一种放电功率可调的高压电容器准恒功率放电装置的制作方法

本发明属于大功率放电装置技术领域，具体而言涉及一种放电功率可调的高压电容器准恒功率放电装置。

背景技术：

高压电容器在高功率脉冲调制器、电磁轨道炮、高功率激光等领域有着广泛的应用。对于高能量高压电容器，目前其充电电压已达数十千伏，储存能量达到数十千焦。当应用该类电容器的装置在充电完成后，如果电容器能量没有通过后续的调制器、激光器或是轨道炮等负载正常放电，而需要提前泄放储存的能量时，需要采用放电装置。由于泄放的能量较大、放电电压较高，一般采用多个固态电阻串并联后作为放电电阻进行放电，但该种情况下，需要电阻数量较多，放电装置的体积、重量较大；也可采用水电阻作为放电电阻进行放电，水电阻具有较大的功率容量，因此体积紧凑、重量轻，但也存在一个问题，目前的水电阻放电装置阻值无法在线调节，导致放电功率初始时很大，而随着电容器电压的降低，在放电后期，放电电流明显变小，能量泄放时间显著增加。因此如何在装置体积紧凑、重量轻的要求下，提高放电装置的平均放电功率，尤其是放电后期的放电功率，进而提高电容器系统的工作效率，是该类放电装置实际应用中的一个迫切需求。

技术实现要素：
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本发明的目的在于，针对上述问题，提出一种放电功率可调的高压电容器准恒功率放电装置，所述装置的放电电阻采用阻值可调节的液体电阻，放电过程分为几个时间阶段，在每个阶段开始时将放电电阻调节到指定数值，实现整个放电时间内放电功率近似保持不变，大大缩短放电时间，提高高功率电容器系统的工作效率。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：一种放电功率可调的高压电容器准恒功率放电装置，所述放电装置包括高压放电端1、有机玻璃外筒2、放电电阻3、低压放电端4、温度补偿气囊5、金属可移动拉杆6、液体电阻密封板7、密封圈压板8、低压放电端接地点9、可移动绝缘支撑10、液体电阻调节手柄11、绝缘支撑筒12；所述高压放电端1为一个带有金属尖端的圆柱形金属帽，其一端加工有螺纹，可旋入有机玻璃外筒2，起到导电和密封的作用；所述有机玻璃外筒2为一个圆柱筒，其内盛放有液体电阻溶液，作为放电电阻3；所述低压放电端4为一个圆柱形活塞，在其圆周边缘沿轴向开有N个小孔，N≥3，圆柱形活塞可以沿着有机玻璃外筒2的内壁滑动，在活塞移动时液体电阻溶液可通过小孔沿着活塞两边自由流动，起到调节放电电阻3阻值的作用；所述温度补偿气囊5为一个位于低压放电端4内部的圆柱形空腔，所述圆柱形空腔通过在低压放电端4面朝高压放电端1一侧端面开有的小孔供液体电阻溶液出入，当放电电阻3温度发生变化时，通过温度补偿气囊5内空气的热胀冷缩缓解放电装置内部的压力，提高装置工作可靠性；所述金属可移动拉杆6一端与低压放电端4连接，另一端穿过液体电阻密封板7中心的开孔后与可移动绝缘支撑10连接，所述可移动绝缘支撑10为一个带有前端支撑凸台的圆柱形活塞，安装在绝缘支撑筒12内，与液体电阻调节手柄11连接，所述可移动绝缘支撑10前端支撑凸台用于固定金属可移动拉杆6，同时确保金属可移动拉杆6与液体电阻调节手柄11之间有足够的绝缘安全距离；所述液体电阻密封板7用于密封有机玻璃外筒2内的液体电阻溶液，同时起到连接有机玻璃外筒2和绝缘支撑筒12的作用；在所述液体电阻密封板7中心的开孔靠近绝缘支撑筒12的一侧安装有密封圈，并通过密封圈盖板8压紧，确保液体电阻溶液不会通过液体电阻密封板7中心的开孔渗漏入绝缘支撑筒12内；所述绝缘支撑筒12为一个一端封闭，一端开口的圆柱筒，开口一侧与液体电阻密封板7连接，在所述绝缘支撑筒12的侧壁沿着轴向开有一道切口槽，所述液体电阻调节手柄11通过所述切口槽伸出绝缘支撑筒12并可沿所述切口槽顺着放电装置的轴向移动，同时通过金属可移动拉杆6带动低压放电端4移动，实现放电电阻3的调节；在金属可移动拉杆6靠近液体电阻调节手柄12的一端设置有接地点9,外接地线穿过切口槽与接地点9连接。

优选的，所述高压放电端1、低压放电端4、金属可移动拉杆6采用的材料为铜或铝等电的良导体。

优选的，所述有机玻璃筒2外侧设置有调节放电功率的刻度，所述刻度按放电时间和放电电阻阻值标注，每隔一段时间可将低压放电端4调节至下一刻度，以保证将放电功率近似为恒定值。

