CN115863125A - 一种一体化高压真空绝缘堆栈 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种一体化高压真空绝缘堆栈，用以解决现有层叠型高压真空绝缘堆栈存在的结构复杂、密封环节多、装配难度大的技术问题。本发明提供的一种一体化高压真空绝缘堆栈，包括同轴设置的一体化绝缘筒、多个金属均压环以及两个环形的支撑电极；一体化绝缘筒为中空柱状结构；两个支撑电极分别密封连接于一体化绝缘筒的两端；多个金属均压环沿轴向依次设置在一体化绝缘筒外壁上；所述金属均压环外侧壁悬浮在一体化绝缘筒外侧，其内侧壁嵌入一体化绝缘筒内。

Description

一种一体化高压真空绝缘堆栈

技术领域

本发明涉及绝缘堆栈，尤其涉及一种一体化高压真空绝缘堆栈。

背景技术

大型Z箍缩装置能够在实验室产生高温(数百eV)、高压(数TPa)、强辐射(数MJ能量X射线)、高能量密度(～10¹¹J/m³)等极端物理环境，在Z箍缩惯性约束聚变、极端条件材料科学、强辐射物理及应用、实验室天体物理等领域中有重大应用。

高压真空绝缘堆栈是大型Z箍缩装置的重要部件，主要起机械支撑、不同类型绝缘介质之间物理隔离的重要作用。大型Z箍缩装置对高压真空绝缘堆栈的要求是：大尺寸(直径2～5m)、高耐压(数MV)、高工作场强(80～200kV/cm)、低电感(数nH)，此外还应具备良好的力学强度和结构稳定性、抗X射线辐照等。高压真空绝缘堆栈通常是整个Z箍缩装置绝缘最薄弱的环节之一。通常高压真空绝缘堆栈的内侧介质为真空，外侧介质为液体绝缘介质，如去离子水、变压器油、甘油等。目前，脉冲功率装置通常采用多层绝缘环和均压环交叉层叠型绝缘堆栈，其结构如图1图2所示，包括同轴设置的两个支撑电极01、多个绝缘环02以及多个金属均压环03；每两个绝缘环02之间设置有一个金属均压环03，使绝缘环02和金属均压环03依次交叉层叠设置；金属均压环03的两侧分别延伸出绝缘环02的内外两个侧壁，使金属均压环03的内侧部分浸没在真空中，其外侧部分浸没在液体绝缘介质中。两个支撑电极01位于依次交叉层叠的绝缘环02和金属均压环03的上下两个端面。为了实现两种绝缘介质之间的物理隔离，除了两端的支撑电极01和相应的绝缘环02之间需要密封连接外，每个绝缘环02和金属均压环03的接触表面均需要密封连接，图2中的密封连接采用O型密封圈04，所使用O型密封圈04的数量是绝缘环02数量的2倍。

目前，国际上最大尺寸的高压真空绝缘堆栈是美国Sandia国家实验室ZR装置绝缘堆栈，其外径约3.4m，高度约2.0m，分为A、B、C、D四层，其中A、B两层由6片厚度5.72cm绝缘环和5片厚度0.8cm金属均压环层叠组成，C、D两层由7片绝缘环和6片金属均压环组成。为了实现绝缘堆栈外侧去离子水和内侧真空的物理隔离，整个绝缘堆栈包含52个直径约3.3m的O型密封圈。随着Z箍缩装置电流和功率等级增大，真空绝缘堆栈的工作电压、外径、高度、层数随之增大，例如美国提出了一种Z箍缩聚变能源点火装置Z-300，其绝缘堆栈工作电压大于7.7MV，直径约4.8m，高度大于5.2m，共通过6层组成，包含48片厚度5.72cm的高压绝缘环和44片厚度约0.95cm金属均压环，直径约4.7m的O型密封圈数量将达到96个。由此可见，随着Z箍缩装置电流和功率等级增大，高压真空绝缘堆栈面临了更多的问题，其结构复杂、密封环节多、装配难度大，已经成为制约下一代百太瓦级Z箍缩装置的瓶颈问题。

