一种初级脉冲源及常压气体外绝缘系统和方法与流程

【技术领域】

本发明属于高电压与绝缘技术领域，涉及一种初级脉冲源及常压气体外绝缘系统和方法。

背景技术：

高功率脉冲放电等离子体主要是指电流幅值ma以上，脉冲宽度为百纳秒的电脉冲通过金属丝阵、环形气体射流、金属箔制成的环形套筒等放电，使其电离形成柱对称等离子体构形，它们在轴向电流产生的电磁力作用下发生自箍缩(pinch)向轴线内聚运动，最终在对称轴附近滞止，形成高温高密等离子体，辐射高能x射线。ma级及以上的脉冲大电流源的建设将极大地促进国际上研究高温高密辐射等离子体。

脉冲大电流源一般由充电电源、初级脉冲源、脉冲传输线和负载组成，目前世界上电流幅值最大的脉冲源是美国圣地亚实验室2006年升级的zr装置，zr装置是基于marx发生器为初级脉冲源，通过逐级脉冲压缩获得20ma的负载电流。本世纪初，俄罗斯科学院大电流研究所提出了快直线型变压器驱动源(fastlineartransformerdriver,简称fltd)的概念，不需要像传统的marx发生器逐级压缩产生快脉冲，fltd的初级脉冲源是单级fltd模块，可以直接产生百纳秒级快脉冲，装置运行效率和能量传输效率得到大幅提高，被公认为下一代数十ma电流、数mv电压、百tw级快z箍缩驱动源最有前景的技术路线。

目前初级脉冲源，包括marx发生器、单级fltd模块，其外绝缘一般采用变压器油作为绝缘介质，这种绝缘方式成本高、运行维护便利性差、效率低。因此人们提出了气体绝缘的方法，当初级脉冲源工作电压较低(～50kv)时一般采用高压空气绝缘，当工作电压提高后，采用sf6-空气混合气体绝缘，腔体内部绝对气压为2bar，绝缘强度要求>100kv/cm。目前，sf6由于强温室效应已经被禁止生产销售了，亟需发展新的气体绝缘方案。特别是当初级脉冲源尺寸增加后，对腔体的密封和抗压性能提出了更高的要求。

技术实现要素：

本发明的目的在于解决现有技术中的问题，提供一种初级脉冲源及常压气体外绝缘系统和方法。

为达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：

一种初级脉冲源，包括marx发生器以及单级fltd模块，多个单级fltd模块串联组成的fltd源；所述初级脉冲源包括金属腔体以及内部的电路元器件，所述金属腔体内填充有绝缘环保气体和缓冲气体的混合气体，所述绝缘环保气体和缓冲气体用于为电路元器件提供绝缘环境。

上述初级脉冲源的进一步改进在于：

所述金属腔体内的绝缘环保气体为c4f7n或c5f10o，缓冲气体为空气、氮气、二氧化碳或甲烷。

所述多个单级fltd模块串联组成的fltd源，所述fltd源中串联的单级fltd模块共用一个金属腔体。

所述金属腔体为长方体或圆柱体。

一种常压气体外绝缘方法，包括以下步骤：

步骤1，利用缓冲气体对初级脉冲源的金属腔体进行充放气完成洗气；

步骤2，将常压绝缘气体与缓冲气体按照预设比例混合，然后再充入金属腔体，直至金属腔体内的压力为1bar时停止充气。

上述方法的进一步改进在于：

所述步骤1中，洗气反复进行2次及以上，至纯度达到90％及以上。

所述步骤2中，常压绝缘气体与缓冲气体混合至具有100kv/cm的绝缘强度。

一种绝缘系统，包括配气装置，所述配气装置包括混合气体缓存腔，所述混合气体缓存腔的两个入口分别连接绝缘环保气体罐和缓冲气体罐，出口连接初级脉冲源的金属腔体，洗气口连接第一真空泵和；金属腔体的洗气口连接第二真空泵。

上述绝缘系统的进一步改进在于：

所述绝缘环保气体罐与配气装置之间的管路上依次设置第一压力表、第一阀门、第一止回阀以及第一流量计；

所述缓冲气体罐与配气装置之间的管路上依次设置第二压力表、第二阀门、第二止回阀、第二流量计以及第六阀门；

所述配气装置与金属腔体之间的管路上依次设置有第三阀门、第三止回阀以及第三流量计；

所述配气装置的洗气口与第一真空泵之间的管路上依次设置有第三压力表、第四阀门以及第四止回阀；

所述金属腔体的洗气口与第二真空泵之间的管路上依次设置有第五阀门以及第五止回阀；

所述第二流量计与第六阀门之间通过三通相连，三通的另一个出口通过第七阀门连接至第三流量计的出口处。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

