一种重复频率小型百千伏高压脉冲电容器的制作方法

本发明涉及脉冲功率技术领域，特别是涉及一种可重复频率工作、工作电压高达百千伏的小型平板式高压脉冲电容器。

背景技术：

脉冲功率由于其瞬时高功率特性，能够产生一些特殊的作用效果，在核爆炸模拟、高功率激光/微波、粒子加速、等离子体物理等领域有广泛的应用。

脉冲功率系统是获得脉冲功率的主要手段，其核心是储能器件和开关器件。常见的储能器件按原理不同，可分为电场储能型、磁场储能型、化学储能型、惯性储能型等，其中最常用的是基于电场储能原理的电容器和基于磁场储能原理的电感器，因为他们都以二次电能为驱动，能够实现精确控制，且技术成熟、安全性高。电感器虽然在储能密度方面具有优越性，但由于其通常无法实现直流储能，因此其初级储能器件也必须采用电容器，故电容器是目前脉冲功率的主要储能器件。

目前，高输出功率、小型化、高重复频率是脉冲功率发展的主流方向，但几个发展方向往往难以兼顾：在负载一定时，更高的输出功率意味着更高的输出电压，这对储能器件的耐压和绝缘等都提出了更高的要求，并会导致储能器件体积重量增加，不能很好的满足脉冲功率系统的小型化发展要求。基本储能器件的储能密度的提高，则能够同时实现高输出功率和小型化，对脉冲功率技术的发展至关重要。

目前适用于脉冲功率系统的高压储能电容器主要有陶瓷电容器和薄膜式电容器等。薄膜式电容器由于储能密度较高、且能够兼顾高耐压值和大电容值等优点，在脉冲功率领域得到了广泛的应用。薄膜式电容器的发展水平主要受制于相应介电材料的发展程度，主要介电材料经历了电缆纸、电容器纸、聚丙烯薄膜与电容器纸复合，最后到全部采用聚丙烯薄膜的发展过程。目前国内金属化膜电容器储能密度可达2.0 MJ/m³，国外已经超过3.0 MJ/m³。但由于金属化膜电容器在大电流情形下发热大且热稳定性差，一般很少用于重复频率工作，上述高储能密度一般对应约几千伏的工作电压。目前关于脉冲功率系统用的高压电容器的研究不多，且当工作电压增加10~100倍，达到几十千伏甚至上百千伏时，由于绝缘材料性能瓶颈限制，电容器储能密度会迅速降低至kJ量级。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种可重复频率工作、工作电压高达百千伏的小型平板式高压脉冲电容器，针对脉冲功率系统用的高工作电压、可重复频率工作的高压脉冲电容器发展要求，研制了一种工作电压最高可达150 kV、重复工作频率可达50 Hz的小型平板式薄膜电容器，储能密度最高可达60 kJ/m3。该电容器工作温度范围宽、本身性能受环境影响小，成本低廉且使用寿命较长。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种重复频率小型百千伏高压脉冲电容器，包括密封壳体和设置在密封壳体内的电容，所述电容包括多个串联为一体的折叠式薄膜电容，所有折叠式薄膜电容从上至下设置；

