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(dá)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(shí)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(chǔ)能器件和開關(guān)器件。常見的儲(chǔ)能器件按原理不同，可分為電場(chǎng)儲(chǔ)能型、磁場(chǎng)儲(chǔ)能型、化學(xué)儲(chǔ)能型、慣性儲(chǔ)能型等，其中最常用的是基于電場(chǎng)儲(chǔ)能原理的電容器和基于磁場(chǎng)儲(chǔ)能原理的電感器，因?yàn)樗麄兌家远坞娔転轵?qū)動(dòng)，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(chǔ)能密度方面具有優(yōu)越性，但由于其通常無(wú)法實(shí)現(xiàn)直流儲(chǔ)能，因此其初級(jí)儲(chǔ)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(chǔ)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(gè)發(fā)展方向往往難以兼顧：在負(fù)載一定時(shí)，更高的輸出功率意味著更高的輸出電壓，這對(duì)儲(chǔ)能器件的耐壓和絕緣等都提出了更高的要求，并會(huì)導(dǎo)致儲(chǔ)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。基本儲(chǔ)能器件的儲(chǔ)能密度的提高，則能夠同時(shí)實(shí)現(xiàn)高輸出功率和小型化，對(duì)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(chǔ)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(chǔ)能密度較高、且能夠兼顧高耐壓值和大電容值等優(yōu)點(diǎn)，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(guò)程。目前國(guó)內(nèi)金屬化膜電容器儲(chǔ)能密度可達(dá)2.0mj/m³，國(guó)外已經(jīng)超過(guò)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(chǔ)能密度一般對(duì)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(dāng)工作電壓增加10~100倍，達(dá)到幾十千伏甚至上百千伏時(shí)，由于絕緣材料性能瓶頸限制，電容器儲(chǔ)能密度會(huì)迅速降低至kj量級(jí)。

技術(shù)實(shí)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(dá)百千伏的小型平板式高壓脈沖電容器，針對(duì)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(dá)150kv、重復(fù)工作頻率可達(dá)50hz的小型平板式薄膜電容器，儲(chǔ)能密度最高可達(dá)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(zhǎng)。

為了實(shí)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(gè)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(jìn)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(gè)連接電極，兩個(gè)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(gè)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?jiān)O(shè)置在擠壓后的折疊式薄膜電容中的兩個(gè)電極層之間。

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

在上述技術(shù)方案中，每一個(gè)折疊式薄膜電容中的絕緣油紙將兩個(gè)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(guò)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(duì)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?jiān)O(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(zhǎng)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(dá)150kv，儲(chǔ)能密度可達(dá)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(gè)電容串聯(lián)分壓結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，可將電容器的耐電壓值提升n倍（n為串聯(lián)電容的個(gè)數(shù)）。針對(duì)串聯(lián)疊加方式會(huì)導(dǎo)致總電容值減小至單個(gè)電容的1/n的現(xiàn)象，單個(gè)電容選擇柔性薄膜電容，通過(guò)將其長(zhǎng)度增加n倍，使單個(gè)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(huì)顯著增加n2倍，導(dǎo)致儲(chǔ)能密度降低n2倍，這種電容器很不實(shí)用。因此，需從降低單個(gè)電容的長(zhǎng)度和厚度兩方面入手。一方面，由于單個(gè)電容為柔性帶狀的雙極平板薄膜電容，故可通過(guò)將其沿長(zhǎng)度方向多次折疊，形成折疊式薄膜電容，從而顯著縮短其長(zhǎng)度。另一方面，由于串聯(lián)分壓效應(yīng)，被串聯(lián)起來(lái)的單個(gè)電容僅須承受總電壓值的1/n，耐壓強(qiáng)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(jí)，從而顯著降低串聯(lián)后的總高度。單個(gè)折疊式薄膜電容的長(zhǎng)度和厚度的同時(shí)降低可顯著降低本發(fā)明電容器的體積，從而提升其儲(chǔ)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(jìn)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(dá)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(zhǎng)方體狀，耐電壓值最高可達(dá)150kv，重復(fù)工作頻率大于50hz，使用壽命大于30萬(wàn)次。

