雙同軸型高壓脈沖電容器及電容、開關一體化裝置的制造方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及高功率脈沖技術領域的高壓脈沖電容器，尤其是一種采用雙同軸型結構的高壓脈沖電容器及電容、開關一體化裝置，可用于Marx發(fā)生器、氣體放電等領域。
【背景技術】
[0002]高功率脈沖技術是一種把“慢”存儲起來的具有較高密度的電場或磁場能量進行快速壓縮、轉換或直接釋放給負載的電物理技術，其中的能量存儲是決定高功率脈沖裝置體積和重量的關鍵，而高壓脈沖電容器的主要功能就是用于能量存儲，要求高功率脈沖電容器能夠承受高電壓并具有脈沖大電流放電能力。近年來，基于高壓脈沖電容器的高功率脈沖技術在高功率微波、高功率脈沖激光、材料表面處理、工業(yè)廢氣廢水處理、食品殺菌消毒以及生物醫(yī)學等眾多領域獲得了良好的應用，而這些應用對高功率脈沖裝置提出了高功率、高重復頻率、緊湊性和長使用壽命的要求。因此要求高功率脈沖技術中的高壓脈沖電容器具有高功率、高重復頻率、緊湊性和長使用壽命等特點。
[0003]早期的高壓脈沖電容器是用金屬箔片(如鋁片)作電極，夾隔電容器紙或聚丙烯膜卷繞成折疊的芯子，用金屬條引出作為正、負電極，然后放置在箱殼內并灌注礦物油而成，其儲能密度較低，這種用箔夾絕緣膜并浸漬絕緣油的電容器通常稱為油浸箔式脈沖電容器【J.B.Ennis，R.Hartsockand A.J.McPhee，"Recent Developments in High EnergyDensity Metallized Electrode Capacitor Technology,Proceedings of the 1997IEEE Colloquium on Pulsed Power，London，UK，1997:1-3】。油浸箔式脈沖電容器具有通流能力強的優(yōu)點，但容易發(fā)生局部放電，最終發(fā)生絕緣擊穿使電容器發(fā)生損壞。同時油浸式高壓脈沖電容器因為其內部存在液態(tài)絕緣油，不適用于某些特殊場合，特別是為了避免發(fā)生擊穿，保障可靠性，需要增加絕緣裕度，因而電容器的體積大，重量大，成本高，不適合緊湊型高功率脈沖裝置。為了避免油浸箔式脈沖電容器的上述缺點，上世紀80年代后期人們研發(fā)了以聚丙烯膜為介質的干式(即無油的)金屬化膜高壓脈沖電容器(簡稱金屬化膜脈沖電容器)。金屬化膜電容器一般由兩張金屬化膜圍繞絕緣軸心卷繞而成，聚丙烯膜的厚度一般不超過15μηι。金屬化膜的電極由招和鋅構成，電極厚度一般小于100nm。金屬化膜電容器中，上下金屬化電極有可能在電弱點處發(fā)生局部高電壓擊穿放電，從而產生短路擊穿電流，引起局部的高溫，由于電極很薄，使擊穿點附件兩邊的薄金屬層迅速蒸發(fā)并向周邊擴散，從而使其絕緣性能得到恢復，這個過程中，電容量僅有微小的損失。金屬化膜的自愈特性，使金屬化膜電容器的工作場強高，從而具有較高的儲能密度。為滿足高壓、大容量電容器的需要，市場上金屬化膜脈沖電容器主要通過多個金屬化膜脈沖電容器單元通過串并聯(lián)方式來實現(xiàn)【張?zhí)煅?金屬化聚丙烯膜脈沖電容器過載特性研究.長沙:國防科學技術大學碩士論文，2011】。油浸箔式脈沖電容器和金屬化膜脈沖電容器容易實現(xiàn)微法乃至毫法量級的大容量電容器，工作電壓也可以達到百千伏量級，但在實現(xiàn)納法量級的高電壓脈沖電容器，內感很大。為進一步減小高壓脈沖電容器的體積并提高儲能密度，近年來隨著陶瓷材料、云母材料的不斷發(fā)展，基于陶瓷和云母材料的納法量級高壓脈沖電容器得到了快速發(fā)展，市場上有耐壓幾十千伏至百千伏，電容量幾個納法的陶瓷電容。其主要由電極和電極間夾隔的陶瓷或云母材料構成，并將電極和陶瓷或云母材料共同封裝起來，具有耐壓較高，儲能密度大的優(yōu)點。但是由于工藝等限制，要實現(xiàn)幾百千伏，幾納法的單體陶瓷電容非常困難，需要采用串并聯(lián)的方式來實現(xiàn)，從而造成體積增大，儲能密度降低【楊斌，任新軍，劉興書，蘇磊，“高電壓大電容量陶瓷電容器組開發(fā)與應用”，電力電容器與無功補償，2012，￥01.33，％.5，PP.50-53】。
[0004]因此，盡管市場上有多種類型的高壓脈沖電容器，但是還不能滿足緊湊化、長壽命高功率脈沖功率裝置的需求。雖然現(xiàn)有的陶瓷電容或者云母電容器在緊湊型高功率脈沖功率裝置中有較大的應用潛力，但是要實現(xiàn)幾百千伏的耐壓仍需要多個串并聯(lián)使用，從而減小了儲能密度，并提高了系統(tǒng)的復雜性。本發(fā)明正是針對目前高壓脈沖電容器耐壓較低、儲能密度較低等問題出發(fā)，采用雙同軸型結構、以高儲能密度液體介質作為儲能介質，實現(xiàn)能夠承受高電壓大電流、結構緊湊的高壓脈沖電容器，并將開關室與電容器一體化設計，方便在Marx發(fā)生器等領域的使用。

