CN112685985B - 一种抑制沿面闪络的电容器设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种抑制沿面闪络的电容器设计方法。该方法的主要步骤为：1、建立电容器模型；2、根据最高工作电压，分别计算出每相邻电极之间的电场大小；3、根据每个电场大小，确定选定的绝缘薄膜材料是否满足耐压要求；4、根据每个电场大小分别计算每个电场中电子最大速度；5、通过洛伦兹力，分别计算每个电场内电子偏转后再重新回到电场内所需临界磁场大小；6、根据总磁场，以及各个电极、绝缘薄膜层的参数，分别计算实际的每个磁场大小；7、分别对实际磁场大小与其对应的临界磁场大小进行比较，调整每个电场中绝缘薄膜层的厚度。通过该方法设计出的电容器可有效提高了高功率脉冲下沿面闪络电压，提升高功率脉冲源指标参数。

Description

一种抑制沿面闪络的电容器设计方法

技术领域

本发明设计一种电容器设计技术，具体涉及一种抑制沿面闪络的电容器设计方法。

背景技术

目前，在电磁场脉冲产生装置的电容器中，高压电极、中间电极以及低压电极之间需要固体绝缘介质材料实现机械上的固定和支撑，固体绝缘介质材料在满足机械性能需求的同时，还应满足电气上的绝缘要求，也就是将电位不同的导体隔离，是必不可少的部件。

根据不同装置工作环境的区别，存在固体绝缘介质材料与气体、液体或真空等组成的多相体复合绝缘系统，而并联多介质绝缘系统的整体绝缘性能往往受固体绝缘介质材料的沿面耐电特性所制约，即在施加电压下会发生沿介质表面的闪络现象，导致电容器结构绝缘失败，对于整个装置来说，固体介质发生表面闪络会导致电容器结构中关键部件的失效，进而导致整个电磁场脉冲产生装置无法正常工作，严重时会造成极大破坏。

发明内容

为了解决背景技术中电容器会出现绝缘面沿闪络的问题，本发明提出了一种抑制沿面闪络的电容器设计方法。

本发明采用的技术方案是：

提供了一种能有效抑制沿面闪络的电容器设计方法，其具体实现步骤为：

步骤1：建立电容器模型；

电容器模型包括高压电极、N个中间电极以及低压电极；N≥1；

高压电极与第一个中间电极之间，相邻两个中间电极之间以及第N个中间电极与低压电极之间均设置有绝缘薄膜层；

给定高压电极的厚度及外轮廓尺寸、中间电极的厚度及外轮廓尺寸、低压电极的厚度及外轮廓尺寸；

其中，N个中间电极的厚度及外轮廓尺寸完全一致，确保N个中间电极构成一个均压结构；

给定绝缘薄膜层的厚度及外轮廓尺寸，绝缘薄膜层的外轮廓尺寸需大于高压电极或中间电极或低压电极的外轮廓尺寸；

在高压电极和低压电极之间施加一个总磁场H₀；

定义高压电极与第一个中间电极之间为第一电场；相邻两个中间电极之间为第二电场，第二电场为N-1个，第N个中间电极与低压电极为第三电场；

步骤2：根据最高工作电压，分别计算第一电场的电场大小E_A；第二电场的电场大小E_B以及第三电场的电场大小E_C；

步骤3：根据步骤2计算的电场大小E_A、E_B、E_C，与绝缘薄膜材料手册给出的绝缘薄膜的平均击穿场强E₀进行对比，若E₀≥E_A，E₀≥E_B、E₀≥E_C，则认定选定的绝缘薄膜层满足耐压要求，跳转步骤4，否则调整步骤1电容器模型中任意一个电场中绝缘薄膜层的厚度；

步骤4：根据电场大小E_A、E_B、E_C，分别计算每个电场中电子最大速度V_A、V_B、V_C；

步骤5：通过洛伦兹力，分别计算每个电场内电子偏转后再重新回到电场内所需临界磁场大小H_A、H_B、H_C；

步骤6：根据总磁场H₀，以及步骤1电容器模型中各个电极、绝缘薄膜层的参数，分别计算第一电场的实际磁场大小H’_1A、第二电场的实际磁场大小H’_1B和第三电场的实际磁场大小H’_1C；

