CN112768233A - 一种高压兆伏级同轴-平板混合型低电感脉冲电容器 - Google Patents

一种高压兆伏级同轴-平板混合型低电感脉冲电容器 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种应用于高压兆伏级同轴‑平板混合型低电感脉冲电容器。该电容器包括绝缘腔体、电容器外筒、以及沿径向方向依次设置在电容器外筒内的第一低压电极组件、高压电极组件以及第二低压电极组件；绝缘腔体内设置电容器外筒；高压电极组件包括磁压式高压电极、高压输入端屏蔽球和高压输出端屏蔽球；第一低压电极组件包括第一磁压式低压电极以及多个第一中间磁压式电极；第二低压电极组件包括第二磁压式中间电极以及多个第二磁压式低压电极；该电容器基于平板‑同轴混合电容思想与多层中间电极均匀分压的优化设计解决了高压绝缘与电感之间相互制约的技术难题，大大提高了峰化电容的工作电压，提升了模拟装置输出脉冲电压指标。

Description

一种高压兆伏级同轴-平板混合型低电感脉冲电容器
技术领域
本发明涉及一种电容器，主要涉及一种高压兆伏级同轴-平板混合型低电感脉冲电容器。
背景技术
电磁脉冲模拟器是一种产生较快的前沿，较窄的宽度，较宽的频带双指数脉冲的装置。高压电磁脉冲模拟器常采用两级压缩电路来实现，也就是通过Marx电路、中储电路和峰化电路两级脉冲压缩来实现。Marx电路产生几百纳秒的脉冲，中储电路产生几十纳秒脉冲，峰化电路产生几纳秒脉冲。
峰化电容器是脉冲功率驱动源的核心部件，为了获得脉冲快前沿，必须减小峰化输出回路的电感。也就是减小输出回路中峰化电容器和输出开关的电感，即减小这两个元件的几何尺寸，但峰化电容器必须能够承受高达几MV的脉冲高压，因此,如何设计一款低电感且耐兆伏级高压的峰化电容器成为目前急需解决的技术问题。
发明内容
为了解决背景技术中指出的现有峰化电容器结构难以满足低电感且耐压高的问题，本发明提出了一种高压兆伏级同轴-平板混合型低电感脉冲电容器。
本发明采用的技术方案：
提供了一种高压兆伏级同轴-平板混合型低电感脉冲电容器，其包括绝缘腔体、电容器外筒、第一低压电极组件、高压电极组件以及第二低压电极组件；
绝缘腔体内设置电容器外筒，绝缘腔体内填充有1.6Mpa的SF6气体；
第一低压电极组件、高压电极组件以及第二低压电极组件沿径向方向依次同轴设置于电容器外筒内；
高压电极组件包括磁压式高压电极、高压输入端屏蔽球和高压输出端屏蔽球；
高压输入端屏蔽球和高压输出端屏蔽球均安装于磁压式高压电极外圆表面，且对称设置；
第一低压电极组件包括第一磁压式低压电极以及多个第一中间磁压式电极；
第二低压电极组件包括第二磁压式中间电极以及多个第二磁压式低压电极；
第一磁压式低压电极的上表面与电容器外筒的筒壁固连；
第一磁压式低压电极下表面和磁压式高压电极上表面之间设置有多个第一磁压式中间电极；
其中，最下层第一磁压式中间电极下表面与磁压式高压电极上表面之间、每相邻两个第一磁压式低压电极之间，以及最上层第一磁压式中间电极上表面和第一磁压式低压电极下表面之间均设置有第一绝缘结构；
所述第一绝缘结构包括第一绝缘薄膜层以及设置在第一绝缘薄膜层上、下表面的第一绝缘支撑环；
第二磁压式低压电极的下表面与电容器外筒的筒壁固连；
第二磁压式低压电极上表面和磁压式高压电极下表面之间设置有多个第二磁压式中间电极；
其中，最上层第二磁压式中间电极上表面与磁压式高压电极下表面之间、每相邻两个第二磁压式低压电极之间，以及最下层第二磁压式中间电极下表面和第二磁压式低压电极上表面之间均设置有第二绝缘结构；
所述第二绝缘结构包括第二绝缘薄膜层以及设置在第二绝缘薄膜层上、下表面的第二绝缘支撑环。
进一步地，上述磁压式高压电极、第一磁压式中间电极、第二磁压式中间电极、第一磁压式低压电极、第二磁压式低压电极均包括电极环以及嵌装于电极环内的永磁体；
磁压式高压电极内的永磁体与第一磁压式低压电极内的永磁体、第二磁压式低压电极内的永磁体磁极相反；
