本發(fā)明涉及脈沖功率技術(shù)領(lǐng)域，特別是涉及一種可重復(fù)頻率工作、工作電壓高達百千伏的小型平板式高壓脈沖電容器。

背景技術(shù)：

脈沖功率由于其瞬時高功率特性，能夠產(chǎn)生一些特殊的作用效果，在核爆炸模擬、高功率激光/微波、粒子加速、等離子體物理等領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用。

脈沖功率系統(tǒng)是獲得脈沖功率的主要手段，其核心是儲能器件和開關(guān)器件。常見的儲能器件按原理不同，可分為電場儲能型、磁場儲能型、化學(xué)儲能型、慣性儲能型等，其中最常用的是基于電場儲能原理的電容器和基于磁場儲能原理的電感器，因為他們都以二次電能為驅(qū)動，能夠?qū)崿F(xiàn)精確控制，且技術(shù)成熟、安全性高。電感器雖然在儲能密度方面具有優(yōu)越性，但由于其通常無法實現(xiàn)直流儲能，因此其初級儲能器件也必須采用電容器，故電容器是目前脈沖功率的主要儲能器件。

目前，高輸出功率、小型化、高重復(fù)頻率是脈沖功率發(fā)展的主流方向，但幾個發(fā)展方向往往難以兼顧：在負載一定時，更高的輸出功率意味著更高的輸出電壓，這對儲能器件的耐壓和絕緣等都提出了更高的要求，并會導(dǎo)致儲能器件體積重量增加，不能很好的滿足脈沖功率系統(tǒng)的小型化發(fā)展要求?；緝δ芷骷膬δ苊芏鹊奶岣?，則能夠同時實現(xiàn)高輸出功率和小型化，對脈沖功率技術(shù)的發(fā)展至關(guān)重要。

目前適用于脈沖功率系統(tǒng)的高壓儲能電容器主要有陶瓷電容器和薄膜式電容器等。薄膜式電容器由于儲能密度較高、且能夠兼顧高耐壓值和大電容值等優(yōu)點，在脈沖功率領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。薄膜式電容器的發(fā)展水平主要受制于相應(yīng)介電材料的發(fā)展程度，主要介電材料經(jīng)歷了電纜紙、電容器紙、聚丙烯薄膜與電容器紙復(fù)合，最后到全部采用聚丙烯薄膜的發(fā)展過程。目前國內(nèi)金屬化膜電容器儲能密度可達2.0mj/m³，國外已經(jīng)超過3.0mj/m³。但由于金屬化膜電容器在大電流情形下發(fā)熱大且熱穩(wěn)定性差，一般很少用于重復(fù)頻率工作，上述高儲能密度一般對應(yīng)約幾千伏的工作電壓。目前關(guān)于脈沖功率系統(tǒng)用的高壓電容器的研究不多，且當工作電壓增加10~100倍，達到幾十千伏甚至上百千伏時，由于絕緣材料性能瓶頸限制，電容器儲能密度會迅速降低至kj量級。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是提供一種可重復(fù)頻率工作、工作電壓高達百千伏的小型平板式高壓脈沖電容器，針對脈沖功率系統(tǒng)用的高工作電壓、可重復(fù)頻率工作的高壓脈沖電容器發(fā)展要求，研制了一種工作電壓最高可達150kv、重復(fù)工作頻率可達50hz的小型平板式薄膜電容器，儲能密度最高可達60kj/m3。該電容器工作溫度范圍寬、本身性能受環(huán)境影響小，成本低廉且使用壽命較長。

為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案：

一種重復(fù)頻率小型百千伏高壓脈沖電容器，包括密封殼體和設(shè)置在密封殼體內(nèi)的電容，所述電容包括多個串聯(lián)為一體的折疊式薄膜電容，所有折疊式薄膜電容從上至下設(shè)置；

