一种干式高电压低电感同轴式峰化电容器及制作工艺的制作方法

本发明属于脉冲功率技术领域，具体涉及一种用于快前沿电磁脉冲模拟器的干式高电压低电感同轴式峰化电容器及制作工艺。

背景技术：

在电磁脉冲模拟装置中，为了符合相关iec标准或国家标准对电磁脉冲波形的要求，实现纳秒前沿双指数脉冲波形的输出，通常采用多级脉冲压缩技术对初级脉冲源产生的波形进行脉冲压缩。

iec1000-2-9标准规定了核电磁脉冲波形的前沿时间为2.3±0.5ns、半高宽时间为23±5ns，要产生这样快的前沿脉冲波形，mv级电磁脉冲模拟器一般采用二级脉冲压缩电路，即先由marx产生器产生初级脉冲对中储电容器充电，充电时间为数百ns，然后中储电容器通过中储开关对峰化电容器充电，充电时间为数十ns，峰化电容器为低电感电容器，与输出开关相配合，产生所需快前沿脉冲波形，峰化电容器作为该电磁脉冲模拟器的关键器件之一，对脉冲压缩的效果起着至关重要的作用。

常规脉冲电容器一般采用油纸复合绝缘，元件电极材料为微米量级厚度的铝箔，元件通过插片串并联组成脉冲电容器，一般最高直流耐压100kv，电感为数十纳亨，多个这样的脉冲电容器串联，可耐受超过mv脉冲电压，多个这样的串联组件并联形成脉冲峰化电容器^[1]，峰化电容器电感为数百纳亨。由于电磁脉冲模拟器的输出前沿脉冲波形要求越来越快，对峰化电容器的电感也有了更高的要求，使得峰化电容器需要满足更高的电压、更低的电感，因此，目前急需一种绝缘性能好且能够满足高压低电感使用要求的峰化电容器。

技术实现要素：

为了解决现有峰化电容器的电感和电压不能满足电磁脉冲模拟器对输出前沿脉冲波形高要求的技术问题，本发明提供了一种干式高电压低电感同轴式峰化电容器及制作工艺。

为实现上述目的，本发明提供的技术方案是：

一种干式高电压低电感同轴式峰化电容器，其特殊之处在于：包括由内向外依次同轴设置的峰化电容器高压电极、开口金属筒电极及峰化电容器地电极，所述开口金属筒电极的数量为多个，相邻两个电极之间均设有介质薄膜层筒；相邻两个电极和填充其间的有机介质薄膜层筒构成一个圆筒电容器，相邻两个圆筒电容器共用一个开口金属筒电极，峰化电容器由多个圆筒电容器串联而成，由于无串联引线，因而电感最小；

所述介质薄膜层筒为有机绝缘介质薄膜紧密绕制而成的固态圆筒，每个介质薄膜层筒的两端应尽可能超出与其相邻两个开口金属筒电极的两端来提高沿面闪络距离，以介质薄膜筒不搭接开口金属筒电极端部为判断依据；

所述峰化电容器高压电极外表面的两端均开切削出第一环形台阶，其中部形成第一环形电极凸台，凸台为圆筒电容器有效电极；

每个所述开口金属筒电极内表面两端均开切削出内环形台阶，其内表面中部形成内环形电极凸台，每个所述开口金属筒电极外表面两端均切削出外环形台阶，其外表面中部形成外环形电极凸台，每个开口金属筒电极内表面端部、开口金属筒电极外表面端部均设有圆倒角，每个开口金属筒电极表面经抛光处理，其沿轴向切削出2-3毫米缝隙；

多个开口金属筒电极由内向外依次为第一开口金属筒电极、第二开口金属筒电极……第n开口金属筒电极，n为大于等于2的正整数；

峰化电容器高压电极外表面的第一环形电极凸台与第一开口金属筒电极内表面的内环形电极凸台两端对齐，第一开口金属筒电极外表面的外环形电极凸台与第二开口金属筒电极内表面的内环形电极凸台两端对齐，第二开口金属筒电极外表面的外环形电极凸台与第三开口金属筒电极内表面的内环形电极凸台两端对齐，依次类推，直至第n-1开口金属筒电极外表面的外环形电极凸台与第n开口金属筒电极内表面的内环形电极凸台两端对齐；

