[發明專利]雙同軸型高壓脈沖電容器及電容、開關一體化裝置

有效

• 申請號: 201610045031.8
• 申請日: 2016-01-23
• 公開（公告）號: CN105679534B
• 公開（公告）日: 2017-11-14
• 發明（設計）人: 程新兵;楊建華;潘子龍
• 申請（專利權）人: 中國人民解放軍國防科學技術大學
• 主分類號: H01G4/012
• 分類號: H01G4/012;H01G4/04;H01G4/224;H01G4/40;H01T14/00
• 代理公司: 國防科技大學專利服務中心43202
• 代理人: 任合明

技術領域

本發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發生器、氣體放電等領域。

背景技術

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、工業廢氣廢水處理、食品殺菌消毒以及生物醫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。

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 Energy Density Metallized Electrode Capacitor Technology,Proceedings of the 1997 IEEE 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點，但容易發生局部放電，最終發生絕緣擊穿使電容器發生損壞。同時油浸式高壓脈沖電容器因為其內部存在液態絕緣油，不適用于某些特殊場合，特別是為了避免發生擊穿，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15μm。金屬化膜的電極由鋁和鋅構成，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方式來實現【張天洋.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，儲能密度大的優點。但是由于工藝等限制，要實現幾百千伏，幾納法的單體陶瓷電容非常困難，需要采用串并聯的方式來實現，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與應用”，電力電容器與無功補償，2012，Vol.33，No.5，pp.50-53】。

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，但是要實現幾百千伏的耐壓仍需要多個串并聯使用，從而減小了儲能密度，并提高了系統的復雜性。本發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，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發生器等領域的使用。

發明內容