发明内容

本发明的目的在于解决现有层叠型高压真空绝缘堆栈存在的结构复杂、密封环节多、装配难度大的技术问题，而提供一种一体化高压真空绝缘堆栈。

为了实现上述目的，本发明的技术解决方案为：

一种一体化高压真空绝缘堆栈，其特征在于：包括同轴设置的一体化绝缘筒、多个金属均压环以及两个环形的支撑电极；

所述一体化绝缘筒为中空柱状结构；

所述两个支撑电极，即地电极和正高压电极分别密封连接于一体化绝缘筒的两端；

多个金属均压环沿轴向依次设置在一体化绝缘筒外壁上；所述金属均压环外侧壁悬浮在一体化绝缘筒外侧，使金属均压环3的一部分浸没在外部的液体绝缘介质中，其内侧壁嵌入一体化绝缘筒的内，未径向贯通一体化绝缘筒，使金属均压环并未浸没在真空中，避免了真空环境中强场作用下金属均压环表面电子发射问题；

进一步地，还包括两个O型密封圈；

所述两个支撑电极分别通过O型密封圈密封连接于一体化绝缘筒的两端。

进一步地，所述一体化绝缘筒内壁表面呈伞裙结构设置，用于增大真空侧沿面闪络距离，降低沿面平均电场；

进一步地，所述伞裙结构设置为45度。

进一步地，所述一体化绝缘筒内壁表面开设有宽度和深度为数十微米级的微槽，可以降低一体化绝缘筒内壁表面的二次电子发射系数。

进一步地，所述微槽通过激光刻蚀形成。

进一步地，所述金属均压环为圆周一体式结构，或者是由多个依次相连的片状结构圆周拼装的分体式结构。

本发明相比于现有技术的有益效果为：

1、本发明提供的一种一体化高压真空绝缘堆栈，创新性地将绝缘环设计为一体化绝缘筒，金属均压环的内侧壁镶嵌于一体化绝缘筒内，未径向贯通一体化绝缘筒壁，相比于现有的层叠型高压真空绝缘堆栈，结构简单，省去了层叠型高压真空绝缘堆栈多个绝缘环和金属均压环之间的真空密封环节，避免了密封故障和绝缘环、金属均压环交界面的微气隙击穿放电。

2、本发明提供的一种一体化高压真空绝缘堆栈，金属均压环的内侧壁镶嵌于一体化绝缘筒内，未径向贯通一体化绝缘筒壁，因此金属均压环并未浸没在真空中，相比于现有的层叠型高压真空绝缘堆栈，避免了真空环境强场作用下金属均压环表面的电子发射问题。