优选的，当电容器电容C＝10mF，电电压为U₀＝5kV时，有机玻璃筒2外侧的刻度按放电时间标注为20s、40s、60s、80s、90s、100s，对应的阻值分别为20kΩ、14.3kΩ、8kΩ、2.7kΩ、300Ω和2Ω。

优选地，放电电阻3采用的液体电阻溶液采用去离子水和乙二醇混合液，使其具有良好的低温性能。

本发明基于以下原理：电容器储存的能量通过高压放电端1和低压放电端4之间的液体放电电阻3进行能量泄放，在放电初始时低压放电端4位于靠近绝缘支撑筒12一侧，此时放电电阻的阻值较大，在放电后期随着电压的降低，放电电阻也应逐步调节降低，通过推拉液体电阻调节手柄11使低压放电端4向着高压放电端1的一侧移动以减小放电电阻3的阻值，提高放电后期的放电功率，进而实现整个放电过程中放电功率基本恒定。

本发明的技术方案具有以下优点：

⑴放电装置功率可调节，实现准恒功率放电；

⑵放电装置设有温度补偿气囊，可以克服温度变化造成放电装置内部压力的变化，提高装置工作可靠性；

⑶放电装置外侧标有放电时间和放电阻值调节刻度，使用过程中直观、明了；

⑷放电装置结构简单，设计、制造、安装方便，放电效果良好。

附图说明

图1是本发明放电功率可调的高压电容器准恒功率放电装置结构图；

图2是本发明放电功率可调的高压电容器准恒功率放电装置三维等轴剖视图；

图3是实施例中本发明所述装置与现有装置放电功率随时间变化对比图；

图4是实施例中本发明所述装置与现有装置电容器剩余电压随时间变化对比图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。

具体实施方式，参见图1和图2，当已经充满电的电容器在使用过程中，因后续负载装置无法工作，需要能量泄放时，将该准恒功率放电装置的高压放电端1与电容器高压端相搭接，此时电容器上能量通过高压放电端1经放电电阻3后，再经低压放电端4对地泄放能量。其中低压放电端4通过金属可移动拉杆6上的接地点9与地电位连接。当放电一段时间后，电容器上电压降低，放电速度减缓，此时通过液体电阻调节手柄11带动金属可移动拉杆6及与其相连的低压放电端4，使其在有机玻璃外筒2内部向高压放电端1移动，在低压放电端4圆周边缘沿轴向开有4个通孔，保证在轴向移动过程中液体电阻溶液可在其两端自由流动，从而实现降低高压放电端1和低压放电端4两者之间电阻，提高放电功率的目的；当电容器上电压逐步降低，可逐步减小高压放电端1和低压放电端4之间的电阻，在放电最后阶段由于能量很小，放电功率降低，但整个放电过程中基本上是恒功率放电，故称为准恒功率放电。

下面以具体例子说明，假设对C＝10mF电容器，充电电压为U₀＝5kV，分别利用电阻不变的放电装置和本发明的准恒功率放电装置进行能量泄放，选用初始放电电阻为r₀＝20kΩ。

放电电阻不变情况下，放电功率可根据下式计算：

本发明情况下，将时间分为0～t₁，t₁～t₂，…，t₅～t₆六个时间段，每个时间段起始时刻电阻分别为R₁、R₂、R₃、R₄、R₅、R₆，根据公式计算各个放电时间段内的平均功率为：

本实施例中，选取准恒功率放电装置六个调节电阻值R₁～R₆分别为20kΩ、14.3kΩ、8kΩ、2.7kΩ、300Ω和2Ω，对应的时间点t₁～t₆分别是20s、40s、60s、80s、90s、100s，将六个时间点和六个电阻值作为刻度标记在液体电阻调节手柄的需要移动到的相应位置处，得到的恒功率放电装置与普通装置的放电功率对比图如图3所示，可以看出采用本发明装置在能量充足情况下，前80s放电功率基本保持不变，约为1130W，为准恒功率放电；而现有放电装置放电功率呈指数衰减，放电较慢。

电容上剩余电压对比如图4，采用本发明装置放电100s后电容器上电压已经降为0，而现有装置放电500s后电容器上仍有残留电压，可见采用本发明所述装置的放电效率有了很大的提高。

最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。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。

本发明所述高压电容器准恒功率放电装置，由于采用大功率液体放电电阻、放电功率可调节设计，将原有的放电功率随时间指数衰减的放电装置，优化更改为现有的放电功率为准恒功率的放电装置，大大缩短了放电的时间。同时放电装置中，设计有温度补偿气囊，克服温度变化形成的热胀冷缩对放电装置的影响；放电装置有保证准恒功率放电的刻度设计，参照刻度将放电分不同时间阶段，根据计算结果分别有针对的对放电电阻调节。该放电装置结构简单、设计合理、使用方便，对于大功率电容器系统工作效率的提高有重要意义。