没有安装螺杆时，圆盘形阴、阳极导体之间等效为“板-板”电极，电场分布近似为稍不均匀场，引入螺杆后，二者之间等效为“棒-板”电极，加之电极间隙明显缩短，电场分布呈现为极不均匀场，易导致局部放电，进而加速绝缘老化。

在J.R.Woodworth，W.E.Fowler，B.S.Stoltzfus等学者的《Compact 810kA lineartransformer driver cavity》(Physical Review Special Topic-Accelerator andBeams，2011，14，pp.040401)中提出了一种截面为T字形的中间绝缘圆盘(简称T形中间绝缘圆盘)。如图3所示，T形中间绝缘圆盘34延伸入阴、阳极导体中心侧，并上下各延伸一定绝缘距离，以提高中间绝缘圆盘沿面滑闪电压。阴、阳极导体中心侧端面向中心延伸一定距离，其上设置有通孔，绝缘拉杆35穿过通孔并在两端用螺帽进行紧固。阴、阳极导体与T形中间绝缘圆盘34接触的端面同样设置有密封槽，通过绝缘拉杆35施加的压力压缩橡胶密封圈实现中心侧与外侧的密封隔离。该结构的优点是绝缘安全裕度高、机械紧固相对可靠，但其也存在以下方面的不足：1)整体结构较之楔形中间绝缘圆盘明显复杂，阴、阳极导体需向中心侧延伸较长距离，且在延伸段设置有绝缘拉杆35，该结构在单个FLTD模块研制或者实验时满足要求，但对于多级FLTD模块串联时，由于FLTD工作原理的限制，不允许中间绝缘圆盘和阴、阳极导体向中心侧延伸。因此，从长远装置建设角度分析(多个FLTD串联)，该结构在工程实际使用中严重受限；2)橡胶密封圈压缩外力来源于中心侧的绝缘拉杆，该部件为有机材料，在拉紧状态下随着时间的推移会产生明显塑性变形，进而导致拉力降低、密封失效，特别是绝缘拉杆35长度较长时，一般介于20cm至30cm，塑性变形会更为明显。

综上所述，虽然目前针对FLTD模块的中间绝缘圆盘已提出了具体结构，并已应用于具体工程实践，但现有结构设计均存在着明显的不足，尚不能完全满足FLTD模块工程化研制需求，因此有必要对其结构进行深入研究与改进。

发明内容

本发明提供一种高承重高隔离性能的金属绝缘嵌套型中间绝缘盘，一是解决现有楔形中间绝缘圆盘机械张力强度不足、绝缘体安全裕度低和局部放电引发绝缘劣化加速的问题；二是解决现有T形中间绝缘圆盘工程应用受限和绝缘拉杆长期使用塑性变形的问题。本发明绝缘圆盘兼具楔形中间绝缘圆盘和T形中间绝缘圆盘的结构优点，同时具有结构简单、工艺成熟、研制成本低等特点，对于各类具有高电压隔离和机械紧固需求的部件研制具有重要工程参考价值。

本发明解决上述问题的技术方案是：

一种高承重高隔离性能的金属绝缘嵌套型中间绝缘盘，包括阳极金属体、绝缘基体和阴极金属体；所述绝缘基体为圆环结构，且圆环内表面为楔形面；所述阳极金属体和阴极金属体结构相同，且对称嵌入绝缘基体内；所述阳极金属体为圆环结构，圆环截面为T型，包括阳极大端和阳极小端；所述阳极小端远离阳极大端的端面与绝缘基体的上表面平齐；所述阳极小端上设置有与阳极导体连接的盲孔；所述阴极金属体为圆环结构，圆环截面为T型，包括阴极大端和阴极小端；所述阴极小端远离阳极大端的端面与绝缘基体的下表面平齐；所述阴极小端上设置有与阴极导体连接的盲孔。