附圖說(shuō)明

本發(fā)明將通過(guò)例子并參照附圖的方式說(shuō)明，其中：

圖1是本發(fā)明的兩種典型外觀圖；

圖2是由10個(gè)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(gè)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(gè)折疊式薄膜電容橫截面結(jié)構(gòu)示意圖

圖5單個(gè)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(lái)區(qū)分電極層與絕緣薄膜，并不包含其他任何含義。

具體實(shí)施方式

本說(shuō)明書中公開的所有特征，或公開的所有方法或過(guò)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(jì)為長(zhǎng)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(duì)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(duì)稱分布絕緣端子的電容器結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)能夠?qū)㈦娙萜鞯妮斎攵撕洼敵龆诉M(jìn)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(qiáng)度要求。

圖2為僅含一個(gè)絕緣端子、由10個(gè)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?？梢姡景l(fā)明電容器主要包括一個(gè)長(zhǎng)方體外殼、10個(gè)折疊式薄膜電容、11個(gè)連接鋁片、10沓絕緣油紙、一對(duì)內(nèi)連接電極、一對(duì)外連接電極等。圖3為相應(yīng)的內(nèi)部原理電路圖。10個(gè)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(gè)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(gè)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(gè)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(chǔ)能密度較高，且其卷曲、折疊性能良好，易于加工和實(shí)現(xiàn)小型化設(shè)計(jì)。將柔性薄膜電容以一定直徑進(jìn)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(gè)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(jì)為兩側(cè)內(nèi)凹的長(zhǎng)方體狀，內(nèi)部中空，一對(duì)外連接電極分別位于凹槽內(nèi)，長(zhǎng)方體狀殼體的一端。這種設(shè)計(jì)能夠在有限空間內(nèi)增加電極各個(gè)方向的沿面距離，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)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(shí)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(chǎng)強(qiáng)，并將連接內(nèi)連接電極與電容頂端/低端的兩個(gè)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(duì)外連接電極與一對(duì)內(nèi)連接電極一一對(duì)應(yīng)，并可靠電接觸。一對(duì)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(chǎng)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(duì)外連接電極亦進(jìn)行了倒角處理。

本發(fā)明電容器的設(shè)計(jì)目標(biāo)為高耐壓、小體積、低成本。為此，長(zhǎng)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(jì)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(chǎng)強(qiáng)。為避免油液中混入氣泡，采用真空循環(huán)進(jìn)油技術(shù)，確保電容器內(nèi)部無(wú)氣泡，且所有細(xì)小空間均被變壓器油充滿，以增強(qiáng)其穩(wěn)定性。

僅含一個(gè)絕緣端子、由10個(gè)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(jí)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(shì)放置和固定。

對(duì)于一個(gè)耐電壓值為u0，電容值為c0的本發(fā)明電容器，若已知單個(gè)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(gè)數(shù)n可通過(guò)如下公式計(jì)算得到：

n=u0/v0（1）

其中，n取整數(shù)。

每個(gè)折疊式薄膜電容的電容值c¹0可通過(guò)如下公式計(jì)算得到：

c¹0=c0/n（2）

對(duì)于耐電壓值一定的單個(gè)折疊式薄膜電容，可通過(guò)增加柔性薄膜電容的長(zhǎng)度來(lái)對(duì)其電容值進(jìn)行調(diào)節(jié)。此外，單個(gè)折疊式薄膜電容的耐電壓值也可通過(guò)增加或減小柔性薄膜電容的薄膜層數(shù)進(jìn)行調(diào)節(jié)，這種方式能夠同時(shí)調(diào)節(jié)其電容值。

需要指出的是，附圖僅是以內(nèi)含10個(gè)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(lái)對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步解釋說(shuō)明，并不構(gòu)成對(duì)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(guò)增減折疊式薄膜電容的個(gè)數(shù)實(shí)現(xiàn)，亦可通過(guò)增加鋁箔電極之間絕緣薄膜的厚度實(shí)現(xiàn)，其電容值還可通過(guò)增減柔性薄膜電容的長(zhǎng)度實(shí)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(shí)施方式。本發(fā)明擴(kuò)展到任何在本說(shuō)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(guò)程的步驟或任何新的組合。