CN114420390B - 一种内嵌接地电感的高压真空绝缘子 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及脉冲功率技术领域，提供一种内嵌接地电感的高压真空绝缘子。高压真空绝缘子为同轴结构的双锥绝缘子，包括开关侧锥体和负载侧锥体；在开关侧锥体表面刻绕线槽，绕线槽沿锥体表面非均匀分布，具体采取两边密、中间疏的分布方式，接地电感以螺旋方式非均匀绕于绕线槽内部，用于消除主脉冲之前的预脉冲；根据电感值以及Tesla型脉冲源输出线内外径的尺寸，确定接地电感的总匝数N；根据电感总匝数N，确定绕线槽的具体分布和刻槽参数；接地电感两头与Tesla型脉冲源输出线单元可靠电连接；负载侧锥体用于绝缘和支撑的作用，并在表面刻槽以提升负载侧锥面的真空沿面闪络阈值。本发明实现了真空绝缘子和接地电感的“二合为一”，进而实现了驱动源的紧凑化。
Description
技术领域
本发明涉及脉冲功率技术领域，特别涉及一种内嵌接地电感的高可靠性长寿命高压真空绝缘子。
背景技术
高压真空绝缘子安装于脉冲功率装置中，用于隔离传输线单元的绝缘介质(变压器油、去离子水、SF6及N2等)，为负载提供真空环境；同时还起到绝缘和支撑输出线单元高、低压导体的作用。
高压真空绝缘子从外形上分同轴绝缘子和径向绝缘子，从结构上分单体绝缘子和堆栈型绝缘子。对于Tesla型脉冲源，其高压真空绝缘子为同轴单体结构。发明专利“一种带接地外屏蔽的高电压锥形绝缘结构”(授权号：201212246311.7)对这一类型绝缘子的设计和外形进行了详细说明。发明专利“一种高压脉冲输出装置”(授权号：2019105064394)提出了一种双锥型同轴单体绝缘结构，用于提高绝缘子的稳定性和同轴度。事实上，双锥型同轴型真空绝缘子在实际应用中会发生真空沿面闪络，该问题严重影响了此类型绝缘子的可靠性和寿命。
同时，在脉冲功率装置中的传输线单元还安装有接地电感，用于起到消除预脉冲的作用。但由于接地电感的存在，传输线线单元较长而且结构复杂，这影响了驱动源整体的紧凑性和小型化，见图1(a)。
发明内容
本发明的目的是提供一种内嵌接地电感的高压真空绝缘子，解决了Tesla型驱动源整体的紧凑性和小型化的技术问题，见图1(b)。同时本发明在高压真空绝缘子的真空表面刻槽，解决同轴型真空绝缘子实际应用中容易发生真空沿面闪络的技术问题。
为达到上述目的，解决上述技术问题，本发明的技术方案如下；
一种内嵌接地电感的高压真空绝缘子，高压真空绝缘子为同轴结构的双锥绝缘子1，包括开关侧锥体2和负载侧锥体3；
在开关侧锥体2表面刻绕线槽5，绕线槽5沿锥体表面非均匀分布，具体采取两边密、中间疏的分布方式，接地电感4以螺旋方式非均匀绕于绕线槽5内部，用于消除主脉冲之前的预脉冲；
接地电感4的电感值需满足以下两个原则：
第一，充电时，Tesla型脉冲源负载上的等效感抗尽可能的小，接地电感上分得电压要小于Tesla变压器充电电压的5％；
第二，放电时，Tesla型脉冲源负载上的等效感抗尽可能的大，等效感抗要求是负载阻抗的50～100倍；
根据电感值以及Tesla型脉冲源输出线内外径的尺寸，确定接低电感4总匝数N；根据电感总匝数N，确定绕线槽5的具体分布和刻槽参数；
接地电感4两头与Tesla型脉冲源输出线单元可靠电连接；
负载侧锥体3，起到绝缘和支撑的作用；在负载侧锥体3表面刻槽，用以提升负载侧锥面的真空沿面闪络阈值，刻槽方向垂直于槽面、以同心环方式均匀展开；刻槽宽度D根据绝缘子材料及纳秒真空沿面闪络机理而定。
进一步的，绕线槽5的刻槽步骤如下：
将总的线槽数等分为3份，前N/3的槽数分布于开关侧锥体2的小径段；后N/3的槽数布于开关侧锥体2的大径段；余下N/3的槽数分布于关侧锥体(2)的中间段；
中间段槽宽必须大于大径段和小径段的槽宽，比例系数k取1.2～1.5；同时，各个线槽的占空比为1:1，即档壁与槽宽相等；假设绝缘子开关侧锥面长度为L，则槽宽d可以计算如下：