最上层第一磁压式中间电极内的永磁体与第一磁压式低压电极内的永磁体磁极相反；
每相邻两个第一磁压式中间电极内的永磁体磁极相反；
最下层第一磁压式中间电极内的永磁体与磁压式高压电极内的永磁体磁极相反；
最下层第二磁压式中间电极内的永磁体与第二磁压式低压电极内的永磁体磁极相反；
每相邻两个第二磁压式中间电极内的永磁体磁极相反；
最上层第二磁压式中间电极内的永磁体与磁压式高压电极内的永磁体磁极相反。
进一步地，上述第一绝缘支撑环和第二绝缘支撑环均选用聚碳酸脂材料，厚度0.8mm，可以有效支撑绝缘薄膜，大大增加沿面距离至几十至百cm量级，同时防止薄膜出现过度下沉。
进一步地，上述绝缘薄膜层选用15微米双向拉伸表面粗化聚丙烯薄膜，该厚度薄膜击穿场强高。
进一步地，上述电极环、电容器外筒、高压输入端屏蔽球和高压输出端屏蔽球均采用304不锈钢制作。
进一步地，上述第一磁压式低压电极和第二磁压式低压电极均采用螺钉连接的方式与电容器外筒固定。
进一步地，上述高压输入端屏蔽球和高压输出端屏蔽球均采用螺钉连接的方式固定于磁压式高压电极的外圆表面。
本发明的有益效果是：
本发明基于平板-同轴混合电容思想与多层中间电极均匀分压的系统电场优化设计等技术解决了高压绝缘与电感之间相互制约的技术难题，大大提高了峰化电容的工作电压，提升了模拟装置输出脉冲电压指标。
1、本发明为了提高沿面击穿电压，设计了基于磁压接的通过双向套装工艺，覆于各个电极表面，将沿面闪络的问题转化为介质体击穿的问题，同时通过抽真空工艺，抽取绝缘薄膜层中的空气，充入高气压SF6等措施，通过该工艺可大大提高电容器每层之间的击穿电压，从而提高电容器的工作电压。
2、本发明的电容器结构整体设计为平板-同轴型结构，同时电容器整体放置于1.6Mpa高气压SF6腔体中，在高气压下SF6条件下，大大提高了绝缘介质薄膜沿面的击穿电压，从而提高电容器的工作电压。
3、为了提高电场分布的均匀性，电容整体设计为多层中间电极均压结构，既可以提高电场分布的均匀性，同时也方便调节电容的大小。
4、为了满足同轴-平板等多种场合的应用需求，提出了同轴-平板混合型结构，设计绝缘薄膜支撑结构，一方面可大大提高绝缘薄膜的沿面距离，同时提高电负性气体SF6与自由电子碰撞概率，减小沿面闪络概率；另一方面由于该电容为多层薄膜结构，层与层之间会存在静电吸附现象，绝缘支撑结构的存在可以有效减小薄膜之间的吸附，提高绝缘安全。
附图说明
图1是本发明实施例的结构剖面图。
附图标记如下：
1-绝缘腔体、2-电容器外筒、3-磁压式高压电极、4-高压输入端屏蔽球、5-高压输出端屏蔽球、6-第一磁压式低压电极、7-第一磁压式中间电极、8-第二磁压式中间电极、9-第二磁压式低压电极、10、第一绝缘薄膜层、11-第一绝缘支撑环、12-第二绝缘薄膜层、13-第二绝缘支撑环、14-气隙。
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。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
实施例
本实施例提供一种高压兆伏级同轴-平板混合型低电感脉冲电容器的具体结构，如图1所示，包括绝缘腔体1、电容器外筒2、第一低压电极组件、高压电极组件以及第二低压电极组件；
绝缘腔体1内设置电容器外筒2，绝缘腔体1内填充有1.6Mpa的SF6气体；
第一低压电极组件、高压电极组件以及第二低压电极组件沿径向方向依次同轴设置于电容器外筒2内；
高压电极组件包括磁压式高压电极3、高压输入端屏蔽球4和高压输出端屏蔽球5；
高压输入端屏蔽球4和高压输出端屏蔽球5均安装于磁压式高压电极3外圆表面，且对称设置；
第一低压电极组件包括第一磁压式低压电极6以及多个第一中间磁压式电极7；
第二低压电极组件包括第二磁压式中间电极8以及多个第二磁压式低压电极9；
第一磁压式低压电极6通过螺钉与电容器外筒2的筒壁固连；
第一磁压式低压电极6下表面和磁压式高压电极3上表面之间设置有多个第一磁压式中间电极7；