3、本发明创新性地提出了一体化高压真空绝缘堆栈，简化了高压真空绝缘堆栈的安装流程，提高了绝缘堆栈的运行维护效率和绝缘可靠性，在脉冲功率装置中具有重大应用前景。

4、本发明提供的一种一体化高压真空绝缘堆栈，一体化绝缘筒的内壁表面呈45°伞裙结构设置，增大了真空侧沿面绝缘距离，可以降低真空侧沿面的电场强度。

5、本发明提供的一种一体化高压真空绝缘堆栈，一体化绝缘筒内表面开设有宽度和深度为数十微米级的微槽，可以降低一体化绝缘筒内壁表面二次电子发射系数。

附图说明

图1为现有层叠型高压真空绝缘堆栈实施例的轴向剖视图；

图2为图1中A的局部放大图；

图3为本发明一体化高压真空绝缘堆栈实施例的轴向剖视图；

图4为图3中B的局部放大图；

图5为本发明一体化高压真空绝缘堆栈真空侧电场分布图；

图6为现有层叠型高压真空绝缘堆栈真空侧电场分布图；

图7为本发明一体化高压真空绝缘堆栈真空侧电场分布曲线图；

图8为现有层叠型高压真空绝缘堆栈真空侧电场分布曲线图。

现有层叠型真空绝缘堆栈具体附图标记如下：

01-支撑电极；02-绝缘环；03-金属均压环；04-O型密封圈；

本发明一体化高压真空绝缘堆栈具体附图标记如下：

1-支撑电极；2-一体化绝缘筒；3-金属均压环；4-O型密封圈。

具体实施方式

为使本发明的优点和特征更加清楚，以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。

一种一体化高压真空绝缘堆栈，如图3图4所示，包括同轴设置的一体化绝缘筒2、多个金属均压环3、两个环形的支撑电极1以及两个O型密封圈4。其中，一体化绝缘筒2为中空柱状，两个支撑电极1分别通过O型密封圈4密封连接于一体化绝缘筒2的上下两个端面，在本实施例中位于一体化绝缘筒2下端面的电极为正高压电极，位于一体化绝缘筒2上端面的电极为地电极。金属均压环3的数量根据实际需求来确定，本实施例中金属均压环3的数量为4个；4个金属均压环3由上至下按照一定间距依次周向设置在一体化绝缘筒2外壁上，由于高压真空绝缘堆栈在实际使用环境中需要和其他电极相连，会导致沿面电场分布不均匀，所以可以通过调整4个金属均压环3两两之间的间距，来调控一体化绝缘筒2内侧和外侧沿面电场分布，即真空侧和液体绝缘介质侧的沿面电场分布。另一方面，金属均压环3外侧壁悬浮于一体化绝缘筒2外侧，使金属均压环3的一部分浸没在外部的液体绝缘介质中，金属均压环3内侧壁镶嵌于一体化绝缘筒2内，未径向贯通一体化绝缘筒2，因此金属均压环3并未浸没在真空中，相比于现有的层叠型高压真空绝缘堆栈，本发明避免了真空环境中强场作用下金属均压环3表面电子发射问题。

本发明创新性地将多个绝缘环设计为一体化绝缘筒2，简化了现有层叠型高压真空绝缘堆栈的结构及安装流程；同时，由于金属均压环3未径向贯通一体化绝缘筒2，相比于现有的层叠型高压真空绝缘堆栈，本发明仅需要将一体化绝缘筒2的两端与两个支撑电极1之间进行密封，就可以实现一体化绝缘筒2内侧真空和外侧液体绝缘介质两种工作介质的物理隔离，省去了层叠型高压真空绝缘堆栈多个绝缘环02和金属均压环03之间的多个真空密封环节，因此，本发明中O型密封圈4的数量仅需要两个，避免了密封故障、以及绝缘环02和金属均压环03交界面的微气隙击穿放电等对真空沿面闪络的影响。另一方面，由于金属均压环3和一体化绝缘筒2之间不需要密封，因此金属均压环3可以设置为圆周一体式结构，也可以为分体式结构，通过多个依次相连的片状结构拼装为一个金属均压环3。

为了增大真空侧沿面闪络距离，降低沿面平均电场，本发明的一体化绝缘筒2内表面呈伞裙结构设置，本实施例中优选45度伞裙结构，其他实施例中也可以选择其他角度的伞裙结构。同时，为了降低一体化绝缘筒2表面二次电子发射系数，一体化绝缘筒2内表面通过激光刻蚀工艺开设有宽度和深度为数十微米级的微槽。

为了更好的理解本发明一体化高压真空绝缘堆栈相比于现有层叠型高压真空绝缘堆栈的优势，通过以下对比进一步说明。

将两个高压真空绝缘堆栈均放置于具体使用环境中，本发明的一体化高压真空绝缘堆栈的直径设置为2.0m，高度182mm，耐受电压为1.2MV。一体化绝缘筒2上端的支撑电极1为地电极，其下端的支撑电极1为正高压电极，金属均压环3设置为4片，每片金属均压环3的厚度为8mm，端部倒R5圆角，相邻两个金属均压环3之间间距为30mm。为了便于对比，现有的层叠型高压真空绝缘堆栈的尺寸和使用环境与本发明一体化高压真空绝缘堆栈的尺寸和使用环境一致；现有的层叠型高压真空绝缘堆栈设置有5片绝缘环02，4片金属均压环03；5片绝缘环02和4片金属均压环03交替层叠设置，其中每片绝缘环02的厚度为30mm，每个金属均压环03的厚度为8mm。

