用于气绝缘脉冲功率源的固态柔性电阻的制作方法

本发明涉及脉冲功率驱动源领域，具体涉及一种用于气绝缘脉冲功率源的固态柔性电阻。

背景技术：

Marx发生器和直线变压器驱动源等常用脉冲功率驱动源，均包含大量的电阻元件。例如，作为给多个并联支路脉冲电容器或脉冲电容器组充电的隔离电阻、给气体开关触发的限流电阻、电阻分压器的高压臂电阻、驱动源假负载吸能电阻等，这些电阻往往需要承受数千到数百千伏的脉冲高电压和较大峰值功率，由于尺寸和空间的限制，市场上普通的膜电阻和线绕电阻难以满足要求。

基于以上要求，目前应用较为广泛的是一种将电解质溶液装入绝缘管，绝缘管两端通过电极封装制作的液体电阻。液体电阻是依靠溶解在液体中的电解质离子导电，一般电解质离子有NaCl、NH4Cl、CuSO2等，液体可以为水溶液或者其他溶剂。液体电阻通过调节液体电阻率和封装溶液的绝缘骨架内部尺寸来调整电阻的阻值，具有结构简单、制造成本低等优点。同时，由于液体的比热容相对较大，液体电阻还具有耐压高、能够承受高电压大电流脉冲、电感小以及功率容量高等特点。但是液体电阻在实际应用中也存在着诸多缺点。首先，电解质溶液电阻的阻值不稳定，其电阻率易受到温度变化影响，尤其是电阻率越低则阻值相对变化越大。长期运行后，封装电极与电解质溶液发生作用，使电阻溶液变质并产生悬浮物，悬浮物也会对溶液电阻率产生影响；其次，电解质溶液电阻在运行过程中容易产生气泡，导致电阻两端电极沿着气泡发生沿面放电，或者电阻一端电极脱离与溶液接触而失效，而一旦电阻溶液发生泄漏，溶液混入作为外绝缘介质的变压器油或者SF6气体中，使绝缘介质的绝缘特性严重下降，威胁驱动源的绝缘安全。

FLTD作为一种脉冲功率源新技术在Z箍缩、闪光照相等领域具有重要应用前景，是国内外脉冲功率的研究热点。在近发展20余年，美国圣地亚国家实验室(SNL)针对油绝缘直线变压器驱动源(FLTD)的充电隔离电阻做了大量研究，并联支路之间的充电隔离电阻先后采用电解质液体电阻、固体体电阻、金属膜电阻和绕线电阻等。其中，电解质液体电阻易产生气泡、渗漏等问题，需要定期更换；固体电阻(体电阻、膜电阻和绕线电阻)易碎裂，故障发生频次高，严重影响FLTD工作可靠性。为解决充电隔离电阻故障频次高，不能实现免维护的难题，2018年美国SNL经过研究，提出了一种柔性高压电阻制作方法，参见专利“solid-state resistor for pulsed power machines(US9514864B2)”，该电阻是由数个高压绕线电阻串联成链并封装在装有变压器油中的聚乙烯管中，两端封装电极。变压器油经过多次深度过滤以保证聚乙烯管中的油去除气泡与杂质，绝缘强度要高，该电阻可代替传统的电解质溶液电阻，且阻值稳定，放电5000次以上没有发生故障和性能下降，基本实现了充电隔离电阻的免维护。但是该电阻制作工艺复杂、多个电阻串联焊接容易出现尖端，安装不方便，其绝缘可靠性受到聚乙烯管中油质的影响，而且不适合用于气绝缘脉冲功率源。

技术实现要素：

本发明的目的是解决现有电隔离电阻的阻值不稳定、故障频次高、可靠性差以及不能实现免维护的问题，提出一种用于气绝缘脉冲功率源的固态柔性电阻，其核心是将一定电阻率的导电橡胶条绕制在柔性绝缘管上，形成螺旋状，构成电阻和电感串联，作为并联电容器之间的隔离元件，充电时仅电阻起作用，电阻值可适当减小，减少电阻上能量损耗和不同支路之间电容充电电压差别；多支路放电时，电感电阻串联增大电容器之间的阻抗，更好实现支路间电容的隔离作用。