所述峰化电容器地电极由两个半圆金属筒组合而成，两个半圆金属筒对接后沿轴向存在缝隙；

进一步地，多个开口金属筒电极的轴向长度由内向外依次减小，每个开口金属筒电极外环形电极凸台的轴向长度小于内环形电极凸台的轴向长度。

进一步地，多个开口金属筒电极的厚度均相等；

所有介质薄膜层筒的厚度均相等；

所有环形电极凸台的高度均相等。

一种干式低电感同轴式峰化电容器的制作工艺，其特殊之处在于，包括以下步骤：

1)在峰化电容器高压电极外表面绕制介质薄膜层筒

将若干层数的有机绝缘介质薄膜绕制在峰化电容器高压电极上，在峰化电容器高压电极外表面形成介质薄膜层筒；

2)紧箍第一开口金属筒电极

2.1)使用捆绑器/带将第一开口金属筒电极紧箍在介质薄膜层筒上，使得峰化电容器高压电极外表面的第一环形电极凸台与第一开口金属筒电极内表面的内环形电极凸台两端对齐；

2.2)使用紧固线/带缠绕在第一开口金属筒电极外表面的外环形台阶上，将第一开口金属筒电极紧箍在介质薄膜层筒上；

2.3)判断紧箍好的第一开口金属筒电极开口处是否存在缝隙，若存在缝隙，则解开捆绑器/带；

若不存在缝隙，则解开紧固线/带和捆绑器/带、拆卸第一开口金属筒电极，适当增加有机绝缘介质薄膜的绕制层数，执行步骤1)和步骤2.1～2.2)，直至紧箍好的第一开口金属筒电极开口处存在缝隙，完成第一开口金属筒电极的紧箍；

3)紧箍第二开口金属筒电极至第n开口金属筒电极

3.1)将若干层数的有机绝缘介质薄膜绕制在已经紧箍好的第一开口金属筒电极上，在第一开口金属筒电极外表面形成介质薄膜层筒；

3.2)使用捆绑器/带将第二开口金属筒电极套在介质薄膜层筒上，使得第一开口金属筒电极外表面的外环形电极凸台与第二开口金属筒电极内表面的内环形电极凸台两端对齐；

3.3)使用紧固线/带缠绕在第二开口金属筒电极外表面的外环形台阶上，将第二开口金属筒电极紧箍在介质薄膜层筒上；

3.4)判断紧箍好的第二开口金属筒电极开口处是否存在缝隙，若存在缝隙，则解开捆绑器/带；

若不存在缝隙，则解开紧固线/带和捆绑器/带、拆卸第二开口金属筒电极，增加有机绝缘介质薄膜的绕制层数，执行步骤3.1)～3.3)，直至紧箍好的第二开口金属筒电极开口处存在缝隙，完成第二开口金属筒电极的紧箍；

重复步骤3.1)～3.3)多次，完成第三开口金属筒电极至第n开口金属筒电极的紧箍；

4)安装峰化电容器地电极

4.1)将若干层数的有机绝缘介质薄膜绕制在已经紧箍好的第n开口金属筒电极上，在第n开口金属筒电极外表面形成介质薄膜层筒；

4.2)将峰化电容器地电极用螺栓紧箍在介质薄膜层筒上，且紧箍好的峰化电容器地电极沿轴向存在缝隙；

5)拆除紧固线/带

去掉所有紧固线/带，完成电容器的制作。

进一步地，应用时峰化电容器外绝缘环境为高气压sf6气体。

与现有技术相比，本发明的优点是：

1、本发明峰化电容器由多个同轴圆筒电容器依次串联组成，相邻两个电容器共用一个开口金属筒电极，无引线串联使得峰化电容器电感最小化，满足电磁脉冲模拟器对输出前沿脉冲波形的更高要求。

