一种用于百千伏脉冲电压的绝缘油试验油杯的制作方法

本发明属于脉冲功率技术领域，涉及一种用于百千伏脉冲电压的绝缘油试验油杯。

背景技术：

在常见的电容型脉冲功率驱动源中，同轴脉冲形成线是最常用的高压储能、脉冲整形单元部件。脉冲形成线广泛使用变压器油、甘油、去离子水、电容器油、蓖麻油、乙二醇等绝缘油填充来进行绝缘、储能或脉冲整形。在脉冲形成线的设计过程中，需要根据绝缘油的油隙击穿数据获得绝缘油的击穿场强，从而进行冗余安全设计。

一般采用标准油杯对绝缘油进行耐压测试。参照图1，目前市场上常用的绝缘油标准油杯采用陶瓷杯体1，杯体壁对应两端安装有铜电极3，铜电极3的导杆为光杆，需要用紧定螺钉4来对铜电极3进行固定。铜电极的直径为25mm，电极间间距为2.5mm。通常耐压测试油杯主要用于高压、电力电气等行业，在实验时采用交流50/60Hz或者直流电压对油杯电极间隙进行慢充电，从而获得试验油耐压值。实验一般在常压环境下进行，且最高电压一般不超过80～100kV。

与以上测试条件不同的是，目前脉冲形成线的充电时间一般为10～100us量级，电压为几百kV～MV，绝缘距离也远大于2.5mm。

对于液体绝缘介质，击穿电场强度的公式近似表示为：其中，E_br为击穿场强，MV/cm；A为其电场与电极上最大电场的偏离不大于10％的那部分电极面积，cm²；t是有效时间，μs，定义为达到最大电场63％的时间，k为常数。由公式可以推知，绝缘油的油隙击穿电压与样品的大小、电极间隙及充电方式(脉冲充电耐压值更高)相关。当设计尺寸比测试样品大好几个量级时，其耐压数据的偏差较大。现有耐压测试油杯的电极盘直径和油隙间距过小，测试获得的击穿电压值过低，与形成线的实际尺寸或实际耐压环境缩比太大，因此，现有耐压测试油杯不能为大型高压脉冲形成线的设计提供有效可靠的数据支持。

技术实现要素：

本发明解决的问题在于提供一种用于百千伏脉冲电压的绝缘油试验油杯，该油杯可直接应用形成线提供的微秒级脉冲电压进行试验，电压可达几百kV。

本发明的技术解决方案是提供一种用于百千伏脉冲电压的绝缘油试验油杯，包括阴极、阳极和腔体，其特别之处在于：

上述阴极和阳极的端面外径均大于100mm；为了减弱电极端面外圆的电场增强，上述阴极端面和阳极端面均具有场强匀化环。

上述腔体为密封腔体，包括透明筒状绝缘外罩、通过可拆卸方式设置在透明筒状绝缘外罩两端的阴极盖板和阳极盖板，上述阴极设置在阴极盖板上；上述阳极设置在阳极盖板上；上述油杯腔体上设有阀门。

优选的，上述阴极和阳极端面外径与阴极和阳极之间的距离之比为10～20。

为了实现阴极和阳极良好的同轴，上述阴极具有阴极配合面和垂直定位环，上述阳极具有阳极配合面，上述阴极盖板具有第一配合面和第二配合面，上述阳极盖板具有第三配合面和第四配合面，上述透明筒状绝缘外罩两端的螺纹分别具有外罩配合面一和外罩配合面二；

上述阴极配合面和阴极盖板的第一配合面同轴配合；上述阳极配合面和阳极盖板的第三配合面同轴配合；上述外罩配合面一和外罩配合面二分别与阴极盖板的第二配合面和阳极盖板的第四配合面同轴配合。

