CN114334585A - 一种mv级脉冲高压绝缘堆栈及其安装方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种MV级脉冲高压绝缘堆栈及其安装方法，主要解决现有真空绝缘堆栈尺寸庞大等问题。该MV级脉冲高压绝缘堆栈包括阴极体、阳极体、绝缘环和均压环；绝缘环与均压环沿轴向间隔交替排布形成绝缘堆栈本体；绝缘环的内表面设置为45度圆锥面；均压环的内表面设置有圆弧状凸起；阳极体和阳极体分别设置在绝缘堆栈本体的两侧，与绝缘堆栈本体形成真空腔体；各绝缘环圆锥面的小端均朝向阳极体设置，大端均朝向阴极体设置，且均压环的圆弧状凸起朝向绝缘环圆锥面的大端；且阴极体和阳极体的内侧设置有环形凸起，阳极体和阴极体的端面上均设置有接口，且阴极体为高压端，连接负高压脉冲源，阳极体为低压端，接地。

Description

一种MV级脉冲高压绝缘堆栈及其安装方法

技术领域

本发明属于脉冲功率技术领域，具体涉及一种用于强脉冲辐射模拟装置的MV级脉冲高压绝缘堆栈及其安装方法。

背景技术

真空绝缘堆栈是脉冲功率装置的重要组成部分，用于实现装置高压耦合、传输线液体介质与负载真空区域的物理隔离。绝缘堆栈的耐压水平决定着负载二极管的输出效率。为了提高其真空沿面耐压水平，绝缘堆栈设计时，应使阴极三结合点电场控制在30kV/cm以下，并尽可能使电场沿绝缘堆栈表面均匀分布，减少电子对绝缘材料表面的轰击。

现有真空绝缘堆栈为保证绝缘安全，尺寸普遍较大。例如，美国PBFA Z(I.D.Smith等发表在1997年第11届国际脉冲功率会议168页，Design Criteria For Z VacuumInsulator Stack)，中国工程物理研究院PTS装置绝缘堆栈(王勐等发表在《强激光与粒子束》2010年第22卷第4期777页)，绝缘环直径均超过两米，且通过阴、阳极结构对堆栈绝缘环45°沿面场强调节作用不明显。文献报道(Johnson等发表在1987年第6届国际脉冲功率会议432页，Hermes-III Prototype Cavity Tests)Hermes-III感应腔真空绝缘堆栈并未对绝缘环阴极三结合区域进行有效屏蔽。然而，当前随着脉冲功率装置向高电压、紧凑型结构方向发展，对绝缘堆栈的真空沿面绝缘性能、整体尺寸提出了新的要求。

发明内容

为解决现有真空绝缘堆栈尺寸庞大等问题，本发明提供一种MV级脉冲高压绝缘堆栈及其安装方法。

为达到上述目的，本发明的技术方案是：

一种MV级脉冲高压绝缘堆栈，包括阴极体、阳极体、M个绝缘环和M-1个均压环，M为≥7且≤12的整数；所述绝缘环与均压环沿轴向间隔交替排布形成绝缘堆栈本体；所述绝缘环通过绝缘材料制成，其内表面设置为45度圆锥面；所述均压环通过硬质氧化处理，其内表面设置有用于降低绝缘环45度阴极三结合点区域场强的圆弧状凸起，且均压环的厚度小于绝缘环的厚度；所述阴极体和阳极体分别设置在绝缘堆栈本体的两侧，与绝缘堆栈本体形成真空腔体；各绝缘环圆锥面的小端均朝向阳极体设置，大端均朝向阴极体设置，且各均压环的圆弧状凸起朝向绝缘环圆锥面的大端；所述阴极体和阳极体采用金属导电材料制作，且阴极体和阳极体的内侧设置有朝向真空腔体的环形凸起，使得绝缘堆栈的两侧电场强度转移至绝缘堆栈中间区域，所述阴极体和阳极体的端面上均设置有接口，且阴极体为高压端，连接负高压脉冲源，阳极体为低压端，接地。