步骤7：分别对实际磁场大小H’_1A、H’_1B、H’_1C与其对应的临界磁场大小H_A、H_B、H_C进行比较；

若H’_1A≥H_A，H’_1B≥H_B、H’_1C≥H_C，则认定电容器结构满足抑制沿面闪络需求；

若H’_1A＜H_A，H’_1B＜H_B、H’_1C＜H_C，则认定电容器结构无法满足抑制沿面闪络需求，需要调整步骤6中H’_1A、H’_1B、H’_1C的大小或者改变每个电场中每层绝缘薄膜层的厚度；

若H’_1A≥H_A，H’_1B＜H_B、H’_1C＜H_C，则认定电容器结构无法满足抑制沿面闪络需求，需要调整步骤6中H’_1B、H’_1C的大小或者改变第二电场、第三电场中每层绝缘薄膜层的厚度；

若H’_1A≥H_A，H’_1B≥H_B、H’_1C＜H_C；则认定电容器结构无法满足抑制沿面闪络需求，需要调整步骤6中H’_1C的大小或者改变第三电场中每层绝缘薄膜层的厚度；

若H’_1A＜H_A，H’_1B≥H_B、H’_1C＜H_C；则认定电容器结构无法满足抑制沿面闪络需求，需要调整步骤6中H’_1A、H’_1C的大小或者改变第一电场和第三电场中每层绝缘薄膜层的厚度；

若H’_1A＜H_A，H’_1B＜H_B、H’_1C≥H_C，则认定电容器结构无法满足抑制沿面闪络需求，需要调整步骤6中H’_1A、H’_1B的大小或者改变第一电场和第二电场中每层绝缘薄膜层的厚度。

进一步地,步骤1中施加总磁场的方式为：在高压电极和低压电极之间施加一个电磁场，或者总磁场为给高压电极、每个中间电极和低压电极内嵌永磁体材料，永磁材料选用高剩余磁感应强度的钕铁硼。

本发明的有益效果是：

本发明所提出的基于磁场抑制高功率脉冲下沿面闪络的方法可以有效提高了高功率脉冲下沿面闪络电压，提升高功率脉冲源指标参数。

附图说明

图1为基于本发明方法制作的电容器结构示意图。

1-上永磁体、2-中间永磁体、3-下永磁体、4-高压电极、5-中间电极、6-低压电极、7-地电极、8-绝缘薄膜。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在有没做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明提供了一种抑制沿面闪络的电容器设计方法，其实现过程为：

步骤1：建立电容器模型；

电容器模型包括高压电极、N个中间电极以及低压电极；N≥1；

高压电极与第一个中间电极之间，相邻两个中间电极之间以及第N个中间电极与低压电极之间均设置有绝缘薄膜层；

给定高压电极的厚度及外轮廓尺寸；中间电极的厚度及外轮廓尺寸以及低压电极的厚度、外轮廓尺寸；

其中，N个中间电极的厚度及外轮廓尺寸完全一致，确保N个中间电极构成一个均压结构；

给定高压电极的厚度及外轮廓尺寸、中间电极的厚度及外轮廓尺寸、低压电极的厚度及外轮廓尺寸；

在高压电极和低压电极之间施加一个总磁场H₀；

定义高压电极与第一个中间电极之间为第一电场；相邻两个中间电极之间为第二电场，第二电场为N-1个，第N个中间电极与低压电极为第三电场；

步骤2：根据最高工作电压，分别计算第一电场的电场大小E_A；第二电场的电场大小E_B以及第三电场的电场大小E_C；

步骤3：根据步骤2计算的电场大小E_A、E_B、E_C，与绝缘薄膜材料手册给出的绝缘薄膜的平均击穿场强E₀进行对比，若E₀≥E_A，E₀≥E_B、E₀≥E_C，则认定选定的绝缘薄膜层满足耐压要求，跳转步骤4，否则调整步骤1电容器模型中任意一个电场中绝缘薄膜层的厚度；