根据该式，求出槽宽d的取值：
不同宽度线槽的深度均设计为d。
进一步的，绕线槽5在开关侧锥体2表面的分布如下：
第一：第1匝～第N/3匝刻于开关侧锥体2表面的小径段，刻槽参数为：宽度为d，深度为d，档壁为d；
第二：第(N/3+1)匝～第2N/3匝刻于开关侧锥体2的中间段，刻槽参数为：宽度为kd，深度为d，当壁为kd；
第三：第(2N/3+1)匝～第N匝刻于开关侧锥体2的大径段，刻槽参数为：宽度为d，深度为d，档壁为d。
进一步的，负载侧锥体3的刻槽宽度D槽和槽深H的设置条件如下：
二次电子产额δ小于1时，电子无法倍增、真空沿面闪络将无法形成，则电子入射能量Wi满足如下关系：
Wi＜W1i或Wi＞W2i (3)
其中W1i和W2i分别为二次电子产额第一和第二交叉点；
假设电场平行于绝缘子表面，则电子在绝缘锥体表面两次碰撞间获得的能量Wi可表示为Wi＝eED；
由此刻槽宽度D必须满足：
或/>
槽深H须大于等于槽宽D，线槽占空比1:1，刻槽时，从负载侧锥体斜面与竖直段的切点开始，截止于锥体斜面与水平表面的切点。
进一步的，接地电感4选择有绝缘包覆层的同轴电缆内芯，绝缘层的外径须小于等于绕线槽5的槽宽d。
相对于现有技术，本发明的有益效果是：
1、本发明实现了真空绝缘子和接地电感的“二合为一”，脉冲输出单元的长度大幅缩短，进而实现了驱动源的紧凑化；
2、本发明开关侧接地电感的非均匀绕制使得瞬态匝间电压分布更均匀、负载侧刻槽使得真空沿面闪络阈值显著提高，两方面均使得真空绝缘子的可靠度和寿命大幅提高。
下面结合附图和实施例对本发明作详细说明。
附图说明
图1(a)是现有技术中安装有接地电感和双锥型同轴真空绝缘子的输出线单元示意图；
图1(b)是本发明安装有内嵌接地电感的双锥型同轴真空绝缘子的输出线单元示意图；
图2是本发明内嵌接地电感的高可靠性长寿命高压真空绝缘子示意图；
图3是本发明实施例尼龙材料的二次电子发射系数随入射能量的变化曲线；
图4是本发明安装有内嵌接地电感双锥型同轴真空绝缘子的Tesla型脉冲源示意图。
图中，1-双锥绝缘子；2-开关侧锥体；3-接地电感；4-绕线槽；5-负载侧锥体；6-闪络抑制槽，7-脉冲形成线单元，8-主开关，9-脉冲输出单元，10-负载。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，对本发明进行详细的解释和说明。
为了提高的紧凑性，本发明提出了将接地电感绕制于双锥型真空绝缘子的开关侧锥体表面；同时还在真空侧锥体表面刻闪络抑制槽，以提高绝缘子的可靠性。
内嵌接地电感的高可靠性长寿命高压真空绝缘子，高压真空绝缘子为为同轴结构的双锥绝缘子1，包括开关侧锥体2和负载侧锥体3。对于开关侧锥体2，其表面刻绕线槽5，内部绕制接地电感4，用于消除主脉冲之前的预脉冲。接地电感4的电感值必须满足以下两个原则：第一，充电时，Tesla型脉冲源负载上的等效感抗尽可能的小(一般接地电感上分得电压要小于Tesla变压器充电电压的5％)；第二，放电时，Tesla型脉冲源负载上的等效感抗尽可能的大(一般等效感抗要求是负载阻抗的50～100倍)。按照上述原则设计的接地电感能够实现消除预脉冲的功能。根据电感值以及Tesla型脉冲源输出线内外径的尺寸，可以确定接低电感4的总匝数N。
接地电感4以螺旋方式非均匀绕于绕线槽5内部，由于波传输的缘故，从接地电感两端会激励两个电压波，并且他们会在接地中间位置相遇，导致接地电感中间段的耐受电压提高约1.5倍左右；相应地，为了匀化接地电感匝间电场，绕线槽5必须沿锥体表面非均匀分布，具体为“两边密、中间疏”。根据电感总匝数N，可以确定绕线槽5的具体分布和刻槽参数，步骤如下：将总线槽数等分为3份，前N/3的槽数分布于开关侧锥体2的小径段；后N/3的槽数布于开关侧锥体2的大径段；余下N/3的槽数分布于关侧锥体2的中间段。中间段槽宽必须大于大径段和小径段的槽宽，比例系数k取1.2～1.5。同时，各个线槽的占空比为1:1，即档壁与槽宽相等。假设绝缘子开关侧锥面长度为L，则槽宽d可以计算如下：