为了调节两个电极之间的距离，上述阳极盖板和阳极之间还设置有可供阳极轴向移动的环形凹槽。

为了本发明油杯直接与驱动源的开关段电极连接，上述阳极与外界开关阳极的连接端设有电接触铜极。

上述的电接触铜极采用0.2～0.5mm厚的紫铜制成，端部为圆顶结构。

上述的阴极盖板和阳极盖板的材料为不锈钢或其他导电材料。

为了便于组装，上述阴极和阴极盖板通过螺纹连接；所述阳极和阳极盖板通过螺纹连接；所述阴极盖板、阳极盖板均通过螺纹与透明筒状绝缘外罩连接；所述透明筒状绝缘外罩的材料为有机玻璃。

本发明的有益效果是：

(1)本发明提供的用于百千伏脉冲电压的绝缘油试验油杯，采用长间隙大面积电极，耐压能力可高达600kV，从而可减小绝缘油的测试电压与实际工作电压的缩比，使耐压测试数据更加可靠有效。

(2)本发明提供的用于百千伏脉冲电压的绝缘油试验油杯，可以安装到电容型脉冲功率驱动源的开关段进行实验，由于其直接应用形成线充电的微秒级脉冲电压进行实验，因此得到的实验结果对于驱动源的绝缘设计参考价值更高。

(3)本发明提供的用于百千伏脉冲电压的绝缘油试验油杯，油杯为密封结构，油罩内外可承受压差，可以对油杯抽真空再注入绝缘油，也可注入高压氮气等绝缘气体，进行高压气体下的绝缘油耐压测试。

(4)本发明提供的用于百千伏脉冲电压的绝缘油试验油杯，阴极盖板和阳极盖板均采用金属制作，其与驱动源的开关段电极相连接，可直接将脉冲电压引入，省去了电压引入的电线连接等环节。

(5)本发明提供的用于百千伏脉冲电压的绝缘油试验油杯，阴极和阳极之间的距离易于调节，可进行不同尺寸的长间隙绝缘性能测试，将不同间隙下的实验数据进行相互对比修正，以获得更加准确的绝缘油耐压值，该油杯电极间隙调节范围为7～15mm。

(6)本发明提供的用于百千伏脉冲电压的绝缘油试验油杯，在透明筒状绝缘外罩两端设计有外罩配合面，是为了实现阴极盖板和阳极盖板的高精度同轴，阴极通过阴极配合面与阴极盖板实现同轴，阳极通过阳极配合面与阳极盖板实现同轴，从而最终实现阴极与阳极的良好同轴，以避免阴极和阳极不同轴对电场分布的影响，确保耐压测试结果的准确性。

(7)本发明提供的用于百千伏脉冲电压的绝缘油试验油杯，阳极与开关阳极板采用接触式软连接的方式，装拆方便。

附图说明

图1为现有技术中常用标准油杯的结构示意图；

图2为本发明的结构示意图；

图3为本发明安装到驱动源中开关段的结构示意图；

图4为本发明阴极与阴极盖板配合面处的局部图；

图5为本发明阳极与阳极盖板配合面处的局部图；

图6为本发明阴极盖板与有机玻璃外罩配合面处的局部图。

其中，1-陶瓷杯体，2-电极座，3-铜电极，4-紧定螺钉；5-阴极密封圈，6-阴极盖板，7-外罩密封圈一，8-阴极，9-阳极，10-透明筒状绝缘外罩，11-外罩密封圈二，12-阳极盖板，13-下阀门，14-电接触铜极，15-阳极密封圈，16-上阀门，17-形成线外筒，18-绝缘支撑板，19-开关段外筒，20-支撑板，21-传输线外筒，22-开关阴极，23-开关阳极；601-第一配合面，602-第二配合面；801-阴极配合面，802-垂直定位环，803-阴极端面，804-场强匀化环一；901-阳极配合面，902-阳极螺纹，903-阳极端面，904-场强匀化环二；1001-外罩配合面一，1002-外罩配合面二；1201-第三配合面，1202-环形凹槽，1203-第四配合面。