【發(fā)明內容】

[0005]本發(fā)明要解決的技術問題是克服現(xiàn)有高壓脈沖電容器中工作電壓不高、儲能密度較低、內感較大、結構緊湊性較差等不足，采用雙同軸型結構、以高儲能密度液體介質作為儲能介質，提供一種結構緊湊、體積小、耐壓高、內感小、壽命長的高壓脈沖電容器，并將開關室與電容器一體化設計，方便本發(fā)明在氣體放電、Marx發(fā)生器等領域的使用。
[0006]本發(fā)明的技術方案為:
[0007]一種雙同軸型高壓脈沖電容器，主要由高壓電極、地電極、高壓電極絕緣板、高壓電極安裝螺帽、液體絕緣介質組成;所述高壓電極主體為一端封閉的空心圓筒，在高壓電極的封閉蓋板中心設置有直徑遠小于封閉蓋板直徑的圓柱形高壓電極連接桿，用作脈沖電容器的高電壓輸出端，在高壓電極空心圓筒側壁的外側設置實心或空心的高壓電極均壓結構，所述高壓電極均壓結構為圓弧形，起到均壓的作用，防止高壓電極與地電極之間發(fā)生電擊穿;所述地電極為同軸結構，由內外兩個金屬圓筒組成，在底部將內外兩個金屬圓筒相連接，形成一個類似倒立“凹”字的同軸結構;在內金屬圓筒的底部中心開有螺孔，用于固定氣體開關的地電極;在“凹”字的兩個突出的平臺上，靠近外金屬圓筒處設置一圈突起，并在突起上開有灌油孔，所述突起一方面起到固定氣體開關絕緣外殼的作用，另一方面確保整個電容器的空腔內充滿液體絕緣介質;所述高壓電極絕緣板為一塊中心開孔的圓板，中心開孔的孔徑與高壓電極連接桿直徑一致;裝配時，首先將高壓電極的高壓電極連接桿從高壓電極絕緣板中心的開孔穿過，并利用高壓電極安裝螺帽固定高壓電極和高壓電極絕緣板，然后再將高壓電極插入地電極，并與地電極呈同心放置，利用高壓電極絕緣板直撐高壓電極，實現(xiàn)高壓電極與地電極的隔離;最后將液體絕緣介質從灌油孔處注入由高壓電極、地電極和高壓電極絕緣板構成的封閉空間，在高壓電極和地電極之間構成可以耐受高壓的雙同軸高壓脈沖電容器。
[0008]本發(fā)明還提供一種上述電容器和開關的一體化裝置，在地電極內金屬圓筒的底部中心開有螺孔，用以安裝開關地電極，而在地電極兩個突出的平臺上靠近外金屬圓筒邊沿設置突起，用于固定開關絕緣外殼，所述開關絕緣外殼為圓臺狀，圓臺底部和內部挖空，與地電極內金屬圓筒一起構成氣體開關的空腔;在所述圓臺頂部中心開有圓孔，用于安裝開關高壓電極，從而在所述開關地電極、開關絕緣外殼和開關高壓電極之間，構成氣體開關，實現(xiàn)電容開關一體化設計。
[0009]本發(fā)明的工作原理為:根據電容器理論，高壓電極和低壓電極之間填充絕緣介質，便在兩個電極之間形成電容。本發(fā)明的高壓電極和地電極呈同軸放置，高壓電極的外表面和地電極外殼的內表面之間構成第一個電容;高壓電極的內表面和地電極內筒的外表面之間構成第二個電容；高壓電極徑向平面和地電極的徑向平面構成第三個電容。這三個電容呈并聯(lián)關系，故本電容器的電容量為這三個電容量之和，從而增大了本發(fā)明所述電容器的電容量;高壓電極和地電極構成雙同軸結構。同時，在每個電容之間采用高儲能密度液體介質，相對介電常數(shù)大，可進一步增大本電容器的電容量。由于這種結構能夠增大電容器的電容量，并通過設計可以減小內部的場增強，不易發(fā)生擊穿，提高電容器能夠承受的電壓。利用地電極的內部空間，安置開關地電極、開關尚壓電極和開關絕緣外殼，構成尚壓氣體開關，實現(xiàn)電容開關一體化，從而可以滿足緊湊型、小型化高功率脈沖裝置的應用需求。
[0010]本發(fā)明具有以下技術效果:與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明結構簡單、體積小、可以提高電容器的工作電壓、并提高電容器的電容量、且具有結構電感小，與開關一體化的優(yōu)點，可應用于小型化高功率脈沖裝置當中。
【附圖說明】
[0011]圖1為【背景技術】【J.B.Ennis，R.HartsockandA.J.McPhee,"Recent Developmentsin High Energy Density Metallized Electrode Capacitor Technology,Proceedingsof the 1997 IEEE Colloquium on Pulsed Power，London，UK，1997:1-3】中隱箔式電容器結構圖結構示意圖；
[0012]圖2為【背景技術】【張?zhí)煅?金屬化聚丙烯膜脈沖電容器過載特性研究.長沙:國防科學技術大學碩士論文，2011】中的金屬化電容器單元結構圖；
[0013]圖3為【背景技術】【張?zhí)煅?金屬化聚丙烯膜脈沖電容器過載特性研究.長沙:國防科學技術大學碩士論文，2011】中的金屬