本发明初级脉冲源的金属腔体内的绝缘介质采用常压绝缘环保气体与缓冲气体混合气体，混合气体气压为常压～1bar，实现直流均匀场时的绝缘强度高于100kv/cm，可避免脉冲功率源在高气压下运行，从而降低大尺寸脉冲功率源对机械结构和密封性能的要求。初级脉冲源的工作环境为室内，环境控制在常温15-25℃。这与传统电力系统设备工作在高原极寒等环境不同，因此绝缘环保气体(如c4f7n、c5f10o)的高沸点的物性缺点在初级脉冲源的工作环境中不受限。经过理论与实验验证，在～20℃，绝对气压～1bar的工作环境下，绝缘介质采用c4f7n-空气混合气体作为初级脉冲源的金属腔体的绝缘介质是一种有效可行的方法，具有高于100kv/cm的绝缘强度，优于sf6气体。因此，本发明具有良好的环境效应，常压可大幅降低腔体设计加工的难度，也有利于提高检修时充气放气速率，从而提高运维效率，降低成本。

【附图说明】

为了更清楚的说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1为本发明单级fltd模块结构示意图；

图2为本发明实施例绝缘方法的流程图；

图3为本发明实施例绝缘系统的流程图；

图4为结合antoine方程与气液平衡定律计算的c4f7n-n2混合气体的饱和蒸汽压；

图5为c4f7n-co2混合气体的绝缘强度实验结果。

其中：1-1为第一压力表；1-1为第一压力表；1-3为第三压力表；2-1为第一阀门；2-2为第二阀门；2-3为第三阀门；2-4为第四阀门；2-5为第五阀门；2-6为第六阀门；2-7为第七阀门；3-1为第一止回阀；3-2为第二止回阀；3-3为第三止回阀；4-1为第一流量计；4-2为第二流量计；4-3为第三流量计；5-1为第第一真空泵；5-2为第二真空泵。

【具体实施方式】

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

在本发明实施例的描述中，需要说明的是，若出现术语“上”、“下”、“水平”、“内”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

此外，若出现术语“水平”，并不表示要求部件绝对水平，而是可以稍微倾斜。如“水平”仅仅是指其方向相对“竖直”而言更加水平，并不是表示该结构一定要完全水平，而是可以稍微倾斜。

在本发明实施例的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，若出现术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

下面结合附图对本发明做进一步详细描述：

参见图1，图1为本发明实施例公开的一种单级fltd模块，它是fltd脉冲源的初级脉冲单元模块，主要由高压储能电容，气体开关，充电电阻组成。为了方便单级fltd模块的串联组装，电容和开关的排布方式为圆周阵列型，电容的放电端口位于圆筒内侧，这种紧凑的排布使得其绝缘要求为高于100kv/cm的绝缘强度。和并联其独立工作时，封装于初级感应腔内，初级感应腔填充有绝缘环保气体和缓冲气体的混合气体，初级感应腔内的绝缘环保气体为c4f7n或c5f10o，缓冲气体为空气、氮气、二氧化碳或甲烷。

本发明公开了一种绝缘方法，包括以下步骤：

步骤1，利用缓冲气体对初级脉冲源的金属腔体进行若干次充放气完成洗气；

步骤2，将绝缘环保气体与缓冲气体按照预设比例混合，然后再充入金属腔体，直至金属腔体内的压力为1bar时停止充气。

如图2所示，本发明实施例公开了常压气体绝缘的实现方法示意图，气路的主要组成有金属腔体、用于抽气的真空泵、用于充气的配气装置以及监测金属腔体内部气压的压力表。金属腔体与真空泵相连，压力表测量金属腔体内部气压，并且将气压值以数字形式实时传送给控制台和配气装置，与腔体相连的配气装置分别于与绝缘环保气体、缓冲气体相连。实验操作流程为洗气、充气实现初级绝缘、进行脉冲放电实验、实验结束后放气。在正式向腔体内充混合绝缘气体前，需要利用缓冲气体多次向腔体进行充放气对腔体洗气，保证腔体内纯净。正式充气时，配气装置会将绝缘环保气体和缓冲气体按照设定比例均匀地混合，再充入金属腔体，直到压力表的监测值显示～1bar，停止充气。实验结束后放气，用真空泵将金属腔体内的混合绝缘气体抽出，进行回收循环使用。