具体实施方式

下面结合附图及具体的实施例对本发明做进一步的详细说明。

参见图2，本发明油杯，包括阴极8、阳极9、透明筒状绝缘外罩10、阴极盖板6、阴极密封圈5、外罩密封圈一7、外罩密封圈二11、阳极盖板12、阳极密封圈15、电接触铜极14、上阀门16、下阀门13。透明筒状绝缘外罩10为圆筒形，阴极盖板6、有机玻璃外罩10和阳极盖板12组成一个封闭油杯腔体，阴极盖板6和阳极盖板12通过螺纹固定在透明筒状绝缘外罩10两端，并在透明筒状绝缘外罩10两端分别通过外罩密封圈一7和外罩密封圈二11进行密封。阴极8与阴极盖板6为螺纹连接，阳极9与阳极盖板12为螺纹连接。阳极盖板12上设有上阀门16和下阀门13，这两个阀门的作用有两点：一是可以用于绝缘油的注入和排出，二是可以对油杯进行抽真空或注入高压气体。

参照图2，阳极9右端连接有电接触铜极14，电接触铜极14采用0.2～0.5mm厚的紫铜或其他良好导电材料制成，端部为圆顶结构，具有一定的弹性。

参照图3，所述的油杯作为整体通过阴极盖板6上的螺纹固定在外界开关阴极上，将形成线电压引入。当脉冲功率驱动源的开关段外筒拆开时，油杯安装在开关阴极上，阳极9为悬空；当开关段外筒与传输线部分闭合连接时，阳极9与开关阳极通过电接触铜极14进行电连接，电接触铜极14端部可被压缩，与开关阳极为接触式软连接，从而方便开关段外筒的连接，并保证了阳极与开关阳极的良好电接触。

具体地，参照图2和图4，阴极8与阴极盖板6采用螺纹连接，而螺纹连接无法实现较高的同轴度，因此，阴极8上有阴极配合面801，其与阴极盖板6上的第一配合面601通过高精度配合关系进行同轴配合，以实现阴极8与阴极盖板6的良好同轴；两配合面处用阴极密封圈5进行密封；阴极8为固定安装，前后不可移动；阴极8上还设有垂直定位环802，其作用是为了确保阴极引杆与阴极盖板6保持良好的垂直度，垂直定位环802与阴极盖板6接触的端面要平齐。

参照图2和图5，阳极9与阳极盖板12亦采用螺纹连接，无法实现较高的同轴度。因此，阳极9上也设计有阳极配合面901，其与阳极盖板12上的第三配合面1201通过高精度配合关系进行同轴配合，以实现阳极9与阳极盖板12的良好同轴；两配合面处用阳极密封圈15进行密封；阳极9可通过阳极螺纹902进行前后移动，调节两电极间间距，该油杯中两电极间距范围为7～15mm；阳极盖板12上有环形凹槽1202，以便给阳极9前后调节时留出移动空间。

阴极8和阳极9均为大面积电极，阴极端面803和阳极端面903外径在100mm以上，属于大面积电极。电极外径与电极间距之比为10～20。阴极端面803上有场强匀化环一804，阳极端面903上有场强匀化环二904，以减弱电极端面的电场增强。

参照图2和图6，所述的阴极盖板6和阳极盖板12均通过螺纹固定在透明筒状绝缘外罩10上，为了实现阴极盖板6和阳极盖板12的高精度同轴，透明筒状绝缘外罩10两端的螺纹分别带有外罩配合面一1001和外罩配合面二1002，外罩配合面一1001与阴极盖板6上的第二配合面602进行配合连接，外罩配合面二1002与阳极盖板12上的第四配合面1203进行配合连接；此外，阴极8通过阴极配合面801与阴极盖板6实现同轴，阳极9通过阳极配合面901与阳极盖板12实现同轴，从而最终实现阴极8与阳极9的良好同轴；通过垂直定位环802确保阴极8的垂直度，通过较长的配合面来确保阳极9的垂直度，从而最终实现阴极端面803与阳极端面903的平行度。通过各级高精度配合面和垂直定位环，实现阴极端面和阳极端面的良好同轴和平行，以避免不同轴或不平行对电场分布的影响。

阴极盖板6和阳极盖板12的材料为不锈钢或其他导电材料，即作为结构件与驱动源的开关段电极相连接，也作为电压引入线直接将脉冲电压引入，省去了电压引入的电线连接等环节。