2、常规薄膜电容器电极材料采用微秒厚度的铝箔，每个元件的耐压只有几kv，数十个元件串并联才能形成一个耐压百kv的脉冲电容器，数十个脉冲电容器串并联才能做成峰化电容器，而且这样的峰化电容器体积、重量和电感都大。本发明峰化电容器的绝缘介质为固态多层机绝缘介质薄膜，电极厚度为毫米量级，在相同的外绝缘情况下，单个圆筒电容器耐压可达数百kv，数十个同轴圆筒电容器串联形成的峰化电容器结构简单，体积、重量和电感都小，而且无液态电容器所使用的油类液体浸透，有利于减小杂散电容、精确设计电容器电容值。

3、本发明多个开口金属筒电极的轴向长度由内向外依次减小，则峰化电容器端部外形为锥面，使之与配套相连结构达到共型设计，使得电流方向一致，有利于减小脉冲前沿畸变。

4、本发明峰化电容器多个开口金属筒电极厚度相等、介质薄膜层筒的厚度相等、环形台阶的径向深度相等，有利于简化设计、优化绝缘设计。

5、本发明金属筒电极的材质可为o状态的6061铝合金，利用该材料的低刚度，有利于将电极箍紧在介质薄膜层筒外表面。

6、本发明峰化电容器地电极由两个半圆金属筒组成，用于保证整个峰化电容器的机械强度。

附图说明

图1是本发明干式高电压低电感同轴式峰化电容器一个实施例的半剖视图；

图2是图1的a处局部放大图；

图3是本发明干式高电压低电感同轴式峰化电容器一个实施例中开口金属筒电极的结构示意图；

图4是图3的剖视图；

图5是本发明干式高电压低电感同轴式峰化电容器中高压电极示结构意图；

图6是本发明干式高电压低电感同轴式峰化电容器中地电极结构示意图。

其中，附图标记如下：

1-峰化电容器高压电极，2-峰化电容器地电极，3-开口金属筒电极，4-介质薄膜层筒，5-外环形台阶，6-内环形台阶，7-圆倒角，8-第一环形台阶，9-螺栓，10-半圆金属筒。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明的内容作进一步详细描述。

如图1和图2所示，一种干式高电压低电感同轴式峰化电容器，包括峰化电容器主体，峰化电容器主体包括由内向外依次同轴设置的峰化电容器高压电极1、开口金属筒电极3、峰化电容器地电极2；；开口金属筒电极3的数量为多个，相邻两个电极之间(峰化电容器高压电极1和开口金属筒电极3之间、相邻两个开口金属筒电极3之间、开口金属筒电极3和峰化电容器地电极2之间)均填充有介质薄膜层筒4，相邻两个电极和夹在其间的有机介质薄膜层筒4构成一个圆筒电容器，相邻两个圆筒电容器公用一个开口金属筒电极3，峰化电容器由数十个这样的同轴圆筒电容器依次串联而成，由于无串联引线电感最小。峰化电容的外绝缘环境可为高气压sf6气体，本发明电容器区别与常规电容器，峰化电容器电极厚度至少为毫米量级，有利于降低电极表面电场强度，实现高电压。

如图5所示，峰化电容器高压电极1是一个金属圆筒，其外表面两端切削出第一环形台阶8，形成一段外表面削薄层，中部形成第一环形电极凸台。

所述介质薄膜层筒4为多层有机绝缘介质薄膜紧密绕制而成的固态圆筒，每个介质薄膜层筒4的两端要尽可能申出与其相邻两个开口金属筒电极3的两端，峰化电容器的内绝缘介质为多层有机绝缘介质薄膜紧密绕制而成的固态圆筒，外绝缘介质为高气压sf6气体，通过调节气压，实现绝缘能力的调节。无液态电容器所用的油类液态介质浸透，有利于减小杂散电容，精确设计电容值。