如图3所示，本发明实施例公开了一种绝缘方法的气路系统，包括配气装置，所述配气装置包括混合气体缓存腔，所述混合气体缓存腔的两个入口分别连接绝缘环保气体罐和缓冲气体罐，出口连接金属腔体，洗气口连接第一真空泵5-1和；金属腔体的洗气口连接第二真空泵5-2。

具体的，所述绝缘环保气体罐与配气装置之间的管路上依次设置第一压力表1-1、第一阀门2-1、第一止回阀3-1以及第一流量计4-1；

所述缓冲气体罐与配气装置之间的管路上依次设置第二压力表1-2、第二阀门2-2、第二止回阀3-2、第二流量计4-2以及第六阀门2-6；

所述配气装置与金属腔体之间的管路上依次设置有第三阀门2-3、第三止回阀3-3以及第三流量计4-3；

所述配气装置的洗气口与第一真空泵5-1之间的管路上依次设置有第三压力表1-3、第四阀门2-4以及第四止回阀3-4；

所述金属腔体的洗气口与第二真空泵5-2之间的管路上依次设置有第五阀门2-5以及第五止回阀3-5；

所述第二流量计4-2与第六阀门2-6之间通过三通相连，三通的另一个出口通过第七阀门2-7连接至第三流量计4-3的出口处。

本发明的原理：

本发明面向的对象为初级脉冲源，包括marx发生器，单级fltd模块，多级串联的fltd源，这些初级脉冲源常被用作大型脉冲源的基本单元，通过传输线汇聚合流形成ma级脉冲电流。采用本发明的基于常压气体的气体绝缘方法将大幅提高装置的经济性和环保性。外绝缘方法是为了实现初级脉冲源的高压储能电容、开关、传输线等器件不发生除了电路连接以外电击穿，绝缘需求为在直流均匀场时的绝缘强度高于100kv/cm。本发明采用的是常压下的气体绝缘介质，常压下直流均匀场时的气体绝缘介质的绝缘强度高于100kv/cm；本发明采用绝缘环保气体与缓冲气体混合，在常温常压下处于气态。绝缘环保气体可以为c4f7n或c5f10o，其绝缘强度均高于sf6。缓冲气体可以为空气、氮气、二氧化碳或甲烷。常压绝缘气体与空气的混合比例满足绝缘强度高于100kv/cm。

实施例

参见图4和图5，本实施例绝缘气体c4f7n的液化温度与绝缘强度等物化特性，满足以上绝缘要求。

图4为c4f7n-n2混合气体分别在-5℃、0℃、20℃温度下不同混合比的混合气体的饱和蒸气压，结合antoine方程与气液平衡定律，见下式(1)～(4)

logp1＝a1-b1/(t+c1)(1)

logp2＝a2-b2/(t+c2)(2)

p1x＝py(3)

p2(1-x)＝p(1-y)(4)

空气中含有78％的n2，与c4f7n混合时，饱和蒸气压也与n2混合的计算结果相近。混合气体工作的气压若在曲线下方，则混合气体保持气态，反之气压高于或等于曲线上的值时，混合气体会液化。1bar-2bar为实际腔体内气压范围，为保证混合气体在-5℃下都不液化，c4f7n的比例不应超过50％，考虑一定的裕量，混合比应在0-50％内，这为控制系统在进行气体组分的动态调节提供了安全上下限的理论依据。

图5为c4f7n-co2混合气体在1bar—100％、2bar—20％、4.2bar—10％、6.4bar—8％、7.5bar—6％这五组气压环境、c4f7n气体混合比例条件下的直流均匀场绝缘强度实验结果。图中还显示了纯sf6在不同气压下的50％击穿场强作对比，由图可以得到气压为0.4bar纯c4f7n气体，击穿场强达100kv/cm；气压2bar下c4f7n比例为20％时，击穿场强达200kv/cm；气压低于～2bar时，混合气体的绝缘强度高于同等气压的纯sf6。由上可得，～20％的c4f7n的绝缘强度满足100kv/cm，并具有较好的经济性。

以上从需求、方法及应用控制三个方面论述了本发明方法的可靠性、优越性及可实现性，本发明的创新之处在于采用常压的绝缘环保气体和缓冲气体的混合气体替代目前金属腔体通常采用的变压器油或高压sf6气体绝缘，降低了金属腔体耐高气压的要求，取得良好的环境效应；此外与电力系统的应用环境不同，本发明利用fltd脉冲功率装置和marx等初级脉冲功率源一般工作在室内常温环境的特点，可采用较高比例的高沸点绝缘环保气体以满足气体气压选为常压的需要。

以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。