[发明专利]双同轴型高压脉冲电容器及电容、开关一体化装置

说明书

技术领域

本发明涉及高功率脉冲技术领域的高压脉冲电容器，尤其是一种采用双同轴型结构的高压脉冲电容器及电容、开关一体化装置，可用于Marx发生器、气体放电等领域。

背景技术

高功率脉冲技术是一种把“慢”存储起来的具有较高密度的电场或磁场能量进行快速压缩、转换或直接释放给负载的电物理技术，其中的能量存储是决定高功率脉冲装置体积和重量的关键，而高压脉冲电容器的主要功能就是用于能量存储，要求高功率脉冲电容器能够承受高电压并具有脉冲大电流放电能力。近年来，基于高压脉冲电容器的高功率脉冲技术在高功率微波、高功率脉冲激光、材料表面处理、工业废气废水处理、食品杀菌消毒以及生物医学等众多领域获得了良好的应用，而这些应用对高功率脉冲装置提出了高功率、高重复频率、紧凑性和长使用寿命的要求。因此要求高功率脉冲技术中的高压脉冲电容器具有高功率、高重复频率、紧凑性和长使用寿命等特点。

早期的高压脉冲电容器是用金属箔片(如铝片)作电极，夹隔电容器纸或聚丙烯膜卷绕成折叠的芯子，用金属条引出作为正、负电极，然后放置在箱壳内并灌注矿物油而成，其储能密度较低，这种用箔夹绝缘膜并浸渍绝缘油的电容器通常称为油浸箔式脉冲电容器【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】。油浸箔式脉冲电容器具有通流能力强的优点，但容易发生局部放电，最终发生绝缘击穿使电容器发生损坏。同时油浸式高压脉冲电容器因为其内部存在液态绝缘油，不适用于某些特殊场合，特别是为了避免发生击穿，保障可靠性，需要增加绝缘裕度，因而电容器的体积大，重量大，成本高，不适合紧凑型高功率脉冲装置。为了避免油浸箔式脉冲电容器的上述缺点，上世纪80年代后期人们研发了以聚丙烯膜为介质的干式(即无油的)金属化膜高压脉冲电容器(简称金属化膜脉冲电容器)。金属化膜电容器一般由两张金属化膜围绕绝缘轴心卷绕而成，聚丙烯膜的厚度一般不超过15μm。金属化膜的电极由铝和锌构成，电极厚度一般小于100nm。金属化膜电容器中，上下金属化电极有可能在电弱点处发生局部高电压击穿放电，从而产生短路击穿电流，引起局部的高温，由于电极很薄，使击穿点附件两边的薄金属层迅速蒸发并向周边扩散，从而使其绝缘性能得到恢复，这个过程中，电容量仅有微小的损失。金属化膜的自愈特性，使金属化膜电容器的工作场强高，从而具有较高的储能密度。为满足高压、大容量电容器的需要，市场上金属化膜脉冲电容器主要通过多个金属化膜脉冲电容器单元通过串并联方式来实现【张天洋.金属化聚丙烯膜脉冲电容器过载特性研究.长沙：国防科学技术大学硕士论文，2011】。油浸箔式脉冲电容器和金属化膜脉冲电容器容易实现微法乃至毫法量级的大容量电容器，工作电压也可以达到百千伏量级，但在实现纳法量级的高电压脉冲电容器，内感很大。为进一步减小高压脉冲电容器的体积并提高储能密度，近年来随着陶瓷材料、云母材料的不断发展，基于陶瓷和云母材料的纳法量级高压脉冲电容器得到了快速发展，市场上有耐压几十千伏至百千伏，电容量几个纳法的陶瓷电容。其主要由电极和电极间夹隔的陶瓷或云母材料构成，并将电极和陶瓷或云母材料共同封装起来，具有耐压较高，储能密度大的优点。但是由于工艺等限制，要实现几百千伏，几纳法的单体陶瓷电容非常困难，需要采用串并联的方式来实现，从而造成体积增大，储能密度降低【杨斌，任新军，刘兴书，苏磊，“高电压大电容量陶瓷电容器组开发与应用”，电力电容器与无功补偿，2012，Vol.33，No.5，pp.50-53】。

因此，尽管市场上有多种类型的高压脉冲电容器，但是还不能满足紧凑化、长寿命高功率脉冲功率装置的需求。虽然现有的陶瓷电容或者云母电容器在紧凑型高功率脉冲功率装置中有较大的应用潜力，但是要实现几百千伏的耐压仍需要多个串并联使用，从而减小了储能密度，并提高了系统的复杂性。本发明正是针对目前高压脉冲电容器耐压较低、储能密度较低等问题出发，采用双同轴型结构、以高储能密度液体介质作为储能介质，实现能够承受高电压大电流、结构紧凑的高压脉冲电容器，并将开关室与电容器一体化设计，方便在Marx发生器等领域的使用。

发明内容