所述薄膜電容是帶狀結(jié)構(gòu)，按照絕緣薄膜、電極層、絕緣薄膜、電極層、絕緣薄膜的順序依次疊加而成；

所述折疊式薄膜電容是將帶狀結(jié)構(gòu)的薄膜電容以固定直徑進行卷繞，在卷繞的空心位置設(shè)置有絕緣油紙，且卷繞后的薄膜電容和絕緣油紙擠壓為扁平狀；

所述密封殼體上設(shè)置有兩個連接電極，兩個連接電極各自連接到電容的輸出電極上；

所述密封殼體內(nèi)填充有絕緣介質(zhì)，充滿整個密封空間。

在上述技術(shù)方案中，所述折疊式薄膜電容中的絕緣油紙直徑小于薄膜電容的卷繞直徑。

在上述技術(shù)方案中，所述絕緣油紙貫穿所述折疊式薄膜電容，所述絕緣油紙的兩端延伸出折疊式薄膜電容。

在上述技術(shù)方案中，所述絕緣油紙設(shè)置在擠壓后的折疊式薄膜電容中的兩個電極層之間。

在上述技術(shù)方案中，所述相鄰的兩個折疊式薄膜電容之間采用連接鋁片進行連接。

在上述技術(shù)方案中，每一個折疊式薄膜電容中的絕緣油紙將兩個用于連接折疊式薄膜電容的連接鋁片隔離分開。

在上述技術(shù)方案中，所述連接電極穿過密封殼體，設(shè)置在密封殼體內(nèi)的為內(nèi)連接電極，設(shè)置在密封殼體外的為外連接電極。

在上述技術(shù)方案中，所述內(nèi)連接電極表面為圓弧狀，與電容的輸出電極連接。

在上述技術(shù)方案中，所述密封殼體的對立的兩側(cè)上設(shè)置有絕緣端子，絕緣端子內(nèi)部空間與密封殼體相通。

在上述技術(shù)方案中，延伸出折疊式薄膜電容的絕緣油紙設(shè)置于絕緣端子內(nèi)部空間中。

本發(fā)明提供了一種重復(fù)頻率小型百千伏高壓脈沖電容器，電容器呈長方體狀，采用固態(tài)絕緣薄膜和液態(tài)變壓器油混合絕緣方式，耐電壓值最高可達150kv，儲能密度可達60kj/m3，能夠?qū)崿F(xiàn)50hz重復(fù)頻率工作。為提高本發(fā)明電容器的耐電壓值，電容器內(nèi)部采用多個電容串聯(lián)分壓結(jié)構(gòu)設(shè)計，可將電容器的耐電壓值提升n倍（n為串聯(lián)電容的個數(shù)）。針對串聯(lián)疊加方式會導(dǎo)致總電容值減小至單個電容的1/n的現(xiàn)象，單個電容選擇柔性薄膜電容，通過將其長度增加n倍，使單個電容的電容值增加n倍。

基于上述分析可知，總的電容器的體積會顯著增加n2倍，導(dǎo)致儲能密度降低n2倍，這種電容器很不實用。因此，需從降低單個電容的長度和厚度兩方面入手。一方面，由于單個電容為柔性帶狀的雙極平板薄膜電容，故可通過將其沿長度方向多次折疊，形成折疊式薄膜電容，從而顯著縮短其長度。另一方面，由于串聯(lián)分壓效應(yīng)，被串聯(lián)起來的單個電容僅須承受總電壓值的1/n，耐壓強度的降低使得使用厚度約十幾微米的薄膜介電材料成為可能，即使多次疊加形成折疊式薄膜電容后，整體厚度依然保持在毫米量級，從而顯著降低串聯(lián)后的總高度。單個折疊式薄膜電容的長度和厚度的同時降低可顯著降低本發(fā)明電容器的體積，從而提升其儲能密度。