步骤4：根据电场大小E_A、E_B、E_C，分别计算每个电场中电子最大速度V_A、V_B、V_C；

步骤5：通过洛伦兹力，分别计算每个电场内电子偏转后再重新回到电场内所需临界磁场大小H_A、H_B、H_C；

其中，E为步骤2中计算出的每个电场的电场强度，F为洛伦兹力，该值通过总磁场H₀计算；B为所需临界磁场大小H_A、H_B、H_C，e为电子电量，v为每个电场中电子的速度V_A、V_B、V_C；

步骤6：根据总磁场H₀，以及步骤1电容器模型中各个电极、绝缘薄膜层的参数，分别计算第一电场的实际磁场大小H’_1A、第二电场的实际磁场大小H’_1B和第三电场的实际磁场大小H’_1C；

步骤7：分别对实际磁场大小H’_1A、H’_1B、H’_1C与其对应的临界磁场大小H_A、H_B、H_C进行比较；

若H’_1A≥H_A，H’_1B≥H_B、H’_1C≥H_C，则认定电容器结构满足抑制沿面闪络需求；

若H’_1A＜H_A，H’_1B＜H_B、H’_1C＜H_C，则认定电容器结构无法满足抑制沿面闪络需求，需要调整步骤6中H’_1A、H’_1B、H’_1C的大小或者改变每个电场中每层绝缘薄膜层的厚度；

若H’_1A≥H_A，H’_1B＜H_B、H’_1C＜H_C，则认定电容器结构无法满足抑制沿面闪络需求，需要调整步骤6中H’_1B、H’_1C的大小或者改变第二电场、第三电场中每层绝缘薄膜层的厚度；

若H’_1A≥H_A，H’_1B≥H_B、H’_1C＜H_C；则认定电容器结构无法满足抑制沿面闪络需求，需要调整步骤6中H’_1C的大小或者改变第三电场中每层绝缘薄膜层的厚度；

若H’_1A＜H_A，H’_1B≥H_B、H’_1C＜H_C；则认定电容器结构无法满足抑制沿面闪络需求，需要调整步骤6中H’_1A、H’_1C的大小或者改变第一电场和第三电场中每层绝缘薄膜层的厚度；

若H’_1A＜H_A，H’_1B＜H_B、H’_1C≥H_C，则认定电容器结构无法满足抑制沿面闪络需求，需要调整步骤6中H’_1A、H’_1B的大小或者改变第一电场和第二电场中每层绝缘薄膜层的厚度。

根据上述的设计方法的描述，本实施例提供一种具体的电容器结构，该电容器结构中，总磁场采用多个永磁体构成，如图1所示，

首先，通过理论分析和数值模拟计算，得到最高工作电压条件下的临界磁场，根据绝缘薄膜的总厚度和永磁体的磁感应强度大小，计算所需要的永磁体的尺寸参数。

其次，采用永磁体制作平板型峰化电容器极板，将上永磁体1、中间永磁体2、下永磁体3分别内嵌于高压电极4、中间电极5、低压电极6中，封装时注意各永磁体的磁极朝向一致。

最后，底板7可以采用纯铁或铁磁性材料，依次交替放置永磁体制作低压电极6、中间电极5、高压电极4和绝缘薄膜8，直到层数满足设计要求为止。

本发明的说明书已经对发明内容给出了充分的说明，各结构的具体参数可以根据实际需求设定，普通技术人员足以通过本发明说明书的内容加以实施。在权利要求的框架下，任何基于本发明思路的改进都属于本发明的权利范围。

Claims (2)