本发明的技术解决方案如下：

一种用于气绝缘脉冲功率源的固态柔性电阻，包括导电橡胶条、柔性绝缘管、屏蔽电极、连接端子和插头；所述柔性绝缘管的外表面设置有螺旋线槽，且两端管壁上设置有通孔；所述导电橡胶条缠绕在柔性绝缘管表面的螺旋线槽中，且其两端分别穿过通孔伸入柔性绝缘管的腔体内，伸入柔性绝缘管腔体内的导电橡胶条分别通过连接端子与插头电连接；所述屏蔽电极设置在连接端子外侧，用于对电连接处进行绝缘设置。

进一步地，所述连接端子为黄铜管，所述黄铜管的一端套装在导电橡胶条上，且通过压线钳压紧，黄铜管的另一端插入插头内孔内，并通过螺钉固定。

进一步地，所述屏蔽电极沿轴线方向设置有台阶孔，所述柔性绝缘管插入台阶孔的大孔内，所述插头插入台阶孔的小孔内，并通过顶丝固定。

进一步地，所述柔性绝缘管采用聚氯乙烯或聚氨酯制作。

进一步地，所述插头为香蕉插头。

进一步地，所述导电橡胶条的截面为圆形或者方形。

进一步地，所述螺旋线槽的截面尺寸与导电橡胶条的直径相同。

进一步地，所述导电橡胶条以炭黑、石墨、碳纳米管、金属粉末或金属纤维为导电剂。

进一步地，所述屏蔽电极为外表面抛光并圆滑过渡的套筒。

本发明与现有技术相比，有益效果是：

1.本发明提供的固态柔性电阻将导电橡胶条在柔性绝缘管上绕制成螺旋电感，构成电阻和电感串联，作为并联电容器之间的隔离元件，充电时仅电阻起作用，电阻值可适当减小，且阻值稳定，减少电阻上能量损耗和不同支路之间电容充电电压差别；多支路放电时，电感电阻串联增大电容器之间的阻抗，更好实现支路间电容的隔离作用。

2.本发明电阻体为全固态柔性材料，电阻可靠性高、免维护、制作成本低，且可用于气体绝缘的脉冲功率驱动源中。

3.本发明电阻结构紧凑，组装简便，采用香蕉插头的插拔式接口与其他元件连接方便。

附图说明

图1是本发明用于气绝缘脉冲功率源的固态柔性电阻结构示意图；

图2是本发明用于气绝缘脉冲功率源的固态柔性电阻剖面图。

附图标记：1-导电橡胶条，2-柔性绝缘管，3-屏蔽电极，4-连接端子，5-插头。

具体实施方式

本发明提供一种用于脉冲功率系统中能够耐受脉冲高压冲击的全固态柔性电阻，一般用在以气体作为绝缘介质的高压脉冲驱动源中，作为多个并联支路之间电容充电的隔离电阻。该电阻是一种结构紧凑的全固态柔性高压电阻，其核心是将一定电阻率的导电橡胶条绕制在柔性绝缘管上，形成螺旋状，构成电阻和电感串联，作为并联电容器之间的隔离元件，充电时仅电阻起作用，电阻值可适当减小，减少电阻上能量损耗和不同支路之间电容充电电压差别；多支路放电时，电感电阻串联增大电容器之间的阻抗，更好实现支路间电容的隔离作用。

如图1和图2所示，一种用于气绝缘脉冲功率源的固态柔性电阻，包括导电橡胶条1、柔性绝缘管2、屏蔽电极3、连接端子4和插头5；柔性绝缘管2的外表面设置有螺旋线槽，且两端管壁上设置有通孔；导电橡胶条1缠绕在柔性绝缘管2表面的螺旋线槽中，且其两端分别穿过通孔伸入柔性绝缘管2的腔体内，伸入柔性绝缘管2腔体内的导电橡胶条1分别通过连接端子4与插头5电连接；屏蔽电极3设置在连接端子4外侧，用于对电连接处进行绝缘设置，具体的，屏蔽电极3沿轴线方向设置有台阶孔，柔性绝缘管2插入台阶孔的大孔内，插头5插入台阶孔的小孔内，并通过顶丝固定。