綜上所述，由于采用了上述技術(shù)方案，本發(fā)明的有益效果是：

與現(xiàn)有高壓電容器相比，本發(fā)明所提供的電容器能夠在上百千伏的工作電壓下，以較快的重復(fù)頻率進行數(shù)千次快速充放電，穩(wěn)定性和可靠性高。

本發(fā)明提供了一種可重復(fù)頻率工作、工作電壓高達百千伏的平板式高壓脈沖電容器，采用固態(tài)絕緣薄膜和液態(tài)變壓器油混合絕緣方式，電氣性能優(yōu)良、工作溫度范圍寬、本身性能受環(huán)境影響小，且成本低廉。電容器外觀為長方體狀，耐電壓值最高可達150kv，重復(fù)工作頻率大于50hz，使用壽命大于30萬次。

附圖說明

本發(fā)明將通過例子并參照附圖的方式說明，其中：

圖1是本發(fā)明的兩種典型外觀圖；

圖2是由10個折疊式薄膜電容構(gòu)成的電容器橫剖面示意圖；

圖3是由10個折疊式薄膜電容構(gòu)成的電容器的內(nèi)部原理電路圖；

圖4是單個折疊式薄膜電容橫截面結(jié)構(gòu)示意圖

圖5單個柔性帶狀的雙極平板薄膜電容（折疊式薄膜電容展開）橫斷面結(jié)構(gòu)示意圖；

其中：1是密封殼體，2是折疊式薄膜，3是連接鋁片，4是絕緣油紙，5是內(nèi)連接電極，6是外連接電極，7是電極層，8絕緣薄膜；

其中附圖5中的電極層用紅色線條表示，此處的紅色僅僅是用來區(qū)分電極層與絕緣薄膜，并不包含其他任何含義。

具體實施方式

本說明書中公開的所有特征，或公開的所有方法或過程中的步驟，除了互相排斥的特征和/或步驟以外，均可以以任何方式組合。

如圖1所示，可見，本發(fā)明電容器設(shè)計為長方體狀。圖1左所示為傳統(tǒng)平板式電容器結(jié)構(gòu)，僅其中一端有絕緣端子，絕緣端子兩側(cè)分布一對輸出電極，兼作電容器輸入和輸出電極。圖1右所示為兩端對稱分布絕緣端子的電容器結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)設(shè)計能夠?qū)㈦娙萜鞯妮斎攵撕洼敵龆诉M行分離，從而將電容器的充電回路和放電回路隔開，有效降低系統(tǒng)絕緣強度要求。

圖2為僅含一個絕緣端子、由10個折疊式薄膜電容構(gòu)成的電容器的橫剖面結(jié)構(gòu)示意圖?？梢?，本發(fā)明電容器主要包括一個長方體外殼、10個折疊式薄膜電容、11個連接鋁片、10沓絕緣油紙、一對內(nèi)連接電極、一對外連接電極等。圖3為相應(yīng)的內(nèi)部原理電路圖。10個折疊式薄膜電容為依次串聯(lián)結(jié)構(gòu)且電容值相同，能夠起到串聯(lián)分壓效果，每個電容所需承受的電壓僅為加在輸出電極兩端電壓的十分之一。換言之，本發(fā)明電容器的工作電壓是其中單個折疊式薄膜電容的十倍。

折疊式薄膜電容的橫截面圖如附圖4所示，完全展開成為一個柔性帶狀的雙極平板薄膜電容結(jié)構(gòu)如附圖5所示。由圖5可見，柔性薄膜電容按照六層絕緣薄膜、一層鋁箔、六層絕緣薄膜、一層鋁箔、一層絕緣薄膜的順序依次疊加而成，總厚度約0.2mm。以薄膜作為介電材料的電容儲能密度較高，且其卷曲、折疊性能良好，易于加工和實現(xiàn)小型化設(shè)計。將柔性薄膜電容以一定直徑進行卷繞后，在其空心位置插入一沓寬度略小于卷繞直徑的油紙，并在其中一個電極處插入連接鋁片，壓為扁平狀，即形成折疊式薄膜電容。圖4為折疊式薄膜電容的橫截面圖，總厚度約4mm。