进一步地，所述阳极大端与阴极大端平行设置，且其相对的面为光滑平面；所述阳极大端与阴极大端平行面之间的距离小于30mm。

进一步地，所述阳极大端和阴极大端的内侧面和外侧面均为圆弧面。

进一步地，所述绝缘基体的楔形面为-45°斜面。

进一步地，所述阳极大端与阴极大端之间的间隙距离为15㎜。

进一步地，所述绝缘基体与阳极导体、阴极导体的接触面上设有密封圈。

进一步地，所述阳极金属体和阴极金属体的材质为不锈钢。

进一步地，所述绝缘基体的材质为交联聚苯乙烯。

进一步地，所述阳极大端的内径为1300㎜，外径为1380㎜，高度为4.5㎜，阳极大端与绝缘基体内表面的最小距离为8㎜。

进一步地，所述阳极小端和阴极小端上均设置有32个螺纹盲孔。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

本发明提供的金属绝缘嵌套型中间绝缘盘充分利用了绝缘材料的体绝缘强度远大于同等长度沿面滑闪强度的特性(即固体绝缘材料沿面绝缘是短板，远低于同等长度的体绝缘)，在绝缘基体中嵌入金属体，同时构造金属体之间的电场，使之介于稍不均匀与均匀场之间，避免了楔形中间绝缘盘电场分布呈现为极不均匀场的问题，有效提高了绝缘盘高压隔离性能。同时，金属体上设置有螺纹孔，相对于楔形中间绝缘盘的有机材料螺纹孔，其机械强度大幅提升，解决了楔形中间绝缘盘机械拉力不足问题。此外，本发明总体结构尺寸与楔形中间绝缘盘一致，简单紧凑，无需其它附属结构，确保了本发明的推广使用，特别是在大型FLTD驱动源中的应用。

附图说明

图1为现有FLTD模块内部结构示意图；

图2为现有楔形中间绝缘圆盘的结构示意图；

图3为现有T形中间绝缘圆盘的结构示意图；

图4本发明高承重高隔离性能的金属绝缘嵌套型中间绝缘盘结构示意图；

图5本发明高承重高隔离性能的金属绝缘嵌套型中间绝缘盘安装示意图。

附图标记：11-电容器，12-放电开关，13-磁芯，14-中间绝缘圆盘，21-圆盘形阳极导体，22-楔形中间绝缘圆盘，23-圆盘形阴极导体，34-T形中间绝缘圆盘，35-绝缘拉杆，41-阳极金属体，42-绝缘基体，43-阴极金属体，44-盲孔，45-阳极导体，46-阴极导体，411-阳极大端，412-阳极小端，421-楔形面，431-阴极大端，432-阴极小端。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明的内容作进一步详细描述。

如图4和图5所示，本发明提供了一种高承重高隔离性能的金属绝缘嵌套型中间绝缘盘，包括阳极金属体41、绝缘基体42和阴极金属体43；绝缘基体42为圆环结构，且圆环内表面为楔形面421；阳极金属体41和阴极金属体43结构相同，对称嵌入绝缘基体42内，具体可浇筑于绝缘基体42之中，三者形成金属与绝缘的嵌套结构。阳极金属体41为圆环结构，圆环截面为T型，包括阳极大端411和阳极小端412；阳极小端412远离阳极大端411的端面与绝缘基体42的上表面平齐，阳极小端412上设置有与阳极导体45连接的盲孔44。阴极金属体43为圆环结构，圆环截面为T型，包括阴极大端431和阴极小端432，阴极小端432远离阳极大端411的端面与绝缘基体42的下表面平齐；阴极小端432上设置有与阴极导体46连接的盲孔44。阳极金属体41和阴极金属体43对称布置，阳极大端411与阴极大端431平行，且其相对的面为光滑平面。