进一步地，所述阴极体、阳极体上分别设置连接孔，绝缘拉杆穿过阴极体、阳极体上的连接孔，将阳极体、绝缘环、均压环、阴极体轴向固定，形成液体介质与负载真空区域的物理隔离。

进一步地，所述均压环通过五系及以上铝合金材料制成。

进一步地，所述均压环两侧的端面上设置有密封槽，所述密封槽内设置有密封圈，用于对堆栈内部的真空环境实现密封。

进一步地，所述阴极体、阳极体与绝缘环接触的内侧面设置有密封槽，所述密封槽内设置有密封圈，用于对堆栈内部的真空环境实现密封。

进一步地，所述绝缘环的数量为8个，所述均压环的数量为7个。

进一步地，所述绝缘环的厚度为均压厚度3～6倍。

进一步地，所述绝缘环的厚度约为均压环厚度的4倍。

同时，本发明还提供一种MV级脉冲高压绝缘堆栈的安装方法，包括以下步骤：

步骤一、将阳极体平躺放置依次安装绝缘拉杆和密封圈；

步骤二、将绝缘环放置在装有密封圈的阳极体上，且其圆锥面的小端靠近阳极体安装；

步骤三、将装有密封圈的均压环放置在绝缘环上方，且均压环内侧具有圆弧状凸起一侧与绝缘环圆锥面的大端靠近；

步骤四、再次安装绝缘环，将绝缘环放置在均压环上方；

步骤五、重复步骤三和步骤四，直至装好M-1个均压环和M个绝缘环；

步骤六、阴极体上安装密封圈，并放置在已装好的M-1个均压环和M个绝缘环上方；

步骤七、安装绝缘拉杆螺帽，形成绝缘堆栈；

步骤八、利用真空捡漏仪检测绝缘堆栈的密封性。

和现有技术相比，本发明技术方案具有如下优点：

1.本发明MV级脉冲高压绝缘堆栈结构紧凑，多个绝缘环45°沿面电压分配均匀，大幅缩小了绝缘堆栈体积，提升了脉冲功率装置工作的可靠性和稳定性。

2.本发明MV级脉冲高压绝缘堆栈的均压环内侧设有圆弧状凸起，有效降低了绝缘环45度阴极三结合点区域场强。

3.本发明MV级脉冲高压绝缘堆栈的均压环经过阳极硬质氧化处理，使得表面电子发射阈值得到显著提升，大大降低了三结合区域的电子发射概率。

4.本发明提供了一种尺寸紧凑(绝缘堆栈直径约1.9米)、绝缘环45度沿面电场强度分配均匀的绝缘堆栈结构。该结构可承受电压达到MV级，当馈入电压为1MV时，阴极三结合点处场强低至～10kV/cm，8个绝缘环45度沿面平均场强低至～60kV/cm。

附图说明

图1本发明MV级脉冲高压绝缘堆栈的结构示意图；

图2本发明MV级脉冲高压绝缘堆栈局部放大图。

附图标记：1-绝缘环，2-均压环，3-阴极体，4-阳极体，5-绝缘拉杆，6-真空腔体，11-圆锥面，21-圆弧状凸起。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。本领域技术人员应当理解的是，这些实施方式仅仅用来解释本发明的技术原理，目的并不是用来限制本发明的保护范围。

本发明公开了一种MV级脉冲高压绝缘堆栈，该结构具体由M个绝缘环、M-1个均压环、阴极体、阳极体以及若干绝缘拉杆组成。该结构通过绝缘堆栈内侧的阴极体、阳极体“凹陷”将电场“推向”绝缘堆栈中部，实现了绝缘堆栈阴、阳极两侧绝缘环45度沿面电场强度明显降低，使绝缘环45度沿面场强更加均匀。均压环内侧的弧面设计，有效降低了绝缘环45度阴极三结合点区域(真空、电极、绝缘环)的场强。经过阳极硬质氧化处理的均压环，表面电子发射阈值得到显著提升，大大降低了三结合区域的电子发射概率。