如图3和图4所示，开口金属筒电极3材质可采用o状态的6061铝合金，利用该材料的低刚度，有利于将开口金属筒电极3箍紧在峰化电容器地电极2外表面；每个所述开口金属筒电极3内表面两端均切削出内环形台阶6，即两端均有一段内表面削薄层，开口金属筒电极3外表面两端均切削出外环形台阶5，即两端均有一段外表面削薄层。内表面削薄层主要是形成与相应外表面有效电极凸台面积一致的内表面有效电极凸台，内表面削薄层的另外一个作用是能够增加介质薄膜层筒4两端的有效滑闪距离；外表面削薄层有足够的深度和长度，其主要作用是在外表面削薄层段用紧固线/带将开口金属筒电极3紧箍在介质薄膜层筒4外，另外外表面削薄层在电极外表面形成了外表面有效电极凸台；两段内表面削薄层使得开口金属筒电极3的内表面形成内环形电极凸台，两个外表面削薄层使得开口金属筒电极3的外表面形成外环形电极凸台，内环形电极凸台和外环形电极凸台为开口金属筒电极3的有效电极部分，用于精确设计电容器电容值。

多个开口金属筒电极由内向外依次为第一开口金属筒电极、第二开口金属筒电极……第n开口金属筒电极，n为大于等于2的正整数；峰化电容器高压电极外表面的第一环形电极凸台与第一开口金属筒电极内表面的内环形电极凸台两端对齐；第一开口金属筒电极外表面的外环形电极凸台与第二开口金属筒电极内表面的内环形电极凸台两端对齐；第二开口金属筒电极外表面的外环形电极凸台与第三开口金属筒电极内表面的内环形电极凸台两端对齐；依次类推，直至第n-1开口金属筒电极外表面的外环形电极凸台与第n开口金属筒电极内表面的内环形电极凸台两端对齐，位于介质薄膜层筒4两侧且与介质薄膜层筒4相邻(相接触)的电极凸台对齐。

如图4所示，设开口金属筒电极3的轴向长度为a，图中右侧为开口金属筒电极3的上端，开口金属筒电极3上端内表面环形台阶的轴向长度为f，开口金属筒电极3下端内表面环形台阶的轴向长度为h，则内表面内环形电极凸台轴向长度(开口金属筒电极3内表面的有效电极长度)为a-f-h；开口金属筒电极3上端外表面环形台阶的轴向长度为e，开口金属筒电极3下端外表面环形台阶的轴向长度为g，则外表面外环形电极凸台轴向长度(开口金属筒电极3外表面有效电极长度)为a-e-g；相邻两个开口金属筒电极3，位于内侧开口金属筒电极3的外表面外环形电极凸台要与外侧开口金属筒电极3的内表面内环形电极凸台严格对齐。为了方便设计加工，所有开口金属筒电极3的厚度c相等，内、外表面有效电极凸台高度相等。

开口金属筒电极3两端外表面削薄层的主要作用是在绕制电容器过程中，用线或薄带在削薄层处将开口金属筒电极3紧箍在已绕制好的介质薄膜层筒4外表面。

同轴圆筒电容器采用等电容设计，若所有电容器的开口金属筒电极3厚度c、介质薄膜层筒4厚度一致，那么所有电极的有效电极凸台面积应一致，金属筒电极内表面削薄层主要作用是为了让凸台对齐，削薄层的另一个作用是提高介质薄膜层筒4两端的有效闪络距离。

由于sf6气体为电负性绝缘介质，对场强特别敏感，因此每个开口金属筒电极3的加工棱角都要做精细倒圆角处理，在开口金属筒电极3的内表面两端、外表面两端加工圆倒角7，其表面经抛光工艺处理。每个内环形电极凸台端部、外环形电极凸台端部也均设有圆倒角7。

所述峰化电容器地电极2，如图6所示，由两个半圆金属筒10组成，用于保证整个峰化电容器的机械强度，两个半圆金属筒10通过螺栓9固定，峰化电容器地电极2内表面两端开也有内表面削薄层，该电极内表面中间也形成一段内表面有效电极凸台，紧箍好的地电极开口处应有明显的缝隙，肉眼可见即可。

峰化电容器中每个介质薄膜层筒4上端超出与其相邻外侧开口金属筒电极3上端的距离均相等；每个介质薄膜层筒4下端超出与其相邻外侧开口金属筒电极3下端的距离均相等，有利于简化设计、优化绝缘设计，提高峰化电容器总体耐受电压。