盲孔44为螺纹孔，确保阳极金属体41和阴极金属体43相对面(以下称为平台面)为光滑平面，盲孔44设置数量取决于外部拉力需求，以确保二者导体受外部拉力作用下的均衡。阳极大端411和阴极大端431的内侧面和外侧面均设为圆弧面，即阳极金属体41和阴极金属体43的平台面两端设置有圆形导角，确保二者平台面之间电场为均匀或者稍不均匀电场，满足高电压绝缘需求。

绝缘基体42的楔形面421为-45°斜面，即中间绝缘圆盘14斜面与阳极导体45的平面呈-45°角，以提高绝缘盘沿面滑闪电压。

阳极金属体41和阴极金属体43平台面之间的体绝缘距离取决于绝缘基体42斜面的长度，要求体绝缘电压不得低于斜面沿面滑闪电压，一般体绝缘距离要大于斜面长度的五分之一。阳极金属体41和阴极金属体43的平台面端部需与绝缘基体42斜面保持一定距离，确保平台面的引入不会明显改变绝缘基体42斜面的沿面电场分布。由整体装配结构下斜面的沿面电场分布可知，距离越大影响越小。

阳极金属体41和阴极金属体43的平台面宽度取决于外部阴、阳极导体的宽度和机械拉力的平衡，要求平台面面积与绝缘基体42材料的屈服强度乘积大于外部机械拉力。外部阴、阳极导体宽度能够较好地屏蔽平台面相对柄面凸起高度对整个间隙电场的影响。通过增加阴、阳极导体宽度，实现阴、阳极导体之间电场分布的均化，进而对平台面实现屏蔽。

以下为本发明提供的一种具体的高承重高隔离性能的金属绝缘嵌套型中间绝缘盘实施例，中间绝缘圆盘14呈圆环形结构，其沿径向的截面结构如图4所示。中间绝缘圆盘14主要由阳极金属体41、绝缘基体42和阴极金属体43构成，阳极金属体41和阴极金属体43为不锈钢材料，绝缘基体42为交联聚苯乙烯。阳极金属体41和阴极金属体43沿半径方向的截面呈“T”形结构，二者对称布置，内嵌在绝缘基体42之中；阳极金属体41和阴极金属体43的一个端面分别与绝缘基体42的两个端面平齐，其余部分嵌入绝缘基体42之内；阳极金属体41和阴极金属体43与绝缘基体42端面平齐的面(以下称为柄面)上设置有螺纹孔，用于与其它部件之间的机械连接，阳极金属体41和阴极金属体43的柄面分别与绝缘基体42的上下端面平齐，阳极金属体41和阴极金属体43的平台面相对布局，间隙距离15mm，平台面宽40mm，两端导角直径为4mm，二者之间构成稍不均匀电场。阳极金属体41和阴极金属体43的内直径1300mm、外直径1380mm、高度12.5mm，其中平台面高度4.5mm，柄面上分别设置有32个8mm深M8的螺纹盲孔，通过螺杆分别与外部的阳极导体45和阴极导体46相连接。外部的阳极导体45和阴极导体463上设置有密封槽，通过32个螺杆拉紧挤压密封圈实现中间绝缘圆盘14中心侧和外侧之间的密封。绝缘基体42截面呈楔形结构，内直径1216mm、外直径1400mm，斜面为-45°结构，以提高沿面耐压阈值。阳极金属体41距离绝缘基体42斜面之间的最小距离为8mm，确保其不会对斜面沿面电场分布产生明显影响，同时有利于屏蔽阳极处三结合点电场，进一步提高中间绝缘圆盘14高电压隔离性能。整个中间绝缘圆盘14内缩于外部的阳极导体45和阴极导体46之中，确保了该结构在多级FLTD串联工程中的适用性。缩比实验结合理论分析表明，本发明中间绝缘圆盘14承重可达5.0t，百纳秒电压脉冲峰值电压隔离达200kV以上。