本发明设计的原理为，整体上通过阴、阳极结构的调整，将绝缘堆栈上的电压均匀化；细节上利用均压环内侧设计屏蔽结构，降低阴极三结合点区域的场强，有效降低了绝缘环45度沿面的电子发射概率。

如图1和图2所示，本发明提供的MV级脉冲高压绝缘堆栈包括阴极体3、阳极体4、绝缘拉杆5、M个绝缘环1和M-1个均压环2，M为≥7且≤12的整数；绝缘环1与均压环2沿轴向间隔交替排布形成绝缘堆栈本体；绝缘环1通过绝缘材料制成，其内表面设置为45度圆锥面11；均压环2表面通过硬质氧化处理(阳极化处理)，其内表面设置有用于降低绝缘环45度阴极三结合点区域场强的圆弧状凸起21，且均压环2的厚度小于绝缘环1的厚度；阴极体3和阳极体4分别设置在绝缘堆栈本体的两侧，与绝缘堆栈本体形成真空腔体6；各绝缘环1圆锥面11的小端均朝向阳极体4设置，大端均朝向阴极体3设置，且均压环2的圆弧状凸起21朝向绝缘环1圆锥面11的大端；阴极体3和阳极体4采用金属导电材料制作，阴极体3和阳极体4的内侧边缘设置有朝向真空腔体6的环形凸起，或者阴极体3和阳极体4的内侧中心设置有向内凹陷的结构，使得绝缘堆栈的两侧电场强度转移至绝缘堆栈中间区域，阴极体3和阳极体4的端面上均设置有接口，且阴极体3为高压端，连接负高压脉冲源，阳极体4为低压端，接地。

本发明绝缘拉杆5的数量为多个，阴极体3、阳极体4上分别设置连接孔，多个绝缘拉杆5周向均布，穿过阴极体3、阳极体4上的连接孔，将阳极体4、绝缘环1、均压环2、阴极体3轴向固定，形成液体介质与负载真空区域的物理隔离。

本发明均压环2通过五系及以上铝合金材料制成，该种材料重量较轻，且强度较好，满足脉冲功率装置的使用要求。为使得绝缘堆栈的密封性更加可靠，本发明均压环2两侧的端面上设置有密封槽，密封槽内设置有密封圈，用于对堆栈内部的真空环境实现密封。阴极体3、阳极体4与绝缘环1接触的内侧面设置有密封槽，密封槽内设置有密封圈，用于对堆栈内部的真空环境实现密封，保证绝缘堆栈内部的真空环境。

本发明绝缘环1的厚度为均压厚度的3～6倍，优选的，绝缘环1的厚度约为均压厚度的4倍。

本发明还提供一种MV级脉冲高压绝缘堆的安装方法，其具体包括以下步骤：

步骤一、将阳极体4平躺放置并依次安装绝缘拉杆5和密封圈；

步骤二、将加工好的绝缘环1放置在装有密封圈的阳极体4上，45度角一侧在上面；

步骤三、安装装有密封圈的均压环2，均压环2内侧具有弧形屏蔽结构一侧与绝缘环45度角贴合；

步骤四、安装绝缘环1；

步骤五、重复步骤三、四，直至装好M-1个均压环2和M个绝缘环1；

步骤六、阴极体3上安装密封圈，并放置在已装好的M个绝缘环1和M-1个均压环2；

步骤七、安装绝缘拉杆5螺帽，形成绝缘堆栈结构；

步骤八、利用真空捡漏仪检测绝缘堆栈密封性，安装好的绝缘堆栈用于脉冲功率装置。

根据脉冲功率装置实际工作情况，单个绝缘堆栈需承受电压达到MV量级，本发明绝缘堆栈由8个绝缘环1和7个均压环2相间组合装配，如图1所示，该绝缘堆栈结构简单、紧凑，可靠性高，对提高脉冲功率装置电压传输效率具有重要意义。

Claims (9)