絕緣端子設(shè)計為兩側(cè)內(nèi)凹的長方體狀，內(nèi)部中空，一對外連接電極分別位于凹槽內(nèi)，長方體狀殼體的一端。這種設(shè)計能夠在有限空間內(nèi)增加電極各個方向的沿面距離，從而實現(xiàn)對高壓的可靠絕緣。插入的油紙能夠有效改善折疊式薄膜電容的耐電壓性能，同時所有油紙的另一端均伸入絕緣端子內(nèi)部，也可提高絕緣端子的擊穿場強，并將連接內(nèi)連接電極與電容頂端/低端的兩個連接鋁片可靠隔離。因此油紙的存在有利于提升本發(fā)明電容器的可靠性。一對外連接電極與一對內(nèi)連接電極一一對應(yīng)，并可靠電接觸。一對內(nèi)連接電極被切削成圓弧狀，避免了明顯的棱、角造成的電場畸變從而導(dǎo)致尖端放電現(xiàn)象，有利于提高本發(fā)明電容器的穩(wěn)定性。一對外連接電極亦進行了倒角處理。

本發(fā)明電容器的設(shè)計目標為高耐壓、小體積、低成本。為此，長方體狀殼體（包含絕緣端子）采用加工難度小，成本低的普通工程塑料。將其設(shè)計為中空結(jié)構(gòu)，電容器內(nèi)部空間充滿變壓器油，采用固態(tài)、液態(tài)混合絕緣方式能夠有效提高其擊穿場強。為避免油液中混入氣泡，采用真空循環(huán)進油技術(shù)，確保電容器內(nèi)部無氣泡，且所有細小空間均被變壓器油充滿，以增強其穩(wěn)定性。

僅含一個絕緣端子、由10個折疊式薄膜電容構(gòu)成的30nf電容器的典型高度約6cm，體積僅5.4l，最高可承受毫秒級150kv脈沖電壓，且能夠?qū)崿F(xiàn)50hz重復(fù)頻率充放電。電容器能夠以任意姿勢放置和固定。

對于一個耐電壓值為u0，電容值為c0的本發(fā)明電容器，若已知單個折疊式薄膜電容的耐電壓值為v0，則所需折疊式薄膜電容的個數(shù)n可通過如下公式計算得到：

n=u0/v0（1）

其中，n取整數(shù)。

每個折疊式薄膜電容的電容值c¹0可通過如下公式計算得到：

c¹0=c0/n（2）

對于耐電壓值一定的單個折疊式薄膜電容，可通過增加柔性薄膜電容的長度來對其電容值進行調(diào)節(jié)。此外，單個折疊式薄膜電容的耐電壓值也可通過增加或減小柔性薄膜電容的薄膜層數(shù)進行調(diào)節(jié)，這種方式能夠同時調(diào)節(jié)其電容值。

需要指出的是，附圖僅是以內(nèi)含10個串聯(lián)的折疊式薄膜電容的百千伏高壓脈沖電容器為特例來對本發(fā)明做進一步解釋說明，并不構(gòu)成對本發(fā)明的限制。本發(fā)明所指一種重復(fù)頻率小型百千伏高壓脈沖電容器，其耐電壓值和電容值可通過增減折疊式薄膜電容的個數(shù)實現(xiàn)，亦可通過增加鋁箔電極之間絕緣薄膜的厚度實現(xiàn)，其電容值還可通過增減柔性薄膜電容的長度實現(xiàn)，故本發(fā)明電容器的耐電壓值和電容值均在一定范圍內(nèi)可調(diào)。

本發(fā)明并不局限于前述的具體實施方式。本發(fā)明擴展到任何在本說明書中披露的新特征或任何新的組合，以及披露的任一新的方法或過程的步驟或任何新的組合。