所述薄膜电容是带状结构，按照绝缘薄膜、电极层、绝缘薄膜、电极层、绝缘薄膜的顺序依次叠加而成；

所述折叠式薄膜电容是将带状结构的薄膜电容以固定直径进行卷绕，在卷绕的空心位置设置有绝缘油纸，且卷绕后的薄膜电容和绝缘油纸挤压为扁平状；

所述密封壳体上设置有两个连接电极，两个连接电极各自连接到电容的输出电极上；

所述密封壳体内填充有绝缘介质，充满整个密封空间。

在上述技术方案中，所述折叠式薄膜电容中的绝缘油纸直径小于薄膜电容的卷绕直径。

在上述技术方案中，所述绝缘油纸贯穿所述折叠式薄膜电容，所述绝缘油纸的两端延伸出折叠式薄膜电容。

在上述技术方案中，所述绝缘油纸设置在挤压后的折叠式薄膜电容中的两个电极层之间。

在上述技术方案中，所述相邻的两个折叠式薄膜电容之间采用连接铝片进行连接。

在上述技术方案中，每一个折叠式薄膜电容中的绝缘油纸将两个用于连接折叠式薄膜电容的连接铝片隔离分开。

在上述技术方案中，所述连接电极穿过密封壳体，设置在密封壳体内的为内连接电极，设置在密封壳体外的为外连接电极。

在上述技术方案中，所述内连接电极表面为圆弧状，与电容的输出电极连接。

在上述技术方案中，所述密封壳体的对立的两侧上设置有绝缘端子，绝缘端子内部空间与密封壳体相通。

在上述技术方案中，延伸出折叠式薄膜电容的绝缘油纸设置于绝缘端子内部空间中。

本发明提供了一种重复频率小型百千伏高压脉冲电容器，电容器呈长方体状，采用固态绝缘薄膜和液态变压器油混合绝缘方式，耐电压值最高可达150 kV，储能密度可达60 kJ/m3，能够实现50 Hz重复频率工作。为提高本发明电容器的耐电压值，电容器内部采用多个电容串联分压结构设计，可将电容器的耐电压值提升N倍（N为串联电容的个数）。针对串联叠加方式会导致总电容值减小至单个电容的1/N的现象，单个电容选择柔性薄膜电容，通过将其长度增加N倍，使单个电容的电容值增加N倍。

基于上述分析可知，总的电容器的体积会显著增加N2倍，导致储能密度降低N2倍，这种电容器很不实用。因此，需从降低单个电容的长度和厚度两方面入手。一方面，由于单个电容为柔性带状的双极平板薄膜电容，故可通过将其沿长度方向多次折叠，形成折叠式薄膜电容，从而显著缩短其长度。另一方面，由于串联分压效应，被串联起来的单个电容仅须承受总电压值的1/N，耐压强度的降低使得使用厚度约十几微米的薄膜介电材料成为可能，即使多次叠加形成折叠式薄膜电容后，整体厚度依然保持在毫米量级，从而显著降低串联后的总高度。单个折叠式薄膜电容的长度和厚度的同时降低可显著降低本发明电容器的体积，从而提升其储能密度。

综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：

与现有高压电容器相比，本发明所提供的电容器能够在上百千伏的工作电压下，以较快的重复频率进行数千次快速充放电，稳定性和可靠性高。

本发明提供了一种可重复频率工作、工作电压高达百千伏的平板式高压脉冲电容器，采用固态绝缘薄膜和液态变压器油混合绝缘方式，电气性能优良、工作温度范围宽、本身性能受环境影响小，且成本低廉。电容器外观为长方体状，耐电压值最高可达150kV，重复工作频率大于50Hz，使用寿命大于30万次。

附图说明

本发明将通过例子并参照附图的方式说明，其中：

图1a、图1b 是本发明的两种典型外观图；

图2是由10个折叠式薄膜电容构成的电容器横剖面示意图；

图3是由10个折叠式薄膜电容构成的电容器的内部原理电路图；

图4是单个折叠式薄膜电容横截面结构示意图

图5单个柔性带状的双极平板薄膜电容（折叠式薄膜电容展开）横断面结构示意图；

其中：1是密封壳体，2是折叠式薄膜，3是连接铝片，4是绝缘油纸，5是内连接电极，6是外连接电极，7是电极层，8绝缘薄膜；

其中附图5中的电极层用红色线条表示，此处的红色仅仅是用来区分电极层与绝缘薄膜，并不包含其他任何含义。

具体实施方式

本说明书中公开的所有特征，或公开的所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以以任何方式组合。

如图1a、图1b所示，可见，本发明电容器设计为长方体状。图1a所示为传统平板式电容器结构，仅其中一端有绝缘端子，绝缘端子两侧分布一对输出电极，兼作电容器输入和输出电极。图1b所示为两端对称分布绝缘端子的电容器结构，这种结构设计能够将电容器的输入端和输出端进行分离，从而将电容器的充电回路和放电回路隔开，有效降低系统绝缘强度要求。