1.一种MV级脉冲高压绝缘堆栈，其特征在于：包括阴极体(3)、阳极体(4)、M个绝缘环(1)和M-1个均压环(2)，M为≥7且≤12的整数；

所述绝缘环(1)与均压环(2)沿轴向间隔交替排布形成绝缘堆栈本体；

所述绝缘环(1)通过绝缘材料制成，其内表面设置为45度的圆锥面(11)；

所述均压环(2)通过硬质氧化处理，其内表面设置有用于降低绝缘环(1)45度阴极三结合点区域场强的圆弧状凸起(21)，且均压环(2)的厚度小于绝缘环(1)的厚度；

所述阴极体(3)和阳极体(4)分别设置在绝缘堆栈本体的两侧，与绝缘堆栈本体形成真空腔体(6)；各绝缘环圆锥面(11)的小端均朝向阳极体(4)设置，大端均朝向阴极体(3)设置，各均压环(2)的圆弧状凸起(21)均朝向绝缘环圆锥面(11)的大端设置；

所述阴极体(3)和阳极体(4)采用金属导电材料制作，且阴极体(3)和阳极体(4)的内侧设置有朝向真空腔体(6)的环形凸起，使得绝缘堆栈两侧电场强度转移至绝缘堆栈中间区域，所述阴极体(3)和阳极体(4)的端面上均设置有接口，且阴极体(3)为高压端，连接负高压脉冲源，阳极体(4)为低压端，接地。

2.根据权利要求1所述的MV级脉冲高压绝缘堆栈，其特征在于：所述阴极体(3)、阳极体(4)上分别设置连接孔，绝缘拉杆(5)穿过阴极体(3)、阳极体(4)上的连接孔，将阳极体(4)、绝缘环(1)、均压环(2)、阴极体(3)轴向固定，形成液体介质与负载真空区域的物理隔离。

3.根据权利要求1所述的MV级脉冲高压绝缘堆栈，其特征在于：所述均压环(2)通过五系及以上铝合金材料制成。

4.根据权利要求1或2或3所述的MV级脉冲高压绝缘堆栈，其特征在于：所述均压环(2)两侧的端面上设置有密封槽，所述密封槽内设置有密封圈，用于对堆栈内部的真空环境实现密封。

5.根据权利要求4所述的MV级脉冲高压绝缘堆栈，其特征在于：所述阴极体(3)、阳极体(4)与绝缘环(1)接触的内侧面设置有密封槽，所述密封槽内设置有密封圈，用于对堆栈内部的真空环境实现密封。

6.根据权利要求5所述的MV级脉冲高压绝缘堆栈，其特征在于：所述绝缘环(1)的数量为8个，所述均压环(2)的数量为7个。

7.根据权利要求6所述的MV级脉冲高压绝缘堆栈，其特征在于：所述绝缘环(1)的厚度为均压环(2)厚度的3～6倍。

8.根据权利要求7所述的MV级脉冲高压绝缘堆栈，其特征在于：所述绝缘环(1)的厚度为均压环(2)厚度的4倍。

9.一种MV级脉冲高压绝缘堆栈的安装方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一、将阳极体(4)平躺放置，随后依次安装绝缘拉杆(5)和密封圈；

步骤二、将绝缘环(1)放置在装有密封圈的阳极体(4)上，且其圆锥面(11)的小端靠近阳极体(4)安装；

步骤三、将装有密封圈的均压环(2)放置在绝缘环(1)上方，且均压环(2)内侧具有圆弧状凸起(21)一侧与绝缘环圆锥面(11)的大端靠近；

步骤四、再次安装绝缘环(1)，将绝缘环(1)放置在均压环(2)上方；

步骤五、重复步骤三和步骤四，直至装好M-1个均压环(2)和M个绝缘环(1)；

步骤六、阴极体(3)上安装密封圈，并放置在已装好的M-1个均压环(2)和M个绝缘环(1)上方；

步骤七、安装绝缘拉杆(5)螺帽，形成绝缘堆栈；

步骤八、利用真空捡漏仪检测绝缘堆栈的密封性。

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