连接端子4具体可采用黄铜管，黄铜管的一端套装在导电橡胶条1上，且通过压线钳压紧，黄铜管的另一端插入插头5内孔内，并通过螺钉固定，插头5具体可采用香蕉插头，采用香蕉插头的插拔式接口与其他元件连接方便。

本发明采用导电橡胶作为电阻材料，其导电原理是在橡胶材料中加入均匀分布的导电剂，使其在橡胶形成链状或者网状的导电通路。根据不同电阻率的要求，导电剂有炭黑、石墨、碳纳米管等碳类材料或者金属粉末、金属纤维等金属材料，其体电阻率500-20kΩ/m的调节范围，导电橡胶截面可为圆形或者方形。

柔性绝缘管2采用软质的聚氯乙烯或者聚氨酯等绝缘管材，以实现绕线螺旋状电阻体的柔性可弯曲。柔性绝缘管2上刻有均匀分布的螺旋线槽，螺旋线槽的截面尺寸与导电橡胶条1直径基本相同，用于缠绕导电橡胶条1，螺旋线匝间距和匝数由需要的电阻阻值和承受的脉冲电压确定。柔性绝缘管2螺旋线槽端部开有通孔，导电橡胶条1沿线槽缠绕在柔性绝缘管2上，并穿过线槽两端的通孔由柔性绝缘管2中心孔伸出，由此导电橡胶条1构成一个螺旋状电感，其电感值由螺旋线的直径、匝间距和匝数确定，电阻由橡胶绳体电阻率、直径和绕制螺旋电感的橡胶绳总长度确定。

连接端子4与导电橡胶条1两端可靠电气连接，屏蔽电极3用于防止高压充电时连接端子4电晕放电，香蕉插头5便于与其他电极可靠牢固插接。连接端子4为内径稍大于导电橡胶条1直径的黄铜管，黄铜管套入导电橡胶条1两端，并利用压线钳压紧以实现良好电气接触，连接端子4分别插入香蕉插头5的孔内并用螺钉固定。屏蔽电极3为金属材料，轴线方向开有台阶孔，用于实现电阻主体固定，大孔用于插接柔性绝缘管2，小孔侧面有螺纹孔，利用顶丝固定香蕉插头5，顶丝沉入孔内以保证电极外表面光滑。

如图1所示为一种用于200kV气体绝缘直线变压器驱动源(FLTD)并联支路充电隔离的全固态柔性电阻。该电阻采用以炭黑为导电剂的导电橡胶作为电阻材料。导电橡胶条直径3mm，体电阻为20k欧姆每米。柔性绝缘管为聚氨酯管，内径11mm，外径16mm，长173mm。柔性绝缘管上刻有直径3mm，螺距6mm，圆周直径16mm的螺旋槽，螺旋匝数为22匝。导电橡胶条均匀缠绕在螺旋槽内，并由柔性绝缘管两端引出。屏蔽电极为铝合金材料，外径22mm。为了防止耐受直流高压时产生电晕，屏蔽电极外表面抛光并圆滑过渡，柔性绝缘管两端分别插入到个屏蔽电极中，利用电桥测量组装完毕的高压电阻，阻值为25k欧姆，电感值约为2uH。

在直线变压器驱动源(FLTD)中对充电隔离电阻的脉冲电压冲击最严重的情况是：一个开关自放电，其他已充满电的电容器沿着充电隔离电阻与该开关构成放电回路。此时相当于100nF电容器充电100kV对电阻放电，电阻所承受的单脉冲能量为500J。模拟实验表明该电阻经过150次相同能量放电后，电阻阻值变化小于7％，未发现电阻损坏以及沿面放电等异常现象。