1.一种抑制沿面闪络的电容器设计方法，其特征在于，具体实现步骤为：

步骤1：建立电容器模型；

电容器模型包括高压电极、N个中间电极以及低压电极；N≥1；

高压电极与第一个中间电极之间，相邻两个中间电极之间以及第N个中间电极与低压电极之间均设置有绝缘薄膜层；

给定高压电极的厚度及外轮廓尺寸、中间电极的厚度及外轮廓尺寸、低压电极的厚度及外轮廓尺寸；

其中，N个中间电极的厚度及外轮廓尺寸完全一致，确保N个中间电极构成一个均压结构；

给定绝缘薄膜层的厚度及外轮廓尺寸，绝缘薄膜层的外轮廓尺寸需大于高压电极或中间电极或低压电极的外轮廓尺寸；

在高压电极和低压电极之间施加一个总磁场H₀；

定义高压电极与第一个中间电极之间为第一电场；相邻两个中间电极之间为第二电场，第二电场为N-1个，第N个中间电极与低压电极为第三电场；

步骤2：根据最高工作电压，分别计算第一电场的电场大小E_A；第二电场的电场大小E_B以及第三电场的电场大小E_C；

步骤3：根据步骤2计算的电场大小E_A、E_B、E_C，与绝缘薄膜材料手册给出的绝缘薄膜的平均击穿场强E₀进行对比，若E₀≥E_A，E₀≥E_B、E₀≥E_C，则认定选定的绝缘薄膜层满足耐压要求，跳转步骤4，否则调整步骤1电容器模型中任意一个电场中绝缘薄膜层的厚度；

步骤4：根据电场大小E_A、E_B、E_C，分别计算每个电场中电子最大速度V_A、V_B、V_C；

步骤5：通过洛伦兹力，分别计算每个电场内电子偏转后再重新回到电场内所需临界磁场大小H_A、H_B、H_C；

步骤6：根据总磁场H₀，以及步骤1电容器模型中各个电极、绝缘薄膜层的参数，分别计算第一电场的实际磁场大小H’_1A、第二电场的实际磁场大小H’_1B和第三电场的实际磁场大小H’_1C；

步骤7：分别对实际磁场大小H’_1A、H’_1B、H’_1C与其对应的临界磁场大小H_A、H_B、H_C进行比较；

若H’_1A≥H_A，H’_1B≥H_B、H’_1C≥H_C，则认定电容器结构满足抑制沿面闪络需求；

若H’_1A＜H_A，H’_1B＜H_B、H’_1C＜H_C，则认定电容器结构无法满足抑制沿面闪络需求，需要调整步骤6中H’_1A、H’_1B、H’_1C的大小或者改变每个电场中每层绝缘薄膜层的厚度；

若H’_1A≥H_A，H’_1B＜H_B、H’_1C＜H_C，则认定电容器结构无法满足抑制沿面闪络需求，需要调整步骤6中H’_1B、H’_1C的大小或者改变第二电场、第三电场中每层绝缘薄膜层的厚度；

若H’_1A≥H_A，H’_1B≥H_B、H’_1C＜H_C；则认定电容器结构无法满足抑制沿面闪络需求，需要调整步骤6中H’_1C的大小或者改变第三电场中每层绝缘薄膜层的厚度；

若H’_1A＜H_A，H’_1B≥H_B、H’_1C＜H_C；则认定电容器结构无法满足抑制沿面闪络需求，需要调整步骤6中H’_1A、H’_1C的大小或者改变第一电场和第三电场中每层绝缘薄膜层的厚度；

若H’_1A＜H_A，H’_1B＜H_B、H’_1C≥H_C，则认定电容器结构无法满足抑制沿面闪络需求，需要调整步骤6中H’_1A、H’_1B的大小或者改变第一电场和第二电场中每层绝缘薄膜层的厚度。

2.根据权利要求1所述的抑制沿面闪络的电容器设计方法，其特征在于：步骤1中施加总磁场的方式为：在高压电极和低压电极之间施加一个电磁场，或者总磁场为给高压电极、每个中间电极和低压电极内嵌永磁体材料，永磁材料选用高剩余磁感应强度的钕铁硼。

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