其中，最下层第一磁压式中间电极7下表面与磁压式高压电极3上表面之间、每相邻两个第一磁压式低压电极7之间，以及最上层第一磁压式中间电极7上表面和第一磁压式低压电极6下表面之间均设置有第一绝缘结构；
每个第一绝缘结构均包括绝第一缘薄膜层10以及设置在第一绝缘薄膜层10上、下表面的第一绝缘支撑环11；
第二磁压式低压电极9的下表面与电容器外筒2的筒壁固连；
第二磁压式低压电极9上表面和磁压式高压电极3下表面之间设置有多个第二磁压式中间电极8；
其中，最上层第二磁压式中间电极8上表面与磁压式高压电极3下表面之间、每相邻两个第二磁压式低压电极8之间，以及最下层第二磁压式中间电极8下表面和第二磁压式低压电极9上表面之间均设置有第二绝缘结构；
每个第二绝缘结构均包括绝缘薄膜层12以及设置在绝缘薄膜层12上、下表面的绝缘支撑环13。
第一绝缘支撑环11和第二绝缘支撑环13均选用聚碳酸脂材料，厚度0.8mm，可以有效支撑绝缘薄膜层，大大增加沿面距离至几十至百cm量级，同时防止薄膜出现过度下沉；第一绝缘薄膜层10和第二绝缘薄膜层12选用15微米双向拉伸表面粗化聚丙烯薄膜，该厚度薄膜击穿场强高。
本实施例中，其中磁压式高压电极3、第一磁压式中间电极6、第二磁压式中间电极8、第一磁压式低压电极7、第二磁压式低压电极9均采用304不绣钢作为电极环，厚度约12mm，内嵌永磁体，并且电容器外筒、高压输入端屏蔽球和高压输出端屏蔽球也均采用304不锈钢制作。
具体来说，本实施例中各电极的永磁体排布满足以下关系：
磁压式高压电极3内的永磁体与第一磁压式低压电极6内的永磁体、第二磁压式低压电极9内的永磁体磁极相反；
最上层的第一磁压式中间电极7内的永磁体与第一磁压式低压电极6内的永磁体磁极相反；
每相邻两个第一磁压式中间电极7内的永磁体磁极相反；
最下层第一磁压式中间电极6内的永磁体与磁压式高压电极3内的永磁体磁极相反；
最下层第二磁压式中间电极8内的永磁体与第二磁压式低压电极9内的永磁体磁极相反；
每相邻两个第二磁压式中间电极内的永磁体磁极相反；
最上层第二磁压式中间电极8内的永磁体与磁压式高压电极3内的永磁体磁极相反。
通过对上述电容器的结构描述，现对该该电容器的安装过程进行介绍：
步骤1、将第二磁压式低压电极9置于一平台上；
步骤2、将第一个第二绝缘支撑环13放在第二磁压式低压电极9气隙14位置处；
步骤3、将第一个第二绝缘薄膜层12放置在第二磁压式低压电极9和第一个第一绝缘支撑环13组成的组合体上；
步骤5、再将第二个第二绝缘支撑环13放置在第一个第一绝缘薄膜层12上，并确保两者边缘对齐；
步骤6、再将第一个第二磁压式中间电极8放置于第二个第二绝缘支撑环13上；
步骤7、将第三个第二绝缘支撑环13套放在第一个第二磁压式中间电极8的气隙位置14处，且与第一个第二磁压式中间电极8边缘对齐；
步骤8、将第二个第二绝缘薄膜层12放置在第三个第二绝缘支撑环13上；
步骤9、依次类推直至最上层第二绝缘结构安装完成，从而完成第二低压电极组件的安装；
步骤10、将磁压式高压电极3安装到最上层第二绝缘结构的第二绝缘支撑环13上；
步骤11、将第一个第一绝缘支撑环11放在高压电极3的气隙14位置处；
步骤11、将第一个第一绝缘薄膜层10放置在第一个第一绝缘支撑环11上；
步骤12：将第二个第一绝缘支撑环11放在第一个第一绝缘薄膜层10上，并确保边缘对齐；
步骤13、再将第一磁压式中间电极7放置于第二个第一绝缘支撑环11上；
步骤14、再将第三个绝缘支撑环11套放在第一磁压式中间电极7气隙位置14处，且与第一磁压式中间电极7边缘对齐；
步骤15、再将第二个第一绝缘薄膜层10放置在第三个第一绝缘支撑环11上；
步骤9、依次类推直至最上层第一绝缘结构安装完成；
步骤17、再将第一磁压式低压电极6的最上层第一绝缘结构的第一绝缘支撑环11上，从而完成第一低压组件的安装；
步骤18、将高压输入端屏蔽球4和高压输出端屏蔽球5安装在磁压式高压电极3；
步骤18、将电容器外筒2分别与第一磁压式低压电极6和第一磁压式低压电极9连接；