同时，本发明提供了一种干式高电压低电感同轴式峰化电容器的制作工艺，包括以下步骤：

1)在峰化电容器高压电极1外表面绕制介质薄膜层筒4

将若干层数的有机绝缘介质薄膜绕制在峰化电容器高压电极1上，在峰化电容器高压电极1外表面形成介质薄膜层筒4；

2)紧箍第一开口金属筒电极3

2.1)使用捆绑器/带将第一开口金属筒电极3套在介质薄膜层筒4上，使得峰化电容器高压电极1外表面的第一环形电极凸台与第一开口金属筒电极3内表面的内环形电极凸台两端对齐；

2.2)使用紧固线/带缠绕在第一开口金属筒电极3外表面的外环形台阶5上，将第一开口金属筒电极3紧箍在介质薄膜层筒4上；

2.3)判断紧箍好的第一开口金属筒电极3开口处是否存在缝隙，若存在缝隙，则解开步骤2.1)中捆绑器/带；

若不存在缝隙，则解开步骤2.2)中紧固线/带和步骤2.1)中捆绑器/带、拆卸第一开口金属筒电极3，增加有机绝缘介质薄膜的绕制层数，执行步骤1)和步骤2.1～2.2)，直至紧箍好的第一开口金属筒电极3开口处存在缝隙，完成第一开口金属筒电极3的紧箍；

3)紧箍第二开口金属筒电极3至第n开口金属筒电极3

3.1)将若干层数的有机绝缘介质薄膜绕制在已经紧箍好的第一开口金属筒电极3上，在第一开口金属筒电极3外表面形成介质薄膜层筒4；

3.2)使用捆绑器/带将第二开口金属筒电极3套在介质薄膜层筒4上，使得第一开口金属筒电极3外表面的外环形电极凸台与第二开口金属筒电极3内表面的内环形电极凸台两端对齐；

3.3)使用紧固线/带缠绕在第二开口金属筒电极3外表面的外环形台阶5上，将第二开口金属筒电极3紧箍在介质薄膜层筒4上；

3.4)判断紧箍好的第二开口金属筒电极3开口处是否存在缝隙，若存在缝隙，则解开步骤3.2)中使用的捆绑器/带；

若不存在缝隙，则解开步骤3.3)中使用的紧固线/带和步骤3.2)中使用的捆绑器/带、拆卸第二开口金属筒电极3，增加有机绝缘介质薄膜的绕制层数，执行步骤3.1)～3.3)，直至紧箍好的第二开口金属筒电极3开口处存在缝隙，完成第二开口金属筒电极3的紧箍；

重复步骤3.1)～3.3)多次，完成第三开口金属筒电极3至第n开口金属筒电极3的紧箍；

4)安装峰化电容器地电极2

4.1)将若干层数的有机绝缘介质薄膜绕制在已经紧箍好的第n开口金属筒电极3上，在第n开口金属筒电极3外表面形成介质薄膜层筒4；

4.2)将峰化电容器地电极2用螺栓9紧箍在介质薄膜层筒4上，且紧箍好的峰化电容器地电极2沿轴向存在缝隙；

5)拆除紧固线/带

去掉所有步骤2.3)中和步骤3.3)中所使用的紧固线/带，完成电容器的制作。

步骤6)应用时峰化电容器外绝缘环境为高气压sf6气体。

制作过程中，开口金属筒电极3的直径需由内向外依次增加，开口金属筒电极3的缝隙b相等；有机绝缘介质薄膜缠绕时应保持一定张力，确保有机绝缘介质薄膜紧密缠绕，张力的大小以薄膜不发生明显的形变为依据，薄膜宽度应尽可能长，使得薄膜能够超出开口金属筒电极3两端，以提高电容器的沿面闪络电压；薄膜超出长度以峰化电容成型后相邻两层的介质薄膜层筒4之间不发生搭接即可。

以上仅是对本发明的优选实施方式进行了描述，并不将本发明的技术方案限制于此，本领域技术人员在本发明主要技术构思的基础上所作的任何公知变形都属于本发明所要保护的技术范畴。

参考文献：

[1]i.d.smith,“thepulsepowertechnologyofhighaltitudeempsimulators,”inproc.5thsymp.exhib.electromagn.compat.,zurich,switzerland,mar.8-10,1983。