CN114334585B - 一种mv级脉冲高压绝缘堆栈及其安装方法 - Google Patents
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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
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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3MV感应电压叠加器的磁感应腔研制;丛培天;张国伟;吴撼宇;孙剑锋;李静雅;苏兆峰;杨海亮;孙凤举;邱爱慈;;强激光与粒子束(第02期);全文 * |
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