步骤19、将峰化电容器整体放置于充有SF6腔体1中。
工作原理：将绝缘腔体内抽真空至0.01pa后充入高气压1.6Mpa SF6气体，高压通过高压屏蔽球给峰化电容充电至设定的电压，而后通过高压输出端屏蔽球与外接脉冲开关放电。
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 (7)

1.一种高压兆伏级同轴-平板混合型低电感脉冲电容器，其特征在于：包括绝缘腔体、电容器外筒、第一低压电极组件、高压电极组件以及第二低压电极组件；
绝缘腔体内设置电容器外筒，绝缘腔体内填充有1.6Mpa的SF6气体；
第一低压电极组件、高压电极组件以及第二低压电极组件沿径向方向依次同轴设置于电容器外筒内；
高压电极组件包括磁压式高压电极、高压输入端屏蔽球和高压输出端屏蔽球；
高压输入端屏蔽球和高压输出端屏蔽球均安装于磁压式高压电极外圆表面，且对称设置；
第一低压电极组件包括第一磁压式低压电极以及多个第一中间磁压式电极；
第二低压电极组件包括第二磁压式中间电极以及多个第二磁压式低压电极；
第一磁压式低压电极的上表面与电容器外筒的筒壁固连；
第一磁压式低压电极下表面和磁压式高压电极上表面之间设置有多个第一磁压式中间电极；
其中，最下层第一磁压式中间电极下表面与磁压式高压电极上表面之间、每相邻两个第一磁压式低压电极之间，以及最上层第一磁压式中间电极上表面和第一磁压式低压电极下表面之间均设置有第一绝缘结构；
所述第一绝缘结构包括第一绝缘薄膜层以及设置在第一绝缘薄膜层上、下表面的第一绝缘支撑环；
第二磁压式低压电极的下表面与电容器外筒的筒壁固连；
第二磁压式低压电极上表面和磁压式高压电极下表面之间设置有多个第二磁压式中间电极；
其中，最上层第二磁压式中间电极上表面与磁压式高压电极下表面之间、每相邻两个第二磁压式低压电极之间，以及最下层第二磁压式中间电极下表面和第二磁压式低压电极上表面之间均设置有第二绝缘结构；
所述第二绝缘结构包括第二绝缘薄膜层以及设置在第二绝缘薄膜层上、下表面的第二绝缘支撑环。
2.根据权利要求1所述的高压兆伏级同轴-平板混合型低电感脉冲电容器，其特征在于：所述磁压式高压电极、第一磁压式中间电极、第二磁压式中间电极、第一磁压式低压电极、第二磁压式低压电极均包括电极环以及嵌装于电极环内的永磁体；
磁压式高压电极内的永磁体与第一磁压式低压电极内的永磁体、第二磁压式低压电极内的永磁体磁极相反；
最上层第一磁压式中间电极内的永磁体与第一磁压式低压电极内的永磁体磁极相反；
每相邻两个第一磁压式中间电极内的永磁体磁极相反；
最下层第一磁压式中间电极内的永磁体与磁压式高压电极内的永磁体磁极相反；
最下层第二磁压式中间电极内的永磁体与第二磁压式低压电极内的永磁体磁极相反；
每相邻两个第二磁压式中间电极内的永磁体磁极相反；
最上层第二磁压式中间电极内的永磁体与磁压式高压电极内的永磁体磁极相反。
3.根据权利要求2所述的高压兆伏级同轴-平板混合型低电感脉冲电容器，其特征在于：所述第一绝缘支撑环和第二绝缘支撑环均选用聚碳酸脂材料，厚度0.8mm。
4.根据权利要求3所述的高压兆伏级同轴-平板混合型低电感脉冲电容器，其特征在于：所述绝缘薄膜层选用15微米双向拉伸表面粗化聚丙烯薄膜。
5.根据权利要求4所述的高压兆伏级同轴-平板混合型低电感脉冲电容器，其特征在于：所述电极环、电容器外筒、高压输入端屏蔽球和高压输出端屏蔽球均采用304不锈钢制作。
6.根据权利要求5所述的高压兆伏级同轴-平板混合型低电感脉冲电容器，其特征在于：所述第一磁压式低压电极和第二磁压式低压电极均采用螺钉连接的方式与电容器外筒固定。
7.根据权利要求6所述的高压兆伏级同轴-平板混合型低电感脉冲电容器，其特征在于：所述高压输入端屏蔽球和高压输出端屏蔽球均采用螺钉连接的方式固定于磁压式高压电极的外圆表面。
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