内插式薄膜电容分压器的制作方法

本发明涉及脉冲功率技术领域，特别涉及一种薄膜电容分压器。

背景技术：

脉冲功率源的测量系统在整个脉冲功率源的调试阶段以及后续运行阶段中占有重要地位，建立正确的测量系统是评估脉冲功率源性能的主要依据。

脉冲功率源的测量系统包括电压和电流测量两方面，对电压进行测量的常用手段包括电阻分压器、电容分压器以及阻容混合分压器。参照图1，电容分压器一般由一大一小两个电容串联而成；大电容(C₂)作为低压臂电容，一般由双面挠性覆铜箔(两层铜箔中间夹一层聚酰亚胺薄膜)构成，小电容(C₁)作为高压臂电容，一般由待测结构的高压电极与覆铜箔构成。参见图2，电缆头与覆铜箔之间的电连接一般采取如下方式：电缆头内芯5从电缆孔穿出，并穿破双面挠性覆铜箔2，高出覆铜箔1～2mm，再通过焊锡将覆铜箔2与电缆头内芯5焊为一体，焊点外形一般为3～5mm的半球形。由于电容分压器的高压臂电容主要用于耦合电气设备高压电极上的电压，所以焊点的存在可视为一个电场增强结构，产生电场增强效应，影响到分压器的最大耐受电压及分压器的整体可靠性。

技术实现要素：

为了解决现有电容分压器与电缆接头内芯连接时的电场增强问题，本发明提供一种内插式薄膜电容分压器。

本发明所提供的内插式薄膜电容分压器，包括金属箔，所述金属箔设置在筒体的内表面，其特殊之处在于：

所述电容分压器除金属箔之外还包括插接结构、介质膜及四氟衬套；

所述插接结构位于筒壁的开孔之中，插接结构的外轮廓分大小两段，大段的端面与金属箔焊接，所述插接结构的小段由N个插接瓣组成，N个插接瓣沿圆周排列，N个插接瓣的中心形成能够加持电缆头内芯的中心孔，N≥2；

所述四氟衬套位于插接结构与筒体之间，用于金属箔与筒壁之间的电气绝缘；

所述介质膜位于金属箔与筒体之间，用于形成薄膜电容器。

以上为本发明的基本结构，基于该基本结构，本发明还做出以下优化限定：

优化的，本发明的插接结构外轮廓分大小两段，与金属箔焊接的一段为插接结构的大段，所述四氟衬套的内孔沿衬套轴向依次包括与插接结构大段匹配的第一内孔、与插接结构小直径段匹配的第二内孔、与电缆绝缘套匹配的第三内孔。将插接结构的外轮廓设计为大小两段，目的是保证插接结构与金属箔焊接时具有较大的接触面积，同时还有利于插接结构在衬套中的固定。插接结构的外轮廓还可以设计为倒圆台型，圆台大圆面与金属箔焊接，圆台小圆面面向电缆头。

优化的，本发明的插接结构的小直径段设置有开口面朝向电缆头的喇叭口，用于保证当电缆头内芯与插接结构中心孔不同心时能够顺利插接。

优化的，插接瓣的数量为4个，4个插接瓣圆周均布。如果插接瓣较少，则不利于插接结构加持电缆头内芯，如果插接瓣较多，则不利于插接结构的加工。综合考虑，选插接瓣的数目为4。

进一步优化的，本发明的金属箔为钛箔。原因是钛材料的金属逸出功高且耐电子轰击。

进一步优化的，本发明衬套为四氟衬套。

进一步优化的，本发明的介质膜相对金属箔四周留边，距离5～10mm。保证金属箔与筒壁之间不发生沿面闪络。

进一步优化的，本发明的四氟衬套外径小于筒体内径0～0.1mm。保证衬套较为顺利低插入筒壁的开孔之中。

再进一步的，本发明的插接结构其中心孔的孔径比电缆头内芯的外径小0～0.1mm，以保证插接结构对电缆头内芯具有一定的加持力，进而保证电连接可靠。

本发明与现有技术相比，有益效果是：

(1)本发明的电容分压器采用插接结构实现金属箔与电缆头内芯的电连接，消除了现有金属箔与电缆头内芯焊接所产生的金属焊点，克服了由焊点所引起的场增强效应，进而提高了分压器的整体可靠性；

(2)本发明中，金属箔与电缆头内芯采用插接结构进行电连接，因而分压器具有可以反复拆装的优点；

(3)当金属箔的材质为钛时，由于钛材质的电子逸出功高，所以该类型分压器还可以工作于以真空、气体为绝缘方式的环境中。

(4)本发明的感应电极由双面挠性覆铜箔变化为“金属箔”的优点是金属箔材料可以替换，比如金属钛；而双面挠性覆铜箔的金属仅为铜，不能替换。

附图说明

图1为一般电容分压器的等效电路图；

图2a为现有电容分压器与电缆头的连接结构侧视图；

图2b为现有电容分压器与电缆头的连接结构俯视图；

图3为内插式薄膜电容各组成部件结构示意图；

图4为金属箔、介质膜、插接结构及衬套的装配图；

图5为金属箔、介质膜、插接结构、衬套在筒体上的装配图；

图6为本发明内插式薄膜电容分压器与电缆头的连接装配图；

图7为图6的俯视图。

图8为应用在一个同轴高压真空二极管上的内插式薄膜电容分压器。

其中附图标记为：C₁-高压臂电容，C₂-低压臂电容；R-采样电阻；u_i-输入电压；u_o-输出电压；1-金属焊点；2-双面挠性覆铜箔；3-筒壁；4-电缆头外壁；5-电缆头内芯；6-电缆头绝缘衬套；7-四氟衬套；8-插接结构；9-金属箔；10-介质膜；11-同轴线内导体；12-同轴线外导体；13-绝缘支撑；14-内插式薄膜电容分压器。