根据该式，可以求出槽宽d的取值：
不同宽度线槽的深度均设计为d。结合图2，绕线槽5在开关侧锥体2表面的分布如下：
第一：第1匝～第N/3匝刻于开关侧锥体2表面的小径段，刻槽参数为：宽度为d，深度为d，档壁为d；
第二：第(N/3+1)匝～第2N/3匝刻于开关侧锥体2的中间段，刻槽参数为：宽度为kd，深度为d，当壁为kd；
第三：第(2N/3+1)匝～第N匝刻于开关侧锥体2的大径段，刻槽参数为：宽度为d，深度为d，档壁为d。
接地电感可选为有绝缘包覆层的同轴电缆内芯，绝缘层的外径须小于等于槽宽d。接地电感两头与Tesla型脉冲源输出线单元可靠电连接。
负载侧锥体3，主要起到绝缘和支撑的作用。为了提升负载侧锥面的真空沿面闪络阈值，同样在锥体表面刻槽。刻槽方向垂直于槽面、以同心环方式均匀展开。刻槽宽度D根据绝缘子材料及纳秒真空沿面闪络机理而定。电子碰撞绝缘子表面会产生二次电子，二次电子产额δ与入射电子能量有关，具体参见图3。根据该图，当二次电子产额δ小于1时，电子无法倍增、真空沿面闪络将无法形成。根据图3，若δ<1，则电子入射能量Wi应该满足如下关系：
Wi＜W1i或Wi＞W2i (7)
其中W1i和W2i分别为二次电子产额第一和第二交叉点。假设电场平行于绝缘子表面，则电子在绝缘锥体表面两次碰撞间获得的能量Wi可表示为Wi＝eED。根据上式：刻槽宽度D必须满足：
或/>
对于尼龙材料而言，Wi1＝0.05keV和Wi1＝1.2keV，同时根据仿真得出绝缘子表面电场在5～8kV/mm。以6kV/mm为例，可以计算出槽宽D<8.3μm或D>0.2mm。考虑到实际加工，通常选D>0.2mm这个标准。刻槽使得绝缘子发生真空沿面闪络的可能性大大降低，这意味着闪络阈值的大幅提高。不同研究者表面，刻槽会带来1.5～3倍的闪络阈值提高系数。值得一提的是，不同绝缘材料的二次电子产额曲线不同，对应的第二个刻槽宽度标准也不同，具体需要查阅资料并结合绝缘子表面的电场而定。槽深H须大于等于槽宽D，线槽占空比1:1，即档壁宽度与槽宽相等D。刻槽时，从负载侧锥体斜面与竖直段的切点开始，截止于锥体斜面与水平表面的切点。
实施例1
如图4所示，内嵌接地电感的双锥型同轴真空绝缘子安装于某Tesla型脉冲源的脉冲输出单元，脉冲输出单元为同轴结构，同轴线外导体内径400mm，内导体外径160mm，两个锥体均45°设计，接地电感总匝数N为30，采用尼龙材料加工。
对于开关侧锥体，锥面长度L＝(400-160)×sin45°＝170mm。刻槽时，疏槽与密槽槽宽之比k取1.5，则根据公式(6)，可以计算出密槽的槽宽d＝2.4mm，所以疏槽的槽宽为3.6mm，槽深为2.4mm。进一步，开关侧锥体表面刻槽尺寸如下：
第一：从开关侧锥体表面的小径端开始刻第1匝～第10匝，刻槽参数为：宽度为2.4mm，深度为2.4mm，档壁为2.4mm，刻槽长度为48mm；
第二：在开关侧锥体的中间段刻第11匝～第20匝，刻槽参数为：宽度为3.6mm，深度为2.4mm，当壁为3.6mm，刻槽总长为72mm；
第三：在开关侧锥体的大径段，刻第21匝～第30匝，刻槽参数为：宽度为2.4mm，深度为2.4mm，档壁为2.4mm，刻槽长度为48mm。
所以刻槽总长度为48+72+48＝168mm，该值小于开关侧锥体表面总长度170mm，所以能够实现30匝的刻槽要求。接地电感选用带绝缘层的FFEP-4电缆内芯，绝缘层外径2.0mm，内芯0.7mm。
对于负载侧锥体，根据仿真得出绝缘子表面电场为6kV/mm，又由于绝缘子材料为尼龙，所以对应的第二刻槽标准D>0.2mm，实际选择槽宽D＝0.75mm，槽深H＝1.6D＝1.2mm，档壁与槽宽相等，同样为0.75mm。负载侧锥体斜面的两个切点之间的长度为120mm，所以负载侧锥体斜面刻槽总数为120÷(0.75+0.75)＝80匝。结合以上参数并采用同心圆方式均匀在负载侧表面刻槽。