通常情况下，FLTD放电支路充电电压最高为正负100kV，在次级负载电阻无穷大的条件下(即开路)，中间绝缘盘需耐受约200kV脉冲电压。绝缘环耐压水平受限于两项参数，一是阳极金属体41与阴极金属体43之间的距离，本发明中该距离为15mm，对于交联聚苯乙烯，其直流电压条件下，体击穿场强大于300kV/cm。因此，15mm厚度交联聚苯乙烯理论直流耐压大于450kV，且FLTD输出为百ns脉宽的脉冲电压，其耐压峰值会更高；二是绝缘盘-45°斜面长度，影响绝缘盘的沿面闪络电压。本发明中斜面长度沿用了项目组已研制绝缘盘的工程实验数据，约57mm，已研制成功的模块测试中，该沿面距离在200kV脉冲电压作用下未发现闪络问题，综合分析，本发明绝缘盘完全能够耐受200kV峰值的脉冲电压。

Claims (10)

1.一种高承重高隔离性能的金属绝缘嵌套型中间绝缘盘，其特征在于：包括阳极金属体(41)、绝缘基体(42)和阴极金属体(43)；

所述绝缘基体(42)为圆环结构，且圆环内表面为楔形面(421)；

所述阳极金属体(41)和阴极金属体(43)结构相同，且对称嵌入绝缘基体(42)内；

所述阳极金属体(41)为圆环结构，圆环截面为T型，包括阳极大端(411)和阳极小端(412)；所述阳极小端(412)远离阳极大端(411)的端面与绝缘基体(42)的上表面平齐；所述阳极小端(412)上设置有与阳极导体(45)连接的盲孔(44)；

所述阴极金属体(43)为圆环结构，圆环截面为T型，包括阴极大端(431)和阴极小端(432)；所述阴极小端(432)远离阳极大端(411)的端面与绝缘基体(42)的下表面平齐；所述阴极小端(432)上设置有与阴极导体(46)连接的盲孔(44)。

2.根据权利要求1所述的高承重高隔离性能的金属绝缘嵌套型中间绝缘盘，其特征在于：所述阳极大端(411)与阴极大端(431)平行设置，且其相对的面为光滑平面；所述阳极大端(411)与阴极大端(431)平行面之间的距离小于30mm。

3.根据权利要求2所述的高承重高隔离性能的金属绝缘嵌套型中间绝缘盘，其特征在于：所述阳极大端(411)和阴极大端(431)的内侧面和外侧面均为圆弧面。

4.根据权利要求1或2或3所述的高承重高隔离性能的金属绝缘嵌套型中间绝缘盘，其特征在于：所述绝缘基体(42)的楔形面(421)为-45°斜面。

5.根据权利要求4所述的高承重高隔离性能的金属绝缘嵌套型中间绝缘盘，其特征在于：所述阳极大端(411)与阴极大端(431)之间的间隙距离为15㎜。

6.根据权利要求5所述的高承重高隔离性能的金属绝缘嵌套型中间绝缘盘，其特征在于：所述绝缘基体(42)与阳极导体(45)、阴极导体(46)的接触面上设有密封圈。

7.根据权利要求6所述的高承重高隔离性能的金属绝缘嵌套型中间绝缘盘，其特征在于：所述阳极金属体(41)和阴极金属体(43)的材质为不锈钢。

8.根据权利要求7所述的高承重高隔离性能的金属绝缘嵌套型中间绝缘盘，其特征在于：所述绝缘基体(42)的材质为交联聚苯乙烯。

9.根据权利要求8所述的高承重高隔离性能的金属绝缘嵌套型中间绝缘盘，其特征在于：所述阳极大端(411)的内径为1300㎜，外径为1380㎜，高度为4.5㎜，所述阳极大端(411)与绝缘基体(42)内表面的最小距离为8㎜。

10.根据权利要求9所述的高承重高隔离性能的金属绝缘嵌套型中间绝缘盘，其特征在于：所述阳极小端(412)和阴极小端(432)上均设置有32个螺纹盲孔(44)。