具体实施方式

鉴于现有工艺薄膜电容分压器的缺点，提出了内插式薄膜电容分压器，基本思路是通过内插方式实现电缆头与分压器之间的电连接，以下结合实施例、附图对本发明作进一步描述。

如图2-8所示，内插式薄膜电容分压器由四氟衬套7、插接结构8、金属箔9、介质膜10四部分组成，金属箔9的外表面没有焊点，内表面焊有一个插接结构8，电缆头内芯5是通过插接结构8来实现与金属箔9的电连接的。四氟衬套7、插接结构8、金属箔9、介质膜4几部分的连接顺序为：金属箔9粘贴于介质膜10，介质膜10粘贴于筒壁3，插接结构9底端焊接于金属箔9，四氟衬套7套于插接结构8之上，并连同插接结构8一同插入筒壁3的开孔之中。

结合图2-6，对内插式薄膜电容分压器的制作工艺有如下几方面要求：

(1)插接结构8的孔径要比电缆头内芯5的外径略小(小～0.1mm)，以保证插接结构8与电缆头内芯5的电连接可靠；

(2)介质膜10中间挖孔，孔径在四氟衬套7的外径与插接结构8底盘的外径之间，同时介质膜10相对金属箔9四周留边，距离5～10mm，以保证金属箔9与筒壁3之间不发生沿面闪络；

(3)四氟衬套7的外径比电缆座预留孔的内径略小(小～0.1mm)，以保证四氟衬套7能够嵌于电缆座预留孔内；

(4)四氟衬套7的第二、第三部分的截面为“凹”型，与电缆头的“凸”型相配，以保证电缆孔内的电气绝缘。

请结合本发明的内插式薄膜电容分压器的结构介绍本发明的分压器的分压原理。

结合图8所示的同轴高压真空二极管，内插式薄膜电容分压器的原理如下：当真空二极管的内导体加上高压时，粘贴于真空二极管外导体内表面的薄膜电容分压器会感应到电荷，电荷累积形成电压。感应电压通过电缆头及电缆引出，再连入一台示波器，进而可监测高压设备上的电压。感应电压幅值与薄膜电容器的电容值以及待测高压设备结构有关。一般情况下，电容分压器上的感应电压幅值正比于待测电压幅值。在应用电容分压器之前，需要事先标定或者计算出这个比例系数(这个比例系数称之为分压比，为待测电压u_i与示波器显示电压u_o之比，一般用β表示)。在得知分压比的前提下，如果测得示波器上的电压幅值u_o，u_o通过与分压比相乘，便可得知高压设备上的真实电压u_i。

再以图8中的同轴高压真空绝缘子为例，该设备的同轴线外导体12内径350mm，同轴线内导体11外径170mm，耐受电压500kV，采用真空为绝缘介质。

设备中安装了内插式薄膜电容分压器：外形如图7所示，内插式薄膜电容分压器各部件设如下：

(1)金属箔选0.05mm的钛箔，宽度50mm、长110mm、四角导25mm圆；

(2)介质膜为聚酰亚胺材质，双面带胶，厚0.05mm，介电常数3.5；介质膜外形也设计为跑道型，相对金属箔四周留边5mm；介质膜中心挖孔，孔径3.0mm，介于四氟衬套外径3.2mm与插接结构大直径段底面外径2.5mm之间；

(3)插接结构大直径段通过真空电子束与金属箔焊接，插接结构的孔内径设计为0.9mm，略小于电缆头内芯的外径1mm；

(4)四氟衬套的外径设计为3.2mm，略小于电缆孔的内径3.5mm；四氟衬套的内径沿衬套轴线向电缆头方向分三段，三段内径分别为2.5mm、1.8mm和2.5mm，三段高度均是2mm；电缆头绝缘衬套外径为2.5mm，电缆头绝缘衬套高出电缆头外壁2mm；分压器和电缆头完成安装后，电缆头绝缘衬套凸出部分正好填充分压器四氟衬套凹进部分。

实际应用之前，对内插式薄膜电容分压器进行了标定，在分压器波形与高压探头上获得波形一致的前提下，得出分压器的分压比为4.14k。应用时，为了在示波器上获得合适的波形幅值，引入了二级电阻分压盒，分压比为21，所以总的理论分压比为87k。当二极管输出500kV电压时，测量系统上获得了5.75V的电压信号，对应系统分压比为85k，与实际结果基本一致，这说明了内插式薄膜电容分压器的可用性。