应用上述内嵌接地电感的双锥型同轴真空绝缘子，可以将某Tesla型脉冲源的脉冲输出单元长度从1.5m缩短到0.7m，同时将绝缘子的寿命从3万提高到30万，进而实现了真空绝缘子的高可靠性长寿命工作。
Claims (5)
1.一种内嵌接地电感的高压真空绝缘子，其特征在于，所述高压真空绝缘子为同轴结构的双锥绝缘子(1)，包括开关侧锥体(2)和负载侧锥体(3)；
所述开关侧锥体(2)，其表面刻绕线槽(5)，绕线槽(5)沿锥体表面非均匀分布，具体采取两边密、中间疏的分布方式，接地电感(4)以螺旋方式非均匀绕于绕线槽(5)内部，用于消除主脉冲之前的预脉冲；
所述接地电感(4)的电感值需满足以下两个原则：
第一，充电时，Tesla型脉冲源负载上的等效感抗尽可能的小，接地电感上分得电压要小于Tesla变压器充电电压的5％；
第二，放电时，Tesla型脉冲源负载上的等效感抗尽可能的大，等效感抗要求是负载阻抗的50～100倍；
根据电感值以及Tesla型脉冲源输出线内外径的尺寸，确定接低电感(4)的总匝数N；根据电感总匝数N，确定绕线槽(5)的具体分布和刻槽参数；
所述接地电感(4)两头与Tesla型脉冲源输出线单元可靠电连接；
所述负载侧锥体3，起到绝缘和支撑的作用；在负载侧锥体3表面刻槽，用以提升负载侧锥面的真空沿面闪络阈值，刻槽方向垂直于槽面、以同心环方式均匀展开；刻槽宽度D根据绝缘子材料及纳秒真空沿面闪络机理而定。
2.根据权利要求1所述的一种内嵌接地电感的高压真空绝缘子，其特征在于，所述绕线槽(5)的刻槽步骤如下：
将总的线槽数等分为3份，前N/3的槽数分布于开关侧锥体(2)的小径段；后N/3的槽数布于开关侧锥体(2)的大径段；余下N/3的槽数分布于关侧锥体(2)的中间段；
中间段槽宽必须大于大径段和小径段的槽宽，比例系数k取1.2～1.5；同时，各个线槽的占空比为1:1，即档壁与槽宽相等；假设绝缘子开关侧锥面长度为L，则槽宽d可以计算如下：
根据该式，求出槽宽d的取值：
不同宽度线槽的深度均设计为d。
3.根据权利要求2所述的一种内嵌接地电感的高压真空绝缘子，其特征在于，所述绕线槽(5)在开关侧锥体(2)表面的分布如下：
第一：第1匝～第N/3匝刻于开关侧锥体(2)表面的小径段，刻槽参数为：宽度为d，深度为d，档壁为d；
第二：第(N/3+1)匝～第2N/3匝刻于开关侧锥体(2)的中间段，刻槽参数为：宽度为kd，深度为d，当壁为kd；
第三：第(2N/3+1)匝～第N匝刻于开关侧锥体(2)的大径段，刻槽参数为：宽度为d，深度为d，档壁为d。
4.根据权利要求1所述的一种内嵌接地电感的高压真空绝缘子，其特征在于，所述负载侧锥体(3)的刻槽宽度D槽和槽深H的设置条件如下：
二次电子产额δ小于1时，电子无法倍增、真空沿面闪络将无法形成，则电子入射能量Wi满足如下关系：
Wi＜W1i 或 Wi＞W2i (3)
其中W1i和W2i分别为二次电子产额第一和第二交叉点；
假设电场平行于绝缘子表面，则电子在绝缘锥体表面两次碰撞间获得的能量Wi可表示为Wi＝eED；
由此刻槽宽度D必须满足：
槽深H须大于等于槽宽D，线槽占空比1:1，刻槽时，从负载侧锥体斜面与竖直段的切点开始，截止于锥体斜面与水平表面的切点。
5.根据权利要求1-4任一所述的一种内嵌接地电感的高压真空绝缘子，其特征在于，接地电感(4)选择有绝缘包覆层的同轴电缆内芯，绝缘层的外径须小于等于绕线槽(5)的槽宽d。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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