对以上两种结构的高压真空绝缘堆栈两端分别施加1.2MV电压，采用电磁场仿真软件获得两种结构的高压真空绝缘堆栈电场分布图，图5为本发明一体化高压真空绝缘堆栈真空侧的电场分布图，图6为现有层叠型高压真空绝缘堆栈真空侧的电场分布图。通过图5可以看出，一体化高压真空绝缘堆栈仅在一体化绝缘筒2与地电极及内侧真空介质的交汇处有一个阴极三结合点，且阴极三结合点电场强度降低至5.9kV/cm；金属均压环3表面的最大场强171.346kV/cm，出现在由上至下的第二个金属均压环3与外侧液体绝缘介质交汇的地方。通过图6可以看出，层叠型高压真空绝缘堆栈共有5个阴极三结合点，5个阴极三结合点分别出现在由上至下第一片绝缘环02与地电极及内侧真空介质的交汇处，以及第二至第四片绝缘环02上端面与其相应的金属均压环03及内侧真空介质的交汇处，其电场强度由上至下分别为9.6、17.5、18.6、19.1和20.5kV/cm；金属均压环03表面最大场强达到了191.096kV/cm，出现在由上至下的第三个金属均压环03和内侧真空介质的交汇处。由于本发明的金属均压环3在外侧液体绝缘介质中的电子发射阈值远高于层叠型高压真空绝缘堆栈金属均压环03在真空侧的电子发射阈值，因此层叠型高压真空绝缘堆栈发生绝缘击穿的风险高于本发明的一体化高压真空绝缘堆栈。

本发明一体化高压真空绝缘堆栈真空侧为一体化绝缘筒2的内侧壁，相比于层叠型高压真空绝缘堆栈，本发明真空侧的有效沿面距离更大，沿面平均电场强度更低。如图7所示，为本发明一体化高压真空绝缘堆栈真空侧电场分布曲线图，其真空侧沿面位于45°伞裙结构的锐角位置存在5个场增强位置，场增强位置的电场强度约为130～150kV/cm。如图8所示，为现有层叠型高压真空绝缘堆栈真空侧电场分布曲线图，层叠型绝缘堆栈结构也存在5个场增强位置，其电场强度约为150～170kV/cm。通过图7和图8可以看出，不论是平均电场，还是场增强位置电场，一体化高压真空绝缘堆栈均优于层叠型高压真空绝缘堆栈。

通过两组对比可以看出，本发明提供的一体化高压真空绝缘堆栈，与目前脉冲功率装置中通常采用层叠型绝缘堆栈相比，不仅省去了绝缘环和金属环之间的真空密封环节，还避免了两者交界面微气隙击穿放电，同时增大了真空侧沿面绝缘距离，提高了运行维护效率和绝缘可靠性，在脉冲功率装置中具有重大应用前景，尤其适用于兆伏级的高压真空绝缘堆栈。

以上所述，仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制，对于本领域的普通专业技术人员来说，可以对上述实施例所记载的具体技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换，而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明所保护技术方案的范围。

Claims (7)

1.一种一体化高压真空绝缘堆栈，其特征在于：包括同轴设置的一体化绝缘筒(2)、多个金属均压环(3)以及两个环形的支撑电极(1)；

所述一体化绝缘筒(2)为中空柱状结构；

所述两个支撑电极(1)分别密封连接于一体化绝缘筒(2)的两端；

多个金属均压环(3)沿轴向依次设置在一体化绝缘筒(2)外壁上；所述金属均压环(3)外侧壁悬浮在一体化绝缘筒(2)外侧，其内侧壁嵌入一体化绝缘筒(2)内。

2.根据权利要求1所述的一种一体化高压真空绝缘堆栈，其特征在于：

还包括两个O型密封圈；

所述两个支撑电极(1)分别通过O型密封圈密封连接于一体化绝缘筒(2)的两端。

3.根据权利要求1或2所述的一种一体化高压真空绝缘堆栈，其特征在于：

所述一体化绝缘筒(2)内壁表面呈伞裙结构设置。

4.根据权利要求3所述的一种一体化高压真空绝缘堆栈，其特征在于：

所述伞裙结构设置为45度。

5.根据权利要求4所述的一种一体化高压真空绝缘堆栈，其特征在于：

所述一体化绝缘筒(2)内壁表面开设有宽度和深度为数十微米级的微槽。

6.根据权利要求5所述的一种一体化高压真空绝缘堆栈，其特征在于：

所述微槽通过激光刻蚀形成。

7.根据权利要求6所述的一种一体化高压真空绝缘堆栈，其特征在于：

所述金属均压环(3)为圆周一体式结构，或者是由多个依次相连的片状结构圆周拼装的分体式结构。

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