图2为仅含一个绝缘端子、由10个折叠式薄膜电容构成的电容器的横剖面结构示意图。可见，本发明电容器主要包括一个长方体外壳、10个折叠式薄膜电容、11个连接铝片、10沓绝缘油纸、一对内连接电极、一对外连接电极等。图3为相应的内部原理电路图。10个折叠式薄膜电容为依次串联结构且电容值相同，能够起到串联分压效果，每个电容所需承受的电压仅为加在输出电极两端电压的十分之一。换言之，本发明电容器的工作电压是其中单个折叠式薄膜电容的十倍。

折叠式薄膜电容的横截面图如附图4所示，完全展开成为一个柔性带状的双极平板薄膜电容结构如附图5所示。由图5可见，柔性薄膜电容按照六层绝缘薄膜、一层铝箔、六层绝缘薄膜、一层铝箔、一层绝缘薄膜的顺序依次叠加而成，总厚度约0.2 mm。以薄膜作为介电材料的电容储能密度较高，且其卷曲、折叠性能良好，易于加工和实现小型化设计。将柔性薄膜电容以一定直径进行卷绕后，在其空心位置插入一沓宽度略小于卷绕直径的油纸，并在其中一个电极处插入连接铝片，压为扁平状，即形成折叠式薄膜电容。图4为折叠式薄膜电容的横截面图，总厚度约4 mm。

绝缘端子设计为两侧内凹的长方体状，内部中空，一对外连接电极分别位于凹槽内，长方体状壳体的一端。这种设计能够在有限空间内增加电极各个方向的沿面距离，从而实现对高压的可靠绝缘。插入的油纸能够有效改善折叠式薄膜电容的耐电压性能，同时所有油纸的另一端均伸入绝缘端子内部，也可提高绝缘端子的击穿场强，并将连接内连接电极与电容顶端/低端的两个连接铝片可靠隔离。因此油纸的存在有利于提升本发明电容器的可靠性。一对外连接电极与一对内连接电极一一对应，并可靠电接触。一对内连接电极被切削成圆弧状，避免了明显的棱、角造成的电场畸变从而导致尖端放电现象，有利于提高本发明电容器的稳定性。一对外连接电极亦进行了倒角处理。

本发明电容器的设计目标为高耐压、小体积、低成本。为此，长方体状壳体（包含绝缘端子）采用加工难度小，成本低的普通工程塑料。将其设计为中空结构，电容器内部空间充满变压器油，采用固态、液态混合绝缘方式能够有效提高其击穿场强。为避免油液中混入气泡，采用真空循环进油技术，确保电容器内部无气泡，且所有细小空间均被变压器油充满，以增强其稳定性。

仅含一个绝缘端子、由10个折叠式薄膜电容构成的30 nF电容器的典型高度约6 cm，体积仅5.4 L，最高可承受毫秒级150 kV脉冲电压，且能够实现50 Hz重复频率充放电。电容器能够以任意姿势放置和固定。

对于一个耐电压值为U₀，电容值为C₀的本发明电容器，若已知单个折叠式薄膜电容的耐电压值为V₀，则所需折叠式薄膜电容的个数n可通过如下公式计算得到：

n=U₀/V₀ （1）

其中，n取整数。

每个折叠式薄膜电容的电容值C¹₀可通过如下公式计算得到：

C¹₀= C₀/n （2）

对于耐电压值一定的单个折叠式薄膜电容，可通过增加柔性薄膜电容的长度来对其电容值进行调节。此外，单个折叠式薄膜电容的耐电压值也可通过增加或减小柔性薄膜电容的薄膜层数进行调节，这种方式能够同时调节其电容值。

需要指出的是，附图仅是以内含10个串联的折叠式薄膜电容的百千伏高压脉冲电容器为特例来对本发明做进一步解释说明，并不构成对本发明的限制。本发明所指一种重复频率小型百千伏高压脉冲电容器，其耐电压值和电容值可通过增减折叠式薄膜电容的个数实现，亦可通过增加铝箔电极之间绝缘薄膜的厚度实现，其电容值还可通过增减柔性薄膜电容的长度实现，故本发明电容器的耐电压值和电容值均在一定范围内可调。

本发明并不局限于前述的具体实施方式。本发明扩展到任何在本说明书中披露的新特征或任何新的组合，以及披露的任一新的方法或过